|
导读 作者：于翔，陈绪宏，杨章程 (重庆市计量质量检测研究院，重庆400020) 来源：《理化检验（物理分册）》2008年9月 摘要：扭矩系数及抗滑移系数是评定高强度螺栓性能级别的重要参数。讨论了扭矩系数的影响因素;在理论分析的基础上,通过试验研究各种因素对扭矩系数的影响规律。另外探讨了钢结构高强度螺栓联接面抗滑移系数试验的过程质量控制,并解决了试验中的一些实际问题。 高强度螺栓联接主要应用于航空航天、工业、道路桥梁工程和钢网架结构建筑安装工程等重要场合，为加强工程质量管理，GB 50205—2001标准对高强度螺栓联接摩擦面的抗滑移系数和螺栓联接副扭矩系数规定了严格的验收规范。所以在钢结构工程施工前都必须按批对高强度螺栓的扭矩系数和摩擦面抗滑移系数进行复验，以确保高强度螺栓的扭矩系数和抗滑移系数不低于制造厂出厂时的标准和设计要求，合格后方可安装。但该标准中并没有对该两项指标的试验步骤、注意事项及其对试验结果的影响作出具体规定，因此笔者对该部分内容进行介绍和补充。 1扭矩系数的测定 1．1联接副的组成和安装 高强度大六角头螺栓联接副是由分属同批制造的一个螺栓、一个螺母和两个垫圈组成的结构联接紧固件。组装联接副时螺栓头下的垫圈有倒角的一面应朝向螺栓头，螺母下的垫圈有倒角的一面应朝向螺母带圆台面的支承面。 1．2检测设备 轴力计和手动扭矩扳子。 1．3性能等级、材料及使用配合 高强度大六角头螺栓联接副分为8．8和10．9级两个级别，具体性能等级、材料及使用配合见表1。
1．4检验规则 (1)高强度大六角头螺栓联接副施工前，应按出厂批复验扭矩系数。 (2)每批复验八套，最大代表批量3 000套[1]。 (3)同批螺栓联接副的扭矩系数平均值应为0．10～0．150，其标准偏差应≤O．010[2]。 (4)用扭矩扳手施力时，应缓慢无冲击，螺栓预拉力P应控制在表2规定的范围内，超出者所测扭矩系数K值无效。
1．5．2影响因素 (1)螺栓螺母的硬度影响K值的大小，表3为一组通过不同热处理工艺得到不同硬度的M20螺栓联接副的扭矩系数实测值，热处理工艺为淬火温度800～860℃，保温4 h，冷却方式为油冷，回火温度580～650℃，保温6 h，冷却方式为空冷。由表3可见随着硬度的提高扭矩系数K大体呈下降趋势。 (2)螺母和垫圈支撑面的表面状态是影响K值及其离散性的关键因素。图1是与上述情况相同的螺栓及螺母摩擦因数／i与扭矩系数之间的关系，可见摩擦因数越大，联接副的扭矩系数也越大。
(3)螺栓螺纹表面以及螺母和垫圈支撑面存在的氧化皮使K值减小。 (4)反复施拧使K值略有下降但不明显，可包含在其离散性内，表4为一组螺栓联接副在lo次施拧后K值的变化情况。
(5)表5为同一组(／k套)联接副在刚出厂时测试的扭矩系数和对其进行了锈蚀处理后再测得的扭矩系数的比较，可见锈蚀使K值离散性增大。 (6)表6为温度对扭矩系数K值的影响，可见随着温度下降，K值增大；温度升高，K值减小。 1．6讨论 在施工中，高强度螺栓的紧固通常采用扭矩法，施工扭矩丁c—K×P。×d，施工预拉力P。按表7确定。由于施工扭矩Tc是按同批联接副扭矩系数的平均值确定的，所以紧固预拉力的离散性就与K值的离散性密切相关，若K值的离散性大，则预拉力的离散性就大。若K值的离散性大大超过了规定范围，就会造成部分螺栓的紧固预拉力不足或过紧的状态，甚至使螺栓断裂。所以扭矩系数的离散性(既标准偏差值的大小)是更为重要的指标。
2抗滑移系数的测定 2．1高强度螺栓联接形式 从设计的角度，高强度螺栓的联接形式(按承载方式)分为摩擦型联接和承压型联接两种。高强度螺栓摩擦型联接是通过联接的板层间的抗滑力来传递剪力，按板层间出现滑动作为其承载能力的极限状态。这种螺栓也称为摩擦型高强度螺栓，适用于重要结构和承受动力荷载的结构，或可能出现反向内力的构件联接。其孔径比公称直径大1．5～2．0 mm。 高强度螺栓承压型联接是以联接板层间出现滑动作为正常使用(即在荷载标准值作用下)的极限状态，而以联接的破坏(螺栓或板件的破坏)作为其承载能力的极限状态。这种螺栓也称为承压型高强度螺栓，其计算方法与构造要求与普通螺栓相同，可用于允许产生少量滑移的静载结构或间接承受动力荷载的构件。当某一方向产生较大滑移时，可采用长圆孔。采用圆孔时，其孔径比螺栓公称直径大1．0～1．5 mm。 