预制式钢结等构建筑系统高强度大六角头螺栓转角法施工工艺.doc

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1、预制式钢结构建筑系统高强度大六角头螺栓转角法施工工艺林相谦、方翀（上海杰联建设工程有限公司 上海市 200040）【摘 要】在充分研究国内外相关技术资料的基础上，对高强度大六角头螺栓转角法的原理进行了研究，并与传统的扭矩法施工做了比较，认为转角法是更为可靠的施工方法。文章在分析转角法施工中可能存在的问题的同时，也提出了详细的施工工艺要求。【关键词】高强度大六角螺栓 转角法 扭矩法1. 前言预制式钢结构的安装过程中，高强度大六角头螺栓连接的预拉力是衡量螺栓连接可靠性的重要指标，为了使螺栓达到所要求的预拉力，目前国内普遍采用的方法是力矩法（也是相关规范中首要要求采用的方法）。力矩法的原理是：通过使

2、用专用的测力扳手或是定力扳手，在螺母一侧对螺母施拧，令其旋转并向螺栓方向紧固，最终达到将拧紧力矩转化为螺栓的轴向力（预拉力）的目的。从国外的现况来看，还有一种普遍采用的紧固螺栓的方法转角法（Turn-of-Nut Installation Method）。只是国内行业内采用扭矩法多年，当采用转角法时，绝大多数人还会用扭矩法的思想去衡量转角法，且对转角法的拧紧效果不放心。实际上，该方法符合AISC（美国钢结构协会）规范的要求，同时安装与检查等也满足该规范所附RCSC（Research Council on Structural Connection / 结构连接构造协会）的规定。2. 转角法原理

3、转角法理论系由螺栓的伸长量来确定螺栓的轴向力（预拉力），而螺栓的伸长量则由螺帽的转角量来判断。螺栓轴向拉力之计算法如下：N = C = Co o 螺栓伸长量o 连接钢板压缩量C 螺栓弹性常数Co 连接钢板弹性常数螺帽总移动量为+o，螺帽的转角位移量则可由下式求得: = 360 (+o)PP 螺距转角法需先将螺栓锁紧至“密贴”状态(snug position)，消除板叠缝隙的影响，然后再在此基础上，通过施加螺帽旋转量来对螺栓施加预拉力，此时螺帽旋转等同于对螺栓施加轴向伸长量。这里“密贴”状态指的是节点板叠之间刚好达到紧密贴合的临界阶段。此时螺栓被适度地拉紧并产生轻微的弹性变形，将板叠压紧在一起。

4、其紧力大小同接点板叠的刚度和初始平直度有关。有试验表明“密贴”工况下的螺栓预拉力约为设计预拉力的15%，此数据可供参考。3. 转角法的操作过程3.1 初紧阶段正确装配螺栓连接副，首先初紧到“密贴”工况，这可以通过一个人用短扳手，单手施以全力获得，或者使用冲击扳手冲击几下即可(可以观察到螺母转动由快变慢)。初紧的目的是使接点板叠的摩擦面紧密接触，拧螺栓应从节点刚性最大的部分到自由边顺序地进行。先紧的螺栓可能会因后紧的螺栓而松弛，因此，有必要按同样的次序复拧一遍，以使所有的螺栓最终都达到“密贴”工况，对大型接点尤其应当如此。3.2 终紧阶段 在螺母和螺栓上面通过圆心画一条直线（标志线），这样终紧之

5、后螺母转过的相对角度可通过标记很直观地加以控制，同也便于进行转角角度的检查； . 根据下表的要求，用扳手转动螺母至一个角度，使连接副达到终拧要求。L（螺杆净长度）板叠最外层情况d（螺栓直径）平行板叠有一面存在1:20的坡度（不用楔形垫片）两面均存在1:20的坡度（不用楔形垫片）L4d1/3 圈1/2 圈2/3 圈4dL8d1/2 圈2/3 圈5/6 圈8dL12d2/3 圈5/6 圈1 圈螺母旋转前螺母旋转后. 所指的圈数为螺母相对于螺栓转过的角度，对于规定转角不超过1/2圈的，公差为30；规定转角不超过2/3圈的，公差为45；. 对于L12d的螺栓，应预先在轴力计上进行试验以确定螺母的旋转角

