特殊部位大六角高強度螺栓施工工藝

1、特殊部位大六角高強度螺栓施工工藝柯昌凡（上海寶冶集團有限公司鋼結構分公司 上海 寶山 郵編：200941）摘要：大六角高強度螺栓廣泛應用于建筑工程領域，隨著現代建筑技術的發(fā)展及工藝的要求，越來越多的復雜節(jié)點出現在各種工程中，造成個別節(jié)點的螺栓施工空間狹小，無法依規(guī)范要求進行施工，本文針對這一技術現狀，深入分析了高強度螺栓的受力情況及施工過程中對其承載力造成影響的諸多因素，提出改進后的施工藝方法，并通過詳細的理論分析及實驗驗證了改進后施工藝的可行性，介紹了本研究成果在工程建設領域應用效果。關鍵詞：大六角頭高強度螺栓 扭矩系數 預拉力 施工工藝目前，建筑鋼結構安裝工程中連接方式主要是焊接連接和高強

2、度螺栓連接，高強度螺栓連接較焊接連接相比，施工工藝簡單、裝拆方便，標準化程度高，對現場條件及施工人員技術水平要求較低，便于加快工程進度，易于保證工程質量，因而廣泛地應用于電廠、工業(yè)廠房、化工裝置等工業(yè)工程及高層、會展、機場、橋梁等各種民用建筑工程，另外在橋式起重機、龍門吊等機械設備領域也有廣泛的應用。我國國家行業(yè)標準鋼結構高強度螺栓連接的設計、施工及驗收規(guī)范GJG82-91明確規(guī)定，大六角頭高強度螺栓擰緊時，只能在螺母上施加扭矩。但在長期的施工過程中，總存在大量較為復雜的特殊節(jié)點（如下圖1、2所示，為某化工設備支座梁相連接的節(jié)點中，所有螺栓只能從“八卦”梁的圈內方向穿入），無法對螺母施加扭矩，

3、我們只能改變施工工藝，在螺桿端部大六角頭上施加扭矩。在此，對高強度大六角頭螺栓連接副的工作原理、施工工藝以及在施工過程中可能會對承載力或螺栓性能造成影響的因素做進一步深入探討，分析這一施工工藝的可行性，通過試驗來驗證這一工藝方法的可行性。研究結果對優(yōu)化鋼結構節(jié)點設計、提高高強度螺栓的施工效率具有實際意義。圖1 某化工項目設備支座“八卦梁”平面布置圖圖2 “八卦梁”節(jié)點詳圖注：圖中“云線”圈起部位為高強螺栓1 理論分析11 高強螺栓的工作原理根據高強度螺栓連接設計和受力要求的不同，分為摩擦型和承壓型連接節(jié)點，其主要區(qū)別在受剪力作用的節(jié)點中，摩擦型連接節(jié)點是以外剪力達到板件間可能發(fā)生的最大摩擦力為

4、極限狀態(tài)，當外剪力超過時板間發(fā)生相對滑移，即認為連接失效破壞。承壓型高強度螺栓連接在受剪時則允許摩擦力被克服并發(fā)生板間相對滑移，然后外力可以繼續(xù)增加并以此后發(fā)生螺栓桿剪切或是孔壁承壓的最終破壞為極限狀態(tài)。在受拉連接時沒有區(qū)別。因此，摩擦型高強度螺栓連接的抗剪性能全部憑借螺栓的預拉力，使構件間高度緊壓從而能產生足夠的摩擦力。對承壓型高強度螺栓連接，螺栓的預拉力只是一部分因素，螺栓受剪還需同時如同普通螺栓一樣受力。12 高強度螺栓的預拉力高強度螺栓的預拉力是通過施擰扭矩來實現的，螺栓的預拉力和施擰扭矩的關系用扭矩系數K表示，其關系如下：式中 K扭矩系數；T施擰力矩；P螺栓預拉力；扭矩系數K值的大小

5、直接反應了施擰扭矩與螺栓預拉力的關系，K值太大，則螺栓預拉力過大，可能造成螺栓破壞，K值太小，則螺栓預拉力太小，起不到緊固的作用，因此，國標鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范GB50205-2001明確要求對進場的大六角高強度螺栓扭矩系數進行復驗，其值應在0.1100.150之間；在進行扭矩系數的試驗時，高強度螺栓預拉力值應符合下表1規(guī)定：表1：高強度螺栓預拉力值范圍（KN）螺栓規(guī)格(mm)M16M20M22M24M27M30預拉力值P10.9s931131421771752152062502653243253908.8s627810012012515014017018522523027513 在對螺

