高强度大六角头螺栓联接副的扭矩系数和抗滑移系数的测定方法

试验技术与方法高强度大六角头螺栓联接副的扭矩系数和抗滑移系数的测定方法于翔 , 陈绪宏 ,杨章程(重庆市计量质量检测研究院 , 重庆 400020)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 。关键词 : 高强度螺栓 ; 扭矩系数 ; 预紧力 ; 摩擦面 ; 抗滑移系数 ;测定方法中图分类号 : T H131文献标识码 : A文章编号 : 100124012 (2008) 0920475204T ES T M E T HOD O N TO RQ U E CO E F F IC I EN T A ND A N T ISL ID E CO E F F IC I EN TFO R H I GH S T R EN GT H CO N N EC T IN G BOL TY U Xiang , C HEN Xu2hong , YANG Zhang2cheng( Cho ngqing Academy of Met rolo gy a nd Q ualit y Insp ectio n , Cho ngqing 400020 , China)Abstract : The to rque coefficient a nd a nti slide coefficient i s impo rta nt eval uatio n pa ra met er of t he p erfo r ma nce cla ss of high st rengt h bolt . The interf erence f acto r s of to rque coefficient were di scussed , and t he inf l uence r ule of main p ara meter s were analyzed by t heo retical and experimental met ho d. It wa s explo red t hat t he qualit y co nt rol during t he p rocess of te sting a nti slide coefficient of high2st rengt h bolt f aying surf ace of steel st r uct ures ,a nd so me p ro blems in t he t est were al so solved.Key words : High st rengt h bolt ; to rque coefficient ; p reload ; f rictio nal surf ace ; a nti slide coefficient ; te stmet ho d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 。475 收稿日期 :2007207205作者简介 :于 翔 ( 1978 - ) ,男 ,工程师 ,工学硕士 。理化检验 - 物理分册于 翔等 :高强度大六角头螺栓联接副的扭矩系数和抗滑移系数的测定方法表 1联接副的性能等级 、材料和使用配合 Ta b . 1 Perfo r ma nce cla s s , mat e rial a nd f it of bolt s 栓联接副的扭矩系数实测值 ,热处理工艺为淬火温度 800860 ,保温 4 h ,冷却方式为油冷 ,回火温 度 580650 ,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 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 。表 3扭矩系数与硬度的关系等级1 ,2)联接副材料牌号使用配合螺栓10 . 9 S8 . 8 S10 H8 H3545 H RC20 Mn TiB/ 35 VB40B/ 4545 ,35/ 35 MnVB3545 ,358 . 8 S10 . 9 S螺母8 H10 H垫圈3545 H RC3545 H RC注 : 1) 10 . 9 S 的含义 : 数字 10 表示公称抗拉强度的1/ 100 , 数字 9 表示公称屈服强度/ 公称抗拉强度的 10 倍 ; 2) S 表示大六角头 螺栓 , H 表示大六角头螺母 。Ta b. 3Relatio n of t wi sting mo ment coefficienta nd ha r dne ss1 . 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 . 1100 . 150 ,其标准偏差应 0 . 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 。表 2复验扭矩系数时高强螺栓的预拉力 PTa b. 2 The to r sio n of high st rengt h bolt during te stingt wi sting mo ment coefficientkN图 1Fig. 1扭矩系数与螺栓螺母摩擦因数的关系Relatio n of t wi sting mo ment coefficient a nd coefficient of f rictio n(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 10 次施拧后 K 值的变化情况 。1 . 5扭矩系数1 . 5 . 1计算公式 2 单个螺栓联接副扭矩系数Ki 的计算公式为 :( T i / Pi ) dKi=式中T i 施拧扭矩实际值 ,N m ;Pi 螺栓预拉力 ,kN ;d 螺栓螺纹公称直径 ,mm 。 同批螺栓扭矩系数平均值 K 的计算公式为 :K = Ki 1/ n式中 n 为试样个数 。同批扭矩系数的标准偏差的计算公式为 :表 4Ta b. 4反复施拧螺栓后扭矩系数 K 值的变化The cha nge of t wi sting mo ment coefficient af ter t wi sting again and again2 =1 . 5 . 2影响因素( Ki - K) / ( n - 1)(5)表 5 为同一组 (八套) 联接副在刚出厂时测(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476 试的扭矩系数和对其进行了锈蚀处理后再测得的扭 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 施拧次数扭矩系数 K施拧次数扭矩系数 K1 0 . 131 52 0 . 131 43 0 . 131 04 0 . 130 85 0 . 130 56 0 . 130 210 0 . 129 6螺栓规格Pmax Pmin螺栓规格Pmax PminM12 59 49M16 113 93M20 177 142M22 216 177M24 250 206硬度/ H RC 扭矩系数 K硬度/ H RC 扭矩系数 K25 0 . 13827 0 . 13230 0 . 12332 0 . 12035 0 . 118理化检验 - 物理分册于 翔等 :高强度大六角头螺栓联接副的扭矩系数和抗滑移系数的测定方法表 5锈蚀对扭矩系数的影响Tab. 5 Eff ect of r ust2eat en to t wi sting mo ment coefficient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 . 01 . 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 Tc = K Pc d ,施工预拉力 Pc 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 。表 6温度对扭矩系数的影响Ta b. 6 Eff ect of temp erat ure to t wi sting mo ment coefficient 3 压型联接和摩擦型联接均无差异。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 : 喷丸或喷丸后生赤锈 ,保证 0 . 45 的 摩 擦 因 数 ; 喷 砂 后 热 喷 铝(或锌) ,保证 0 . 40 的摩擦因数 ; 喷砂后喷涂富锌 4 漆 ,保证 0 . 35 的摩擦因数。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 1 %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 。477 表 7高强度大六角头螺栓预拉力 PcTa b. 7The to r sio n of high st rengt h a nd bigt ur retco nnecting boltkN性能等级8 . 8 S10 . 9 SM12M16M20M22M24457612015017060110170210250抗滑移系数的测定22 . 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 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 温度/ K温度/ K温度/ K- 30 0 . 156- 20 0 . 144- 10 0 . 1370 0 . 13010 0 . 12620 0 . 12230 0 . 11740 0 . 112联接副 新联接副 锈蚀后的 序号的 K 值K 值联接副 新联接副 锈蚀后的 序号的 K 值K 值1 0 . 131 0 . 1382 0 . 125 0 . 1203 0 . 127 0 . 1224 0 . 135 0 . 1395 0 . 139 0 . 1186 0 . 129 0 . 1417 0 . 137 0 . 1338 0 . 133 0 . 119理化检验 - 物理分册于 翔等 :高强度大六角头螺栓联接副的扭矩系数和抗滑移系数的测定方法平均值) (取三位有效数字) ,kN ;m 试件一侧螺栓数量 , 双栓时 m = 2 , 三 栓时 m = 3 。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 :F = nf Pm另外应 选取 略大 的 摩 擦 面 设 计 抗 滑 移 系 数 值 。如生赤锈摩擦面 选为 0 . 50 ; 热喷铝 ( 或锌) 摩 擦面选为 0 . 45 ; 喷涂富锌漆摩擦面选为 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 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 =s A (s 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 。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 mm ; 接触面间 隙应 1 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 . 9