特殊部位大六角高強(qiáng)度螺栓施工工藝

1、特殊部位大六角高強(qiáng)度螺栓施工工藝柯昌凡（上海寶冶集團(tuán)有限公司鋼結(jié)構(gòu)分公司 上海 寶山 郵編：200941）摘要：大六角高強(qiáng)度螺栓廣泛應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代建筑技術(shù)的發(fā)展及工藝的要求，越來越多的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在各種工程中，造成個(gè)別節(jié)點(diǎn)的螺栓施工空間狹小，無法依規(guī)范要求進(jìn)行施工，本文針對這一技術(shù)現(xiàn)狀，深入分析了高強(qiáng)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(jìn)后的施工藝方法，并通過詳細(xì)的理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)后施工藝的可行性，介紹了本研究成果在工程建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用效果。關(guān)鍵詞：大六角頭高強(qiáng)度螺栓 扭矩系數(shù) 預(yù)拉力 施工工藝目前，建筑鋼結(jié)構(gòu)安裝工程中連接方式主要是焊接連接和高強(qiáng)

2、度螺栓連接，高強(qiáng)度螺栓連接較焊接連接相比，施工工藝簡單、裝拆方便，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，對現(xiàn)場條件及施工人員技術(shù)水平要求較低，便于加快工程進(jìn)度，易于保證工程質(zhì)量，因而廣泛地應(yīng)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(jī)場、橋梁等各種民用建筑工程，另外在橋式起重機(jī)、龍門吊等機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。我國國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接的設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)范GJG82-91明確規(guī)定，大六角頭高強(qiáng)度螺栓擰緊時(shí)，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(fù)雜的特殊節(jié)點(diǎn)（如下圖1、2所示，為某化工設(shè)備支座梁相連接的節(jié)點(diǎn)中，所有螺栓只能從“八卦”梁的圈內(nèi)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(qiáng)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(jìn)一步深入探討，分析這一施工工藝的可行性，通過試驗(yàn)來驗(yàn)證這一工藝方法的可行性。研究結(jié)果對優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、提高高強(qiáng)度螺栓的施工效率具有實(shí)際意義。圖1 某化工項(xiàng)目設(shè)備支座“八卦梁”平面布置圖圖2 “八卦梁”節(jié)點(diǎn)詳圖注：圖中“云線”圈起部位為高強(qiáng)螺栓1 理論分析11 高強(qiáng)螺栓的工作原理根據(jù)高強(qiáng)度螺栓連接設(shè)計(jì)和受力要求的不同，分為摩擦型和承壓型連接節(jié)點(diǎn)，其主要區(qū)別在受剪力作用的節(jié)點(diǎn)中，摩擦型連接節(jié)點(diǎn)是以外剪力達(dá)到板件間可能發(fā)生的最大摩擦力為

4、極限狀態(tài)，當(dāng)外剪力超過時(shí)板間發(fā)生相對滑移，即認(rèn)為連接失效破壞。承壓型高強(qiáng)度螺栓連接在受剪時(shí)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(shí)沒有區(qū)別。因此，摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接的抗剪性能全部憑借螺栓的預(yù)拉力，使構(gòu)件間高度緊壓從而能產(chǎn)生足夠的摩擦力。對承壓型高強(qiáng)度螺栓連接，螺栓的預(yù)拉力只是一部分因素，螺栓受剪還需同時(shí)如同普通螺栓一樣受力。12 高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力是通過施擰扭矩來實(shí)現(xiàn)的，螺栓的預(yù)拉力和施擰扭矩的關(guān)系用扭矩系數(shù)K表示，其關(guān)系如下：式中 K扭矩系數(shù)；T施擰力矩；P螺栓預(yù)拉力；扭矩系數(shù)K值的大小

5、直接反應(yīng)了施擰扭矩與螺栓預(yù)拉力的關(guān)系，K值太大，則螺栓預(yù)拉力過大，可能造成螺栓破壞，K值太小，則螺栓預(yù)拉力太小，起不到緊固的作用，因此，國標(biāo)鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范GB50205-2001明確要求對進(jìn)場的大六角高強(qiáng)度螺栓扭矩系數(shù)進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，其值應(yīng)在0.1100.150之間；在進(jìn)行扭矩系數(shù)的試驗(yàn)時(shí)，高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力值應(yīng)符合下表1規(guī)定：表1：高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力值范圍（KN）螺栓規(guī)格(mm)M16M20M22M24M27M30預(yù)拉力值P10.9s931131421771752152062502653243253908.8s627810012012515014017018522523027513 在對螺

