高强度螺栓扭矩测试的工艺性能介绍

 摘要

目前验证高强度螺栓是否正确拧紧的手段和方法非常费时费力消耗。在某些情况下，这些技术需要特殊设备，而在其他情况下，验证本身可能有点主观。虽然确实存在一些商业上可用的验证技术，但这些选项仍然有一些限制和可能被认为是昂贵的选择。该项目的主要目标是探索高强度螺栓紧固和验证技术，并调查开发和实施新替代方案的可行性。国家有关部门的文献检索和调查进行运输 (DOT) 以收集有关各种螺栓紧固技术的信息，以便了解可以获得可用的和正在开发的技术。在文献查阅过程中，对材料的要求，还审查了结构连接研究委员会规范中概述的检查和安装方法并总结。为了指导寻找新的替代品和技术开发，工作组会议

1.背景

多年来，螺栓一直是用于组装的最常见的紧固件类型结构连接。由于它们易于安装和经济，螺栓连接经常用于民用以及汽车、石油、和航空。螺栓连接的主要功能是连接结构构件以安全将负载从一个组件传输到另一个组件。因此，螺栓连接至关重要任何钢结构的组成部分。螺栓连接背后的想法是，当钢构件被拧紧时，一个螺栓（或一组螺栓）充当弹簧并将组件拉到一起。螺栓连接的可靠性主要由初始夹紧力的水平和夹紧的稳定性控制随着时间的推移。一种常见的误解是正确的松紧度取决于施加到螺栓或螺母上的扭矩。螺栓连接的真正强度来自张力（或夹紧力）通过拧紧在螺栓中产生。尽管许多工具利用扭矩扭转螺栓头（或螺母）以有效拉伸螺栓，说特定的扭矩量将始终在螺栓中产生特定量的张力。对于许多类型的结构系统，螺栓连接的失效通常是由于不正确的安装，这可能导致崩溃或广泛的系统范围损坏。虽然失败了单个非关键紧固件可能对结构稳定性和适用性不重要，连接中螺栓安装不当可能会导致过度振动或不足成员的刚度。例如，如果连接没有充分拧紧，它可能会变成松散并允许组件分离；另一方面，如果过度拧紧，则可能会改变螺栓的机械性能，并导致连接损坏。一般来说，能力通过组件传递负载的连接在很大程度上依赖于连接是否已正确安装。因此，需要进行充分的螺栓紧固验证以确保这种连接能够安全地执行其功能。目前验证高强度螺栓已正确安装的手段和方法

拧紧既费力又费时。在某些情况下，这些技术需要特殊设备，在其他情况下，核查本身可能有些主观。尽管一些商业上可用的验证技术确实存在，但存在一些缺点，例如在现场使用成本高、耗时且不切实际。

1.2.目标和范围

该项目的主要目标是探索当前的实践状况和结构钢中高强度螺栓紧固和验证的最先进技术连接。该项目已完成，以便深入了解可用的可能导致调查开发和实施新的可行性的技术备择方案。

2 研究工作涉及以下四项任务：

任务 1 – 文献综述

进行了文献综述以获取有关各种相关主题的信息。为了例如，收集、审查了有关传统螺栓紧固技术的文献，并总结。因为众所周知，有一些螺栓拧紧验证技术使用其他行业将这种努力扩展到结构工程以外的领域可以获得对可用和开发中的技术的了解。

任务 2 – 国家调查

通过爱荷华州教育部创建并传播了一组在线问题运输 (DOT) 桥梁工程师与他在全国各地的同事。本次活动的目标调查旨在确定其他国家目前正在使用的技术并帮助指导研究和发现新技术。该调查询问了有关螺栓拧紧的一般问题，使用的常见做法，以及受访者是否正在考虑任何新的替代方案或了解正在开发的任何相关技术。

任务 3 – 工作组会议

爱荷华州立大学（交通研究所，Ames 实验室、无损评估中心等）、爱荷华州 DOT、爱荷华州咨询工程社区，爱荷华州承包商社区可能有知识与改进有关螺栓拧紧验证的实践状态有关。到促进这些资源和其他相关方之间的讨论，工作组会议2015年10月12日在交通学会召开 会议主要目标识别现有的螺栓紧固验证技术，包括那些不容易利用并集思广益新的手段和方法（例如，具有创新性的仪器冶金特性），如果要进行额外的研究，可能会提供可行的选择实施。

任务 4 – 最终报告

该项目期间完成的所有工作都在这份最终报告中进行了总结，该报告包括四章。第 1 章介绍了项目背景和目标。文献综述关于螺栓连接、螺栓拧紧和验证技术的总结在第二章调查结果与讨论及工作组会议在第 3 章中进行了总结，而一般性结论和建议在第 4 章。

2. 文献综述 

2.1.结构钢螺栓

螺栓是主要的机械紧固件之一，用于连接结构钢和转移组件之间的负载。虽然在施工中使用了多种螺栓，但最常见的三种螺栓常见的结构螺栓包括 ASTM A307、ASTM A325 和 ASTM A490 螺栓。这些A307螺栓属于低强度螺栓。

A325和A490螺栓属于高强度螺栓强度螺栓。 A307 螺栓的极限抗拉强度约为 45 至 60 ksi，区别于它们来自具有极限抗拉强度至少两倍的高强度螺栓。

虽然 A307 螺栓可以为许多应用提供经济的解决方案，但它们的用途是通常仅限于临时或轻载结构 A325 螺栓由热处理、回火、中碳钢制成。有三种不同A325螺栓种类：1型为中碳钢，2型为低碳钢马氏体钢，类型 3 由耐大气腐蚀钢制成。每种类型是以不同的螺栓头标记来区分，如图 2-1 所示库拉克等人。 2001 版权所有 2001 结构连接研究委员会