由于承压型螺栓孔的孔径比摩擦型螺栓孔的小0．5 mm，联接的整体性和刚度也比摩擦型的差，且变形较大，强度储备相对较低，因此在重要结构以及承受动荷载的结构中不许采用承压型螺栓；而在材料、预拉力、接触面的处理以及施工要求等方面，承压型联接和摩擦型联接均无差异[3]。 2．2高强度螺栓摩擦面的处理 按照美国规范，高强度螺栓联接的接触面的涂装应经过试验确定。因此其摩擦因数的大小应根据实际的表面处理情况进行试验确定。我国高强度螺栓摩擦面常用的处理方式有三种：①喷丸或喷丸后生赤锈，保证0．45的摩擦因数；②喷砂后热喷铝(或锌)，保证0．40的摩擦因数；③喷砂后喷涂富锌漆，保证0．35的摩擦因数[4]。 2．3高强度螺栓联接面抗滑移系数试验 2．3．1试验要求 (1)每种表面处理工艺需作三组试件。 (2)抗滑移系数试验应采用双摩擦面的两栓或三栓拼接的拉力试件，试件根据设计图纸制作。 (3)抗滑移系数试验采用的试件与所代表的构件应为同一材质、同一使用性能等级以及同一直径的高强度螺栓联接副。 (4)试验采用的试验机误差应在l％以内。 (5)试验采用的贴有电阻片的高强度螺栓、压力传感器和电阻应变仪应在试验前用试验机进行标定，其误差应在2％以内。 2．3．2试验步骤 (1)试件的制备 试件表面应平整、干燥、无油污，孔和板的边际无飞边、无毛刺。试件厚度差应<1 ram；接触面间隙应<l mm。 (2)试件摩擦面的表面预处理 按照设计要求控制试件摩擦面的预处理施工质量，预处理完毕后，试件应进行表面清洁度和粗糙度评定。 (3)试件摩擦面的涂层施工 涂层施工完毕后，应进行涂层外观、厚度和粗糙度等项目的检测。 (4)高强度螺栓的初拧和终拧 高强度螺栓的初拧扭矩为终拧扭矩的50％左右。高强度螺栓联接副的初拧和终拧应在同一工作日内完成。高强螺栓的拧紧顺序应从试件中间到两边依次进行。终拧时，施工扭矩应连续、平稳，螺栓和垫圈不得与螺母一起转动，如有转动应更换高强度螺栓。该试验是根据前面进行的螺栓扭矩系数试验所得到的扭矩系数平均值来计算每个螺栓的预拉力值，并将其控制在0．95P～1．05P(P为高强度螺栓设计预拉力值)。当高强度螺栓终拧后，用0．3 mm厚的塞尺插入板缝的深度不超过20 mm。 (5)试件的拉力试验 试验时要求试件的轴线与试验机夹具中心严格对中。在试件侧向画上刻度，以测量试件的滑移和变形情况。在试验机的上下夹具上安装位移计，以测量试件的整体变形情况。加载时，应先加10％的抗滑移设计荷载值，停l min后，再平稳加载，加载速度为3～5 kN／s。拉伸至滑动破坏，测得滑移荷载Nv。试验过程中当发生下述情况之一，其对应的荷载可定为试件的滑移荷载：①试验机发生回针现象；②试件侧面画线发生错动；③试件突然发生“嘣”的响声。抗滑移系数可根据滑移荷载Nv和螺栓预拉力P的实测值按下式计算(取两位有效数字)[2]。
试验过程中，若一侧摩擦面发生滑移(滑动失效)，拉力机出现回针，应继续加载，待到另一侧摩擦面也发生滑移时(此过程滑动失效侧的螺栓承受剪力)，试验结束。应分别按上式计算出摩擦面的抗滑移系数。 (6)摩擦面抗滑移系数试验的试验报告内容有试件的制作质量、试件摩擦面的表面预处理施工质量、试件摩擦面的涂层施工质量、高强度螺栓初拧、终拧施工质量和试件的拉力试验。 2．4问题及讨论 2．4．1试件摩擦极限拉力值F的选取 试件的摩擦极限拉力值F为：
另外应选取略大的摩擦面设计抗滑移系数u值。如生赤锈摩擦面卢选为0．50；热喷铝(或锌)摩擦面u选为0．45；喷涂富锌漆摩擦面u选为0．50。 国内省级试验单位的拉力机多为100 t级，因此一般情况设计拉力值F应低于800 kN(100 t拉力机极限荷载的80％)，否则会增加试验费用和时间。100 t级拉力机钳口极限距离为900 mm，故试件的总长应<850 mm；且试件两端夹持长度应≥150 mm；夹具夹持长度100 mm，过渡区50 mm。 2．4．2试件有效截面积的选取 试件的设计有效截面积应保证在达到设计抗滑移系数前试件不发生塑性变形，即T>F(F为试件的摩擦极限拉力值，T为试件的抗拉极限拉力值)。试件的抗拉极限拉力值T一吒A(以为抗拉强度，A为试件有效截面积)。当T<F，即设计有效截面积未达到设计抗滑移系数前试件已发生塑性变形，故该试件设计不合理(有效截面积偏低)，得不到实际的抗滑移系数 |
|
|