6、母施加扭矩的施工過程中影響預拉力值P的因素分析圖3節(jié)點板如圖3所示，當對螺母施加扭矩進行高強度螺栓緊固施工時,螺栓桿是不動的，螺母是順時針勻速轉動的，此時，施擰力矩T用于克服螺紋間的摩擦阻力矩T1和螺母環(huán)形端面與墊圈支承面間的摩擦阻力矩T2，則螺紋間的摩擦阻力矩螺母與墊圈支承面間的摩擦阻力矩所以，式中 螺紋升角；螺紋副當量摩擦角；螺母與墊圈支承面間的摩擦系數；D0螺母墊圈支承面的外徑；d0螺栓孔直徑；d螺栓公稱直徑；14 在對螺桿端部大六角頭施加扭矩的施工過程中影響預拉力值P1的因素分析如圖4所示，當對桿端部大六角頭施加扭矩進行高強度螺栓緊固施工時,螺母是不動的，螺桿是順時針勻速轉動的，此時，

7、施擰力矩T用于克服螺紋間的摩擦阻力矩T1、螺桿端部大六角頭環(huán)形端面與墊圈支承面間的摩擦阻力矩T3及螺桿與節(jié)點板孔壁間的摩擦陰力矩T4，則圖4節(jié)點板螺紋間的摩擦阻力矩；螺桿端部大六角頭與墊圈支承面間的摩擦阻力矩螺栓桿與螺栓孔壁間的摩擦力大小與螺栓加工的精度、螺栓的孔大小有有關，無法量化分析，根據鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范GB5025-2001及鋼結構高強度螺栓連接的設計、施工及驗收規(guī)范GJG82-91的要求，高強度螺栓連接板在制孔時孔徑稍大于螺栓螺桿直徑1.52mm，且高強螺栓的施工時螺桿是自由穿入螺栓孔，所以，只要螺栓孔加工制作的精度及鋼結構安裝的精度能夠滿足國標規(guī)范的要求，螺桿與螺栓孔壁的摩

8、擦力矩T4可視為零，則：式中 螺紋升角；螺紋副當量摩擦角；螺桿端部大六角頭與墊圈支承面間的摩擦系數；D0螺桿端部大六角頭墊圈支承面的外徑；d0螺栓孔直徑；d螺栓公稱直徑；對于同一批次的螺栓，因其制作加工技術要求、生產工藝、表面處理理的方式相同，忽略加工制作的偏差，以下參數可視為相同：（1）故螺母與墊圈支撐面間的摩擦系數同螺桿端部大六角頭與墊圈支撐面間的摩擦力系數可視為相等，即=；（2）螺桿公稱直徑d相同；（3）螺母、螺桿端部大六角頭支撐面的外徑相同；（4）螺紋升角、螺紋當量摩擦角相同；（5）對于同一批鋼結構構件，其加工制作的工藝、驗收技術要求、表面處理方式等完全相同，即其螺栓孔的孔徑d0相同。

9、兩種施工工藝的根本區(qū)別在于后者施工時影響螺栓終擰扭矩的因素多了一個螺栓孔與螺栓孔壁的摩擦力矩T4，因這一影響因素無法量化分析，故規(guī)范規(guī)定螺栓在施工時只能在螺栓頭上施加扭矩，實際是通過規(guī)范的施工工藝來避免這一因素的不良影響。故只要螺栓加工制作的精度及結構安裝的精度能達到使螺栓施工時能自由穿入之一條件，螺栓桿與螺栓孔壁的摩擦力即可視為零，后者的施工工藝，可以起到與前者同樣的緊固效果，這實質是通過提高施工技術水平的方式來避免這一因素對螺栓施工質量的不良影響，如規(guī)范的規(guī)定如出一轍。2 試驗研究從理論上分析可以看出，在螺栓孔加工制作的精度達到便螺栓能自由穿入這一條件之后，大六角高強度螺栓在施工時，其扭矩

10、施加在螺母上與施加在螺桿端部的大六角頭相比，螺栓所產生的預拉力值是相同的，即大六角頭高強度螺栓在施工時對其螺栓端部施加扭矩與在螺母上施加扭矩可以達到同樣的緊固效果，這一施工藝是可行的。為了進一步研究理論分析的結果及施工工藝的可操作性，我們進行以下試驗研究。21 試驗步驟及方法步驟一：隨機抽取某一批次同一規(guī)格的大六角頭高強度螺栓16套，分成兩組，以下簡稱第一組、第二組；步驟二：依鋼結構用高強度螺大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術條件GB/T 1231-2006規(guī)定的扭矩系數試驗方案，對第一組螺栓進行連接副扭矩系數試驗（簡稱試驗一），檢測出本批次螺栓的扭矩系數平均值；步驟三：依鋼結構施工質量驗收規(guī)