图 2-1。 A325 螺栓的螺栓头标记大多数规范都要求在螺栓头和螺母上做标记，以便它们可以很容易地识别。 A490 螺栓的制造方式与 A325 螺栓类似，但采用合金钢。有三种不同类型的A490螺栓：1类螺栓由合金钢制成，2类由低

碳马氏体钢和 3 型由耐大气腐蚀钢制成。螺栓头部的标记方式与图 2-1 中所示的 A325 螺栓相似，除了带有

A490 标记虽然 A325 和 A490 螺栓都是高强度螺栓，但 A490 螺栓显示出更高的强度机械性能，与 A325 螺栓相比，延展性更差且更昂贵。其他两者之间的重要区别在于，虽然 A325 螺栓可以在必要时进行镀锌，由于存在应力腐蚀开裂和氢的风险，A490 螺栓不应镀锌脆化因此，使用 A490 螺栓用于桥梁或其他高速公路如果不禁止，结构是非常有限的。

2.2. 螺栓连接

螺栓连接可以承受不同类型的力，包括弯曲力、剪切力、轴向力、扭转，或这些的任何组合。 然而，在大多数情况下，连接被配置为无论它们如何加载，螺栓都能抵抗剪切和轴向载荷。 的第一步构建螺栓连接的过程是确定它是什么类型的连接。 经过确定接头类型后，可以进行适当的螺栓选择和安装。 三个最结构钢中的传统接头类型是紧贴、预紧和滑动临界关节。 每种类型的名称取决于如何使用连接来传输整个结构的荷载。 表 2-1 总结了这些关节类型的分类。

密贴紧固接头不需要预安装验证，因为没有要求与扭矩、预紧力或匝数有关。 (Criste 2012) 所有预紧接头都以

紧贴状态并通过诱导预紧力发展到规定的水平。基础的用于预紧和滑动临界接头的预紧方法的原则是基本相同。尽管无论如何都会在所有连接中存在一定的滑动阻力在接头类型中，并非所有连接都必须是滑动临界的。之间的主要区别

预拉伸和滑动临界接头将是需要准备的接合面滑动临界接头，以满足指定的滑动阻力水平。滑动关键关节转移服务

通过螺栓连接层的摩擦阻力产生剪切载荷。防滑的大小取决于存在的预紧力和接合面的粗糙度 (Criste 2012)。这结构连接研究委员会 (RCSC) 准备规范和文件与结构连接有关。结构节点规范中的第 4.2 和 4.3 节使用高强度螺栓（或美国钢结构协会 (AISC) 规范）J1.10 和 J3.2) 讨论何时将连接归类为预张紧或滑动临界，(RCSC 2009, AISC 2011)。一旦确定了接头类型并选择了合适的螺栓，就可以将接头安装在符合 ASTM 和 RCSC 规范。螺栓连接的成功很大程度上取决于螺栓的充分拧紧。由于螺栓的行为有点像弹簧，适当利用螺栓的弹性特性可以导致正确的拧紧。在操作中，一个在拧紧过程中，每个螺栓都会施加轴向预紧力。这种轴向预载荷张力被称为“拉紧载荷”或“预紧力”，通常几乎相等大小和方向与施加在组装件上的压缩力相反成分。未能达到必要的自负可能会导致严重的和不受欢迎的结构行为，例如可能导致额外的关节位移增加二阶弯曲效应或导致疲劳型失效。预紧的目的取决于应用程序的需求，可能包括以下内容：

● 确保组件在支撑外部负载时具有适当的刚度

● 防止密封处泄漏

● 避免螺栓上的剪应力

● 抵抗自发松动效应

●减少动态载荷对螺栓疲劳寿命的影响

（Dalal 和 Thakur，2013 年） 可以将螺栓拧紧至所需的初始预紧力，从而使连接部件牢固固定在螺栓和螺母头之间连接在一起，不允许在接口处滑动。钢垫圈可用于连接以将夹紧力均匀分布在螺栓连接表面上并防止螺栓的螺纹部分压在连接部件上。这接触的表面必须没有氧化皮、铁锈、油漆、油脂和其他障碍物。 RSCS 规定最小预紧力设置为规定抗拉强度的 70%紧固件（例如，ASTM A325 和 A490）。预紧和预紧的最小螺栓预紧滑动临界接头可在 RSCS 规范 (RCSC 2009) 的表 8.1 或表中找到AISC 规范 (AISC 2011) 的 J3.1。 AISC 和 RCSC 都不推荐使用规定的扭矩值作为施加必要预紧力的有效方法（Criste 2012）。

这是因为组件内的摩擦系数可能会显着增加因项目而异（甚至在项目中使用的紧固件之间）并且对应于预紧力的扭矩变化很大程度上取决于螺纹配合、螺母表面状况、与螺母相邻的握把表面状况以及其他因素（Criste 2012）。一例外情况是使用校准扳手方法，这将进一步本报告稍后介绍。虽然校准扳手方法是一种基于扭矩的方法，但它被 RSCS 认可为高强度螺栓紧固的合适方法，因为通过测量安装的预紧力和预安装来确定所需的扭矩在实际安装之前进行验证。该规范要求每天或任何条件改变时进行校准。