6、母施加扭矩的施工過程中影響預(yù)拉力值P的因素分析圖3節(jié)點(diǎn)板如圖3所示，當(dāng)對螺母施加扭矩進(jìn)行高強(qiáng)度螺栓緊固施工時(shí),螺栓桿是不動的，螺母是順時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動的，此時(shí)，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(dāng)量摩擦角；螺母與墊圈支承面間的摩擦系數(shù)；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(yù)拉力值P1的因素分析如圖4所示，當(dāng)對桿端部大六角頭施加扭矩進(jìn)行高強(qiáng)度螺栓緊固施工時(shí),螺母是不動的，螺桿是順時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動的，此時(shí)，

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(diǎn)板孔壁間的摩擦陰力矩T4，則圖4節(jié)點(diǎn)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(guān)，無法量化分析，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范GB5025-2001及鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接的設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)范GJG82-91的要求，高強(qiáng)度螺栓連接板在制孔時(shí)孔徑稍大于螺栓螺桿直徑1.52mm，且高強(qiáng)螺栓的施工時(shí)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(jié)構(gòu)安裝的精度能夠滿足國標(biāo)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(dāng)量摩擦角；螺桿端部大六角頭與墊圈支承面間的摩擦系數(shù)；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(shù)要求、生產(chǎn)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(shù)可視為相同：（1）故螺母與墊圈支撐面間的摩擦系數(shù)同螺桿端部大六角頭與墊圈支撐面間的摩擦力系數(shù)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(dāng)量摩擦角相同；（5）對于同一批鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其加工制作的工藝、驗(yàn)收技術(shù)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(shí)影響螺栓終擰扭矩的因素多了一個(gè)螺栓孔與螺栓孔壁的摩擦力矩T4，因這一影響因素?zé)o法量化分析，故規(guī)范規(guī)定螺栓在施工時(shí)只能在螺栓頭上施加扭矩，實(shí)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(jié)構(gòu)安裝的精度能達(dá)到使螺栓施工時(shí)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(shí)質(zhì)是通過提高施工技術(shù)水平的方式來避免這一因素對螺栓施工質(zhì)量的不良影響，如規(guī)范的規(guī)定如出一轍。2 試驗(yàn)研究從理論上分析可以看出，在螺栓孔加工制作的精度達(dá)到便螺栓能自由穿入這一條件之后，大六角高強(qiáng)度螺栓在施工時(shí)，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(chǎn)生的預(yù)拉力值是相同的，即大六角頭高強(qiáng)度螺栓在施工時(shí)對其螺栓端部施加扭矩與在螺母上施加扭矩可以達(dá)到同樣的緊固效果，這一施工藝是可行的。為了進(jìn)一步研究理論分析的結(jié)果及施工工藝的可操作性，我們進(jìn)行以下試驗(yàn)研究。21 試驗(yàn)步驟及方法步驟一：隨機(jī)抽取某一批次同一規(guī)格的大六角頭高強(qiáng)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(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度螺大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件GB/T 1231-2006規(guī)定的扭矩系數(shù)試驗(yàn)方案，對第一組螺栓進(jìn)行連接副扭矩系數(shù)試驗(yàn)（簡稱試驗(yàn)一），檢測出本批次螺栓的扭矩系數(shù)平均值；步驟三：依鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)

11、范GB50205-2001的規(guī)定和步驟二的檢測結(jié)果，計(jì)算出本批次高強(qiáng)度螺栓施工初擰扭矩及終擰扭矩值；步驟四：依標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的施工方法將步驟二計(jì)算得到的扭矩值，分初擰、終擰兩次施加于大六角高強(qiáng)度螺栓的螺桿端部，同時(shí)記錄終擰時(shí)施擰扭矩及螺栓的預(yù)拉力值（簡稱試驗(yàn)二）；步驟五：步驟四完成后，等待1小時(shí)以上，24小時(shí)以內(nèi)，進(jìn)行扭矩檢查，檢查的方法是，在大六角高強(qiáng)度螺栓的螺栓端部的大六角頭和試驗(yàn)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(shí)的扭矩值（簡稱試驗(yàn)三）；試驗(yàn)完成后，拆除試驗(yàn)用螺栓，觀察螺栓螺紋、螺母及熱圈的外觀。步驟六：將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分