11、范GB50205-2001的規(guī)定和步驟二的檢測結果，計算出本批次高強度螺栓施工初擰扭矩及終擰扭矩值；步驟四：依標準規(guī)定的施工方法將步驟二計算得到的扭矩值，分初擰、終擰兩次施加于大六角高強度螺栓的螺桿端部，同時記錄終擰時施擰扭矩及螺栓的預拉力值（簡稱試驗二）；步驟五：步驟四完成后，等待1小時以上，24小時以內，進行扭矩檢查，檢查的方法是，在大六角高強度螺栓的螺栓端部的大六角頭和試驗裝置支撐面部位畫一條線，然后裝螺栓桿擰松約60，然后再用力矩扳手重新擰緊至兩直線重合，記錄此時的扭矩值（簡稱試驗三）；試驗完成后，拆除試驗用螺栓，觀察螺栓螺紋、螺母及熱圈的外觀。步驟六：將試驗所得數據進行分析，與相關標

12、準、規(guī)范相比較得出試驗結論。22 試驗設備、樣品、環(huán)境參數試驗設備：FW-07-01電子軸力計、FW-16-1數顯扭矩扳手（精度等級為1級）；試驗樣品：M27*120的8.8級大六角頭高強度螺栓連接副16套；試驗環(huán)境濕度：21（試件及檢測設備放置于實驗室保持21恒溫2.5小時）；23 試驗結果（1）試驗一扭矩系數檢測結果通過扭矩系數試驗，檢測得此批次螺栓扭矩系數平均值K=0.125，標準偏差為0.0085。（2）試驗二數據結果根據鋼結構高強度螺栓連接的設計、施工及驗收規(guī)范GJG82-91規(guī)定，8.8級M27的大六角高強度螺栓施工預拉力值為225KN，則施工終擰扭矩值Tc為225*27*0.12

13、5=759.38NM。故試驗二終擰扭矩取760 NM，初擰扭矩取380 NM。將此扭矩值分初擰和終擰兩個步驟分別作用于第二組的8套螺栓的螺桿端部大六角頭。終擰時先將力矩扳手的力矩值設置為760 NM，在終擰扭矩施加時，記錄在扳手上扭矩值達到峰值瞬間扭矩值和預拉力值，結果如下表2所示：表2：試驗二扭矩及預拉力記錄序號12345678終擰扭矩（NM）764780766765766764770783預拉力（KN）224.5224.6240.4241.6238.8232.6231225.2（3）試驗三數據結果表3：試驗三實測扭矩記錄序號12345678實測扭矩值72475173975074573074

14、9759螺桿無明顯變形，螺紋、螺桿端部大六角頭與其相對應的墊圈接觸面有磨痕。（4）試驗數據分析由試驗一得到的高強度螺栓扭矩系數檢測結果符合鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范GB50205-2001規(guī)定的K值范圍0.1100.150及標準差0.01之規(guī)定，表明本批次螺栓是合格的。試驗二中施加終擰扭矩平均值為770.6 NM，施工誤差為；預拉力平均值為234.2KN，施工誤差為，終擰扭矩及預拉力誤差均在5%以內，符合標準要求。試驗三中所測得的最大扭矩值為759 NM，最小值為724 NM；而鋼結構高強度螺栓連接的設計、施工及驗收規(guī)范GJG82-91規(guī)定的此時的扭矩值為0.9Tch1.1Tch。其中 Tch

15、=KPdTch檢查扭矩（NM）；P高強度螺栓預拉力設計值（KN）。對應的規(guī)格為M27的8.8級大六角頭高強度螺栓預拉力值設計值P為205KN，則測量的扭矩值應當在0.9205271.120527之間，即為622.7761 NM。試驗三所測量的結果符合標準要求。試驗后螺栓桿無變形，螺桿表面無摩擦痕謗，表明螺栓處于彈性受力裝狀，螺栓桿與螺栓孔壁間無摩擦，試驗結果符合標準要求。（5）試驗結論通過經上三個試驗所得數據的分析結果來看，對于大六角頭高強度螺栓，只要保證螺栓孔加工精度及結構安裝精度滿足螺栓自由穿入這一條件，施工時改變施工方法，在螺栓端部大六角頭施加施工扭矩的方法是可行的。3 結果及應用通過試

16、驗研究，證實了理論分析的正確性，進一步驗證了大六角高強度螺栓施工時，只要保證螺栓孔加工精度及結構安裝精度滿足螺栓自由穿入這一條件，在螺栓端部大六角頭施加施工扭矩的方法是可行的。另外，此施工工藝已于2009年2月應用于江蘇省張家港市揚子江國際化學工業(yè)園區(qū)某化工項目反應器裝置工程中，時隔一年零三個月，該工程已處于試運行階段，從現場反饋回的情況來看，緊固效果良好。4 結束語通過理論分析、實驗的研究以及工程實際應用效果，表明大六角高強度螺栓施工時，在部分特殊部位，無法依規(guī)范要求對螺母部位施工加扭矩時，只要保證螺栓孔加工制作及構件安裝的精度滿足螺栓自由穿入這一條件，在螺桿端部大六角頭施加扭矩的施工工藝是可行的。參考文獻1. 鋼結構高強度螺栓連接的設計、施工及驗收規(guī)范 GJG82-91；2鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范 GB50205-2001；3鋼結構用高強度大六角頭螺栓 GB