6、度。3.3 检查阶段检查终紧后的螺栓连接副的螺母转角是否达到要求。确认无误后使用色笔做处明显标记，以防止漏拧或重拧。3.4 一些说明 “过拧”问题RCSC的规范指出，按“转角法”安装的螺栓的实际预拉力可能大大超过其设计值。以L4d的螺栓为例，从“密贴”开始，螺母再转1.53圈，螺栓也不会失效（断裂）。在120 的转角范围内，螺栓轴力会达到设计值。当螺栓被进一步拧紧时，轴力将增加，超过一圈后，在某一点轴力开始减小直到在另一点螺栓被破坏。显然，有可能在拧多圈后，螺栓紧力低于设计值却未断裂，因此，不妨保守地将“密贴”之后螺母转角超过1圈作为“过拧”。 “欠拧”问题“密贴”之后的转角角度不够视为“欠拧

7、”。但从前述“过拧”的问题可以看出，“密贴”之后螺母达不到规定的转角角度而螺栓却能达到设计预拉力的概率非常小。所以， RCSC 规范中也指出，“密贴”之后螺母转角不超过上表规定的角度的未镀锌螺栓可以重新使用。 “密贴”之后再拧规定的圈数后总会达到接近的紧力值，这也是“螺母转角法”施工工艺的一个特点。但是，应该指出，在同等旋转角度的情况下，干净的、润滑的螺栓副达到的轴向力值要比脏的、生锈的、未润滑的螺栓副的要小。 “密贴”状态 的控制螺帽转角量与螺帽与钢板间接触的紧密度有极大的关系。接触松，则旋紧螺帽所需的转角量增大；接触紧，则旋紧螺帽所需的转角量减小。因此，在采用转角法之前，必须先将螺帽旋紧至

8、一定的紧密程度，然而因在实际安装中并不容易控制，因而有“过拧”或“欠拧”的情况。由高强度螺栓在旋紧半圈、放松、再旋紧后的试验资料，显示累积塑性变形量会导致高强螺栓的变形能力出现越来越低的情况。 本法的控制依据是螺栓略微进入非弹性阶段，出现屈服变形，其夹紧力由螺栓材料本身的性能决定，与扭矩拉力比无关，比之扭矩法，它在螺栓群内形成的预拉力更为一致。 按照常规要求，螺栓连接副终拧之后，螺杆应伸出螺母23扣，也就是说，螺杆的长度是有一定限制的。但是在BSI的供货方法上，为了避免现场螺栓规格品种太多（以减少错用几率并减少现场见证取样检测的数量），一般来说会在一定的长度范围内尽量将螺栓连接副归类。因此，对

9、于本文3.2.2的转角要求，虽然取值的范围较为宽松，但是严格说来，应考虑到螺杆外露过长的影响（即螺杆外露超过5mm左右的长度就不宜计入表中的L值取值范围）。4. 转角法与扭矩法的比较4.1 紧固轴力的绝对数值实验数据表明，采用转角法施拧的高强螺栓，但常常出现预拉力比设计值高的情况。而采用扭矩法施拧的高强螺栓，会常常出现预拉力比设计值低的现象。4.2 紧固轴力的离散性高强螺栓出现松动的重要原因是预拉力不足，防止螺栓松动的有效措施，就是确保预拉力。前面已经提到过，在转角法施工中，因为对于“密贴”状态的控制的误差，会出现“过拧”或“欠拧”的情况。但是实际上，采用扭矩控制法旋紧的高强螺栓，一般只有10

10、-20%左右的拧紧力矩能转为螺栓的轴向力（这也就是扭矩系数“K”值的含义，它是反映螺栓拧紧过程中的扭矩与轴力之间关系的经验参数）。由于每隔螺栓连接副的k值都不相同，故相同的拧紧力矩会得到不同的预拉力，并最终导致轴向预拉力的离散性。国外试验资料表明：预拉力的实际值与预期值之间的偏差可达40%。许多与螺栓拉力无关的因素对扭矩均有影响，如螺栓和螺帽上的螺纹的光洁度与误差，螺栓与螺帽是否由同一制造商供货，润滑程度，螺纹是否生锈，工地是否遭到尘埃污染，螺帽与支承面之间摩擦力的变化等。当上述因素变化时，施加同样的扭矩，螺栓内产生的预拉力也随之变化，有时差别很大，常常引起争议。RCSC 高强度螺栓规程各版本