12、析，與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范相比較得出試驗(yàn)結(jié)論。22 試驗(yàn)設(shè)備、樣品、環(huán)境參數(shù)試驗(yàn)設(shè)備：FW-07-01電子軸力計(jì)、FW-16-1數(shù)顯扭矩扳手（精度等級為1級）；試驗(yàn)樣品：M27*120的8.8級大六角頭高強(qiáng)度螺栓連接副16套；試驗(yàn)環(huán)境濕度：21（試件及檢測設(shè)備放置于實(shí)驗(yàn)室保持21恒溫2.5小時(shí)）；23 試驗(yàn)結(jié)果（1）試驗(yàn)一扭矩系數(shù)檢測結(jié)果通過扭矩系數(shù)試驗(yàn)，檢測得此批次螺栓扭矩系數(shù)平均值K=0.125，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0085。（2）試驗(yàn)二數(shù)據(jù)結(jié)果根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接的設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)范GJG82-91規(guī)定，8.8級M27的大六角高強(qiáng)度螺栓施工預(yù)拉力值為225KN，則施工終擰扭矩值Tc為225*2

13、7*0.125=759.38N·M。故試驗(yàn)二終擰扭矩取760 N·M，初擰扭矩取380 N·M。將此扭矩值分初擰和終擰兩個(gè)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(shí)先將力矩扳手的力矩值設(shè)置為760 N·M，在終擰扭矩施加時(shí)，記錄在扳手上扭矩值達(dá)到峰值瞬間扭矩值和預(yù)拉力值，結(jié)果如下表2所示：表2：試驗(yàn)二扭矩及預(yù)拉力記錄序號12345678終擰扭矩（N·M）764780766765766764770783預(yù)拉力（KN）224.5224.6240.4241.6238.8232.6231225.2（3）試驗(yàn)三數(shù)據(jù)結(jié)果表3：試驗(yàn)三實(shí)測扭矩記

14、錄序號12345678實(shí)測扭矩值724751739750745730749759螺桿無明顯變形，螺紋、螺桿端部大六角頭與其相對應(yīng)的墊圈接觸面有磨痕。（4）試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析由試驗(yàn)一得到的高強(qiáng)度螺栓扭矩系數(shù)檢測結(jié)果符合鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范GB50205-2001規(guī)定的K值范圍0.1100.150及標(biāo)準(zhǔn)差0.01之規(guī)定，表明本批次螺栓是合格的。試驗(yàn)二中施加終擰扭矩平均值為770.6 N·M，施工誤差為；預(yù)拉力平均值為234.2KN，施工誤差為，終擰扭矩及預(yù)拉力誤差均在±5%以內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)三中所測得的最大扭矩值為759 N·M，最小值為724 N·M

15、；而鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接的設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)范GJG82-91規(guī)定的此時(shí)的扭矩值為0.9Tch1.1Tch。其中 Tch=K×P×dTch檢查扭矩（N·M）；P高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力設(shè)計(jì)值（KN）。對應(yīng)的規(guī)格為M27的8.8級大六角頭高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力值設(shè)計(jì)值P為205KN，則測量的扭矩值應(yīng)當(dāng)在0.9×205×271.1×205×27之間，即為622.7761 N·M。試驗(yàn)三所測量的結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。（5）試驗(yàn)

16、結(jié)論通過經(jīng)上三個(gè)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的分析結(jié)果來看，對于大六角頭高強(qiáng)度螺栓，只要保證螺栓孔加工精度及結(jié)構(gòu)安裝精度滿足螺栓自由穿入這一條件，施工時(shí)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(jié)果及應(yīng)用通過試驗(yàn)研究，證實(shí)了理論分析的正確性，進(jìn)一步驗(yàn)證了大六角高強(qiáng)度螺栓施工時(shí)，只要保證螺栓孔加工精度及結(jié)構(gòu)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(yīng)用于江蘇省張家港市揚(yáng)子江國際化學(xué)工業(yè)園區(qū)某化工項(xiàng)目反應(yīng)器裝置工程中，時(shí)隔一年零三個(gè)月，該工程已處于試運(yùn)行階段，從現(xiàn)場反饋回的情況來看，緊固效果良好。4 結(jié)束語通過理論分析、實(shí)驗(yàn)的研究以及工程實(shí)際應(yīng)用效果，表明大六角高強(qiáng)度螺栓施工時(shí)，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(shí)，只要保證螺栓孔加工制作及構(gòu)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(xiàn)1. 鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接的設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)范 GJG82-91；2鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范 GB50205-2001；3鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