高強(qiáng)度螺栓扭矩測(cè)試的工藝性能介紹

 摘要

目前驗(yàn)證高強(qiáng)度螺栓是否正確擰緊的手段和方法非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力消耗。在某些情況下，這些技術(shù)需要特殊設(shè)備，而在其他情況下，驗(yàn)證本身可能有點(diǎn)主觀。雖然確實(shí)存在一些商業(yè)上可用的驗(yàn)證技術(shù)，但這些選項(xiàng)仍然有一些限制和可能被認(rèn)為是昂貴的選擇。該項(xiàng)目的主要目標(biāo)是探索高強(qiáng)度螺栓緊固和驗(yàn)證技術(shù)，并調(diào)查開發(fā)和實(shí)施新替代方案的可行性。國(guó)家有關(guān)部門的文獻(xiàn)檢索和調(diào)查進(jìn)行運(yùn)輸 (DOT) 以收集有關(guān)各種螺栓緊固技術(shù)的信息，以便了解可以獲得可用的和正在開發(fā)的技術(shù)。在文獻(xiàn)查閱過(guò)程中，對(duì)材料的要求，還審查了結(jié)構(gòu)連接研究委員會(huì)規(guī)范中概述的檢查和安裝方法并總結(jié)。為了指導(dǎo)尋找新的替代品和技術(shù)開發(fā)，工作組會(huì)議

1.背景

多年來(lái)，螺栓一直是用于組裝的最常見的緊固件類型結(jié)構(gòu)連接。由于它們易于安裝和經(jīng)濟(jì)，螺栓連接經(jīng)常用于民用以及汽車、石油、和航空。螺栓連接的主要功能是連接結(jié)構(gòu)構(gòu)件以安全將負(fù)載從一個(gè)組件傳輸?shù)搅硪粋€(gè)組件。因此，螺栓連接至關(guān)重要任何鋼結(jié)構(gòu)的組成部分。螺栓連接背后的想法是，當(dāng)鋼構(gòu)件被擰緊時(shí)，一個(gè)螺栓（或一組螺栓）充當(dāng)彈簧并將組件拉到一起。螺栓連接的可靠性主要由初始夾緊力的水平和夾緊的穩(wěn)定性控制隨著時(shí)間的推移。一種常見的誤解是正確的松緊度取決于施加到螺栓或螺母上的扭矩。螺栓連接的真正強(qiáng)度來(lái)自張力（或夾緊力）通過(guò)擰緊在螺栓中產(chǎn)生。盡管許多工具利用扭矩扭轉(zhuǎn)螺栓頭（或螺母）以有效拉伸螺栓，說(shuō)特定的扭矩量將始終在螺栓中產(chǎn)生特定量的張力。對(duì)于許多類型的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，螺栓連接的失效通常是由于不正確的安裝，這可能導(dǎo)致崩潰或廣泛的系統(tǒng)范圍損壞。雖然失敗了單個(gè)非關(guān)鍵緊固件可能對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和適用性不重要，連接中螺栓安裝不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)度振動(dòng)或不足成員的剛度。例如，如果連接沒有充分?jǐn)Q緊，它可能會(huì)變成松散并允許組件分離；另一方面，如果過(guò)度擰緊，則可能會(huì)改變螺栓的機(jī)械性能，并導(dǎo)致連接損壞。一般來(lái)說(shuō)，能力通過(guò)組件傳遞負(fù)載的連接在很大程度上依賴于連接是否已正確安裝。因此，需要進(jìn)行充分的螺栓緊固驗(yàn)證以確保這種連接能夠安全地執(zhí)行其功能。目前驗(yàn)證高強(qiáng)度螺栓已正確安裝的手段和方法

擰緊既費(fèi)力又費(fèi)時(shí)。在某些情況下，這些技術(shù)需要特殊設(shè)備，在其他情況下，核查本身可能有些主觀。盡管一些商業(yè)上可用的驗(yàn)證技術(shù)確實(shí)存在，但存在一些缺點(diǎn)，例如在現(xiàn)場(chǎng)使用成本高、耗時(shí)且不切實(shí)際。

