高强螺栓扭矩系数测量不确定度的评定与表示

韦 龙

(云南理工检测科技有限公司,云南 昆明 650500)

1 引 言

钢结构是一种主要是由各种型钢、钢材构成的建筑结构类型,该结构具有诸多优点,在现代结构工程中屡见不鲜。钢结构的安全可靠,不仅与合理的设计、科学的施工有关,更与材料的优劣相关。本文通过对钢结构用高强度大六角头螺栓连接副(以下简称螺栓连接副)扭矩系数结果的测量不确定度进行评定,找到引起测量结果不确定度的主要来源并加以分析,为提高检测质量提供了依据。

2 试样与试验方法

螺栓连接副扭矩系数宏观上反映的是连接副在拧紧过程中扭矩与连接副紧固力之间的关系,该系数是由摩擦系数和螺纹形状共同决定的,是反映螺纹副摩擦性能的综合经验系数。在同等条件下,扭矩系数越小,产生的紧固力越大。因此,扭矩系数对连接副现场施工扭矩的大小至关重要。

本文选用螺栓连接副M22×90-10.9S试样,按照GB 50205-2020《钢结构工程施工质量验收标准》和GB/T 1231-2006《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件》进行扭矩系数试验,所用设备为高强螺栓检测仪(YJZ-500),其扭矩最大量程为2000N·m,轴力最大量程为500kN,均为1级精度。扭矩系数以8套连接副的算数平均值为测试结果,见表1,并进行不确定度评定。

表1 M22×90-10.9S螺栓连接副扭矩系数测试结果

3 数学模型

扭矩系数K是与试验过程中达到规定范围内的螺栓预拉力P所对应的施拧扭矩T,以及螺栓直径d有关的函数[1,2],其计算公式如下:

(1)

(2)

式中,K为扭矩系数,结果精确至0.001;T为施拧扭矩峰值,单位为N·m,结果精确至0.1N·m;P为螺栓预拉力峰值,单位为kN,结果精确至0.1kN;d为螺栓的螺纹公称直径,单位为mm,结果精确至1mm;rep为试验的总重复性;n为试样个数。

由于输入量相互独立,且各输入量之间均为乘除关系,所以可以不考虑灵敏系数[3],直接计算扭矩系数K相对不确定度,其不确定度传播律为:

(3)

4 标准不确定度分量及其评定

4.1 施拧扭矩引入的相对不确定度评定

螺栓施拧扭矩的测量不确定度主要由仪器示值的测量不确定度、仪器设备检定校准的不确定度两个方面组成。

(1)仪器示值引入的不确定度评定

高强螺栓检测仪的准确度等级为1级,扭矩示值误差为±1.0%,可认为示值满足均匀分布,所以仪器示值引入的不确定度:

(2)仪器设备检定校准引入的不确定度评定

1级设备的检定校准需要0.3级以上精度的计量标准器进行检定校准,该计量标准器的误差为±0.3%,可认为示值满足均匀分布,所以仪器设备检定校准引入的不确定度:

螺栓施拧扭矩引入的相对不确定度为:

4.2 螺栓预拉力引入的相对不确定度评定

螺栓预拉力的测量不确定度主要由仪器示值的测量不确定度、仪器设备检定校准的不确定度两个方面组成。

(1)仪器示值引入的不确定度评定

高强螺栓检测仪的准确度等级为1级,力值误差为±1.0%,可认为示值满足均匀分布,所以仪器示值引入的不确定度:

(2)仪器设备检定校准引入的不确定度评定

1级设备的检定校准需要0.3级以上精度的计量标准器进行检定校准,该计量标准器的误差为±0.3%,可认为示值满足均匀分布,所以仪器设备检定校准引入的不确定度:

螺栓预拉力引入的相对不确定度为:

4.3 螺栓的螺纹公称直径引入的相对不确定度评定

按标准计算螺栓扭矩系数时,用的螺栓公称直径为螺栓外螺纹大径,螺栓外螺纹大径的公称误差为-335μm[4],假定该误差服从均匀分布,所以得到螺栓公称直径引入的相对不确定度:

4.4 螺栓连接副重复性引起的相对不确定度评定

重复性引起的相对不确定度主要来源于螺栓预拉力P测量的重复性、施拧扭矩T测量的重复性。螺栓连接副M22×90-10.9S试样,螺栓直径为22mm,取8个连接副试样进行试验,并计算扭矩系数,其结果如表1所示。

扭矩系数平均值由式(2)计算得:

扭矩系数标准偏差:

重复性引起的相对不确定度分量:

4.5 相对合成标准不确定度评定

由于各分量之间相互独立,相对合成标准不确定度可由式(3)计算:

扩展不确定的评定,取包含因子k=2(置信概率95%),可得扭矩系数的扩展不确定度为:

U=2×uc(K)=0.00752

所以扭矩系数的测量结果可表示为:

5 讨论分析

从以上不确定度分量不难看出,在试验设备精度满足要求的条件下,施拧扭矩T和螺栓预拉力P引入的相对不确定度对扭矩系数的相对合成标准不确定度几乎没有影响,而公称直径d的制造公差引入的相对不确定度对扭矩系数的相对合成标准不确定度的影响达到29.2%,重复性引入的不确定度对扭矩系数的相对合成标准不确定度的影响高达到95.6%。因此,在实际检测过程中,应提高人员的操作水平,尤其是在手动施拧过程中,应尽量平稳、无冲击、匀速地施加扭矩。程序控制时,应选取合适的速率,以保证测量的准确性。