11、的变化就反映出这一情况。第一版(1951年) 规程中列有不同直径高强度螺栓预拉力与对应扭矩的关系表，1954年版该表被取消，扭矩扳手法仍保留作为一种拧紧螺栓的工具及施加预拉力的方法，但要求对扭矩扳手每天标定；1980年版把扭矩扳手法全部取消，当时认为该方法为所有安装方法中可信度最低且最有争议的方法；1985年版又恢复了本方法的使用，但增加了更多的控制措施，除每天标定扭矩扳手外，增设硬质垫圈，现场保管应防尘防潮，充分润滑螺栓螺帽等。相对而言，我国规范要求则较为宽松。有关试验数据表明，采用转角法得到的螺栓轴向力值比较集中，而采用力矩法则比较分散。从标准偏差值来看，转角法测得数据的标准偏差要远远小于

12、力矩法所得到的结果。4.3 操作的简便性毫无疑问，采用转角法施工的工艺更为简单、可靠，也不必控制螺栓连接副的扭矩系数。因其建立起来的螺栓预拉力通常比设计值高，故能够充分地利用材料的储备强度。4.4 广泛的适用性采用扭矩法施工的高强螺栓连接副的表面需要采用一定的工艺手段，经过严格控制的表面加工处理过程，才能达到扭矩系数的要求。而经过热镀锌处理的高强螺栓连接副由于表面锌层的不均匀性，其个体螺栓的扭矩系数值偏高且离散型相当大，按照由样本确定的扭矩值施工，将很难保证螺栓达到按照扭矩系数要求确定的预拉力。因此，表面镀锌的高强螺栓连接副只能够采用转角法施工。除此之外，实际操作中还可会遇到表面镀铬处理的高强

13、螺栓连接副等，只要能确保螺栓连接副的扭矩系数值及标准偏差，则无论采用扭矩法还是转角法均可。5. 镀锌高强螺栓连接副的转角法试验及施工安装本文3.2.2节中所提到的“密贴”之后的终紧旋转角度值为RCSC的要求，实际上已经经过大量的实践检验证明，且与螺栓表面处理情况无关，故一般来说，并不需要现场再做试验确定实际项目个案的转角值。但是在国内项目的实际安装过程中，客户或者监理往往可能会要求现场见证取样，并通过试验使用轴力计来进行镀锌高强螺栓连接副旋的转能力试验国内可以做这方面试验的机构有上海紧固件和焊接材料技术研究所、上海金艺材料检测技术有限公司（原上海钢铁工艺技术研究所测试中心）等。连接副旋转能力试

14、验具体方法如下（参照ASTM A 325M-09标准）。 首先向螺栓连接副施加一定的预拉力（使用轴力计测定），预拉力值不小于10的螺栓试验负荷（见下表）；螺栓直径及螺距M121.75M162M202.5M222.5M243M273M303.5M364试验负荷KN50.694.2147182212275337490 初拧之后，按照下表的要求旋转螺母以完成终拧。L（螺杆净长度）螺母旋转角度d（螺栓直径）L2d1802dL3d2403dL4d3004dL8d3608dL420上述试验只是在实验室条件下进行的前期抽样试验方法来测定螺栓连接副的旋转能力，并不是现场安装使用的方法，主要原因如下： 施工现场

15、没有轴力计，也不可能使用轴力计对每一个螺栓预拉后再旋转螺母； 若将这个轴力转化为扭矩值来进行控制，则镀锌螺栓的扭矩系数的较大离散型，又很难来确定这个10扭矩值的控制值（当然这个偏差会比较小）。这个方法实际上又回到了使用扭矩法来控制转角法的老路上来了； 最为关键的是，市场上可能购买不到力矩如此之小的适合大六角头高强螺栓的扭矩扳手。故最为可靠的办法，仍然是按照转角法的标准步骤来施工。5. 参考文献 钢结构工程施工质量验收规范 GB 50205-2001 钢结构工程施工质量验收规范实施指南 侯兆新、何乔生等主编 ASTM A325M-2009 - 6.3 Rotational Capacity Test Specification for Structural Joints Using ASTM A325 or A490 Bolts-2004 - 8.2.1 Turn-of-Nut Pretension本文作者简介林相谦 / 男 / 1979年生 / 工程师联系地址：上海杰联建设工程有限公司 / 上海市静安区延安中路841号6F / 200240Mobil： 18621016105方翀/ 男 / 1979年生 / 高级工程师联系地址：上海杰联建设工程有限公司 / 上海市静安区延安中路841号6F / 200240