1.2.目標(biāo)和范圍

該項(xiàng)目的主要目標(biāo)是探索當(dāng)前的實(shí)踐狀況和結(jié)構(gòu)鋼中高強(qiáng)度螺栓緊固和驗(yàn)證的最先進(jìn)技術(shù)連接。該項(xiàng)目已完成，以便深入了解可用的可能導(dǎo)致調(diào)查開發(fā)和實(shí)施新的可行性的技術(shù)備擇方案。

2 研究工作涉及以下四項(xiàng)任務(wù)：

任務(wù) 1 – 文獻(xiàn)綜述

進(jìn)行了文獻(xiàn)綜述以獲取有關(guān)各種相關(guān)主題的信息。為了例如，收集、審查了有關(guān)傳統(tǒng)螺栓緊固技術(shù)的文獻(xiàn)，并總結(jié)。因?yàn)楸娝苤?，有一些螺栓擰緊驗(yàn)證技術(shù)使用其他行業(yè)將這種努力擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)工程以外的領(lǐng)域可以獲得對(duì)可用和開發(fā)中的技術(shù)的了解。

任務(wù) 2 – 國(guó)家調(diào)查

通過(guò)愛荷華州教育部創(chuàng)建并傳播了一組在線問(wèn)題運(yùn)輸 (DOT) 橋梁工程師與他在全國(guó)各地的同事。本次活動(dòng)的目標(biāo)調(diào)查旨在確定其他國(guó)家目前正在使用的技術(shù)并幫助指導(dǎo)研究和發(fā)現(xiàn)新技術(shù)。該調(diào)查詢問(wèn)了有關(guān)螺栓擰緊的一般問(wèn)題，使用的常見做法，以及受訪者是否正在考慮任何新的替代方案或了解正在開發(fā)的任何相關(guān)技術(shù)。

任務(wù) 3 – 工作組會(huì)議

愛荷華州立大學(xué)（交通研究所，Ames 實(shí)驗(yàn)室、無(wú)損評(píng)估中心等）、愛荷華州 DOT、愛荷華州咨詢工程社區(qū)，愛荷華州承包商社區(qū)可能有知識(shí)與改進(jìn)有關(guān)螺栓擰緊驗(yàn)證的實(shí)踐狀態(tài)有關(guān)。到促進(jìn)這些資源和其他相關(guān)方之間的討論，工作組會(huì)議2015年10月12日在交通學(xué)會(huì)召開 會(huì)議主要目標(biāo)識(shí)別現(xiàn)有的螺栓緊固驗(yàn)證技術(shù)，包括那些不容易利用并集思廣益新的手段和方法（例如，具有創(chuàng)新性的儀器冶金特性），如果要進(jìn)行額外的研究，可能會(huì)提供可行的選擇實(shí)施。

任務(wù) 4 – 最終報(bào)告

該項(xiàng)目期間完成的所有工作都在這份最終報(bào)告中進(jìn)行了總結(jié)，該報(bào)告包括四章。第 1 章介紹了項(xiàng)目背景和目標(biāo)。文獻(xiàn)綜述關(guān)于螺栓連接、螺栓擰緊和驗(yàn)證技術(shù)的總結(jié)在第二章調(diào)查結(jié)果與討論及工作組會(huì)議在第 3 章中進(jìn)行了總結(jié)，而一般性結(jié)論和建議在第 4 章。

2. 文獻(xiàn)綜述 

2.1.結(jié)構(gòu)鋼螺栓

螺栓是主要的機(jī)械緊固件之一，用于連接結(jié)構(gòu)鋼和轉(zhuǎn)移組件之間的負(fù)載。雖然在施工中使用了多種螺栓，但最常見的三種螺栓常見的結(jié)構(gòu)螺栓包括 ASTM A307、ASTM A325 和 ASTM A490 螺栓。這些A307螺栓屬于低強(qiáng)度螺栓。

A325和A490螺栓屬于高強(qiáng)度螺栓強(qiáng)度螺栓。 A307 螺栓的極限抗拉強(qiáng)度約為 45 至 60 ksi，區(qū)別于它們來(lái)自具有極限抗拉強(qiáng)度至少兩倍的高強(qiáng)度螺栓。

雖然 A307 螺栓可以為許多應(yīng)用提供經(jīng)濟(jì)的解決方案，但它們的用途是通常僅限于臨時(shí)或輕載結(jié)構(gòu) A325 螺栓由熱處理、回火、中碳鋼制成。有三種不同A325螺栓種類：1型為中碳鋼，2型為低碳鋼馬氏體鋼，類型 3 由耐大氣腐蝕鋼制成。每種類型是以不同的螺栓頭標(biāo)記來(lái)區(qū)分，如圖 2-1 所示庫(kù)拉克等人。 2001 版權(quán)所有 2001 結(jié)構(gòu)連接研究委員會(huì)

圖 2-1。 A325 螺栓的螺栓頭標(biāo)記大多數(shù)規(guī)范都要求在螺栓頭和螺母上做標(biāo)記，以便它們可以很容易地識(shí)別。 A490 螺栓的制造方式與 A325 螺栓類似，但采用合金鋼。有三種不同類型的A490螺栓：1類螺栓由合金鋼制成，2類由低

碳馬氏體鋼和 3 型由耐大氣腐蝕鋼制成。螺栓頭部的標(biāo)記方式與圖 2-1 中所示的 A325 螺栓相似，除了帶有

A490 標(biāo)記雖然 A325 和 A490 螺栓都是高強(qiáng)度螺栓，但 A490 螺栓顯示出更高的強(qiáng)度機(jī)械性能，與 A325 螺栓相比，延展性更差且更昂貴。其他兩者之間的重要區(qū)別在于，雖然 A325 螺栓可以在必要時(shí)進(jìn)行鍍鋅，由于存在應(yīng)力腐蝕開裂和氫的風(fēng)險(xiǎn)，A490 螺栓不應(yīng)鍍鋅脆化因此，使用 A490 螺栓用于橋梁或其他高速公路如果不禁止，結(jié)構(gòu)是非常有限的。

2.2. 螺栓連接

螺栓連接可以承受不同類型的力，包括彎曲力、剪切力、軸向力、扭轉(zhuǎn)，或這些的任何組合。 然而，在大多數(shù)情況下，連接被配置為無(wú)論它們?nèi)绾渭虞d，螺栓都能抵抗剪切和軸向載荷。 的第一步構(gòu)建螺栓連接的過(guò)程是確定它是什么類型的連接。 經(jīng)過(guò)確定接頭類型后，可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)穆菟ㄟx擇和安裝。 三個(gè)最結(jié)構(gòu)鋼中的傳統(tǒng)接頭類型是緊貼、預(yù)緊和滑動(dòng)臨界關(guān)節(jié)。 每種類型的名稱取決于如何使用連接來(lái)傳輸整個(gè)結(jié)構(gòu)的荷載。 表 2-1 總結(jié)了這些關(guān)節(jié)類型的分類。

密貼緊固接頭不需要預(yù)安裝驗(yàn)證，因?yàn)闆]有要求與扭矩、預(yù)緊力或匝數(shù)有關(guān)。 (Criste 2012) 所有預(yù)緊接頭都以

緊貼狀態(tài)并通過(guò)誘導(dǎo)預(yù)緊力發(fā)展到規(guī)定的水平?；A(chǔ)的用于預(yù)緊和滑動(dòng)臨界接頭的預(yù)緊方法的原則是基本相同。盡管無(wú)論如何都會(huì)在所有連接中存在一定的滑動(dòng)阻力在接頭類型中，并非所有連接都必須是滑動(dòng)臨界的。之間的主要區(qū)別

預(yù)拉伸和滑動(dòng)臨界接頭將是需要準(zhǔn)備的接合面滑動(dòng)臨界接頭，以滿足指定的滑動(dòng)阻力水平?；瑒?dòng)關(guān)鍵關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)移服務(wù)

通過(guò)螺栓連接層的摩擦阻力產(chǎn)生剪切載荷。防滑的大小取決于存在的預(yù)緊力和接合面的粗糙度 (Criste 2012)。這結(jié)構(gòu)連接研究委員會(huì) (RCSC) 準(zhǔn)備規(guī)范和文件與結(jié)構(gòu)連接有關(guān)。結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)規(guī)范中的第 4.2 和 4.3 節(jié)使用高強(qiáng)度螺栓（或美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì) (AISC) 規(guī)范）J1.10 和 J3.2) 討論何時(shí)將連接歸類為預(yù)張緊或滑動(dòng)臨界，(RCSC 2009, AISC 2011)。一旦確定了接頭類型并選擇了合適的螺栓，就可以將接頭安裝在符合 ASTM 和 RCSC 規(guī)范。螺栓連接的成功很大程度上取決于螺栓的充分?jǐn)Q緊。由于螺栓的行為有點(diǎn)像彈簧，適當(dāng)利用螺栓的彈性特性可以導(dǎo)致正確的擰緊。在操作中，一個(gè)在擰緊過(guò)程中，每個(gè)螺栓都會(huì)施加軸向預(yù)緊力。這種軸向預(yù)載荷張力被稱為“拉緊載荷”或“預(yù)緊力”，通常幾乎相等大小和方向與施加在組裝件上的壓縮力相反成分。未能達(dá)到必要的自負(fù)可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的和不受歡迎的結(jié)構(gòu)行為，例如可能導(dǎo)致額外的關(guān)節(jié)位移增加二階彎曲效應(yīng)或?qū)е缕谛褪?。預(yù)緊的目的取決于應(yīng)用程序的需求，可能包括以下內(nèi)容：

● 確保組件在支撐外部負(fù)載時(shí)具有適當(dāng)?shù)膭偠?/span>

● 防止密封處泄漏

● 避免螺栓上的剪應(yīng)力

● 抵抗自發(fā)松動(dòng)效應(yīng)

●減少動(dòng)態(tài)載荷對(duì)螺栓疲勞壽命的影響

（Dalal 和 Thakur，2013 年） 可以將螺栓擰緊至所需的初始預(yù)緊力，從而使連接部件牢固固定在螺栓和螺母頭之間連接在一起，不允許在接口處滑動(dòng)。鋼墊圈可用于連接以將夾緊力均勻分布在螺栓連接表面上并防止螺栓的螺紋部分壓在連接部件上。這接觸的表面必須沒有氧化皮、鐵銹、油漆、油脂和其他障礙物。 RSCS 規(guī)定最小預(yù)緊力設(shè)置為規(guī)定抗拉強(qiáng)度的 70%緊固件（例如，ASTM A325 和 A490）。預(yù)緊和預(yù)緊的最小螺栓預(yù)緊滑動(dòng)臨界接頭可在 RSCS 規(guī)范 (RCSC 2009) 的表 8.1 或表中找到AISC 規(guī)范 (AISC 2011) 的 J3.1。 AISC 和 RCSC 都不推薦使用規(guī)定的扭矩值作為施加必要預(yù)緊力的有效方法（Criste 2012）。

這是因?yàn)榻M件內(nèi)的摩擦系數(shù)可能會(huì)顯著增加因項(xiàng)目而異（甚至在項(xiàng)目中使用的緊固件之間）并且對(duì)應(yīng)于預(yù)緊力的扭矩變化很大程度上取決于螺紋配合、螺母表面狀況、與螺母相鄰的握把表面狀況以及其他因素（Criste 2012）。一例外情況是使用校準(zhǔn)扳手方法，這將進(jìn)一步本報(bào)告稍后介紹。雖然校準(zhǔn)扳手方法是一種基于扭矩的方法，但它被 RSCS 認(rèn)可為高強(qiáng)度螺栓緊固的合適方法，因?yàn)橥ㄟ^(guò)測(cè)量安裝的預(yù)緊力和預(yù)安裝來(lái)確定所需的扭矩在實(shí)際安裝之前進(jìn)行驗(yàn)證。該規(guī)范要求每天或任何條件改變時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)。