1、螺栓及螺栓连接的分类
1.螺栓连接机理
1）高强度螺栓连接及其分类
国内最常用的高强度螺栓连接类型为大六角头螺栓和扭剪型螺栓，公路钢桥常用大六角头高强度螺栓。
目前常用的是8.8S、10.9S，新修订的JGJ82-2011中增加了12.9级高强度螺栓。
螺栓性能等级含义：第一位数字表示螺栓材料的公称抗拉强度等级，后两位数字表示该材料的屈强比（屈服强度与抗拉强度之比）。
每对大六角头高强度螺栓连接件包括1个螺栓、1个螺母和2个垫圈，应为同一批生产。
螺栓、螺母、垫圈组成连接对时，其材质、性能等级必须匹配。10.9S-10H/8.8S-8H
大六角头高强度螺栓连接副
2）螺栓连接的分类
普通螺栓连接与高强度螺栓连接：其关键区别在于是否要求螺栓施加一定的紧固轴力（预紧力）。
即使采用高强度螺栓（一般为8.8S），也不要求施加预紧力，不属于高强度螺栓连接。例如桥梁护栏的锚栓采用8.8级高强度螺栓，但并不属于高强度螺栓连接。
3）高强度螺栓连接的分类
摩擦型连接：极限承载力是需要克服的摩擦力
承压连接：节点板滑动后，孔壁承受压力，螺栓杆件受到剪断，此为极限承载力。
剪力连接：高强螺栓摩擦连接、承压连接
4）沿螺栓轴线方向传递拉力的受拉连接接头。 虽然剪力和拉力传递力的方向不同，但从紧固高强度螺栓所获得的紧固轴力来看，它们是相同的。
高强度螺栓连接接头示意图
5)高螺栓剪力接头应力阶段：（1）阶段（I）为静摩擦抗滑移阶段，即摩擦型连接工作阶段。（2）阶段（II）为主要滑移阶段。（3）阶段（III）为摩擦压力阶段。（4）阶段（IV）为接头的最终破坏阶段。
高强度螺栓剪力连接典型荷载-变形曲线
2. 扭矩紧固原理
1）施工扭矩与螺栓轴力（预紧力）的关系
T = K·P·d
式中：P为螺栓预紧力；d为螺栓公称直径；K为扭矩系数。
从公式中可以看出，螺栓连接副具有相同的扭矩系数K，通过对螺母施加一定的扭矩值，即可得到设计所需的预紧力。因此，控制一批螺栓连接副扭矩系数（平均值和变异系数）的稳定性是扭矩法施工的关键。
扭矩系数：是螺钉、螺母和垫圈的总性能（连接的整体性能）；是制造商为每个批号提供的质量保证。
规范规定，高强度螺栓连接副拧紧前，应按出厂批号在施工现场分批测定扭矩系数，每个批号的取样数量不少于8组，其平均值与标准差应符合设计要求；若设计无要求，则平均值偏差应在0.11～0.15范围内，标准差应小于或等于0.010。
3.相关规定
1）制造规范
高强度螺栓连接材料的质量及检验应符合现行《钢结构用高强度大六角头螺栓》（GB/T1228）、《钢结构用高强度大六角螺母》（GB/T1229）、《钢结构用高强度垫圈》（GB/T1230）、《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母和垫圈技术条件》（GB/T1231）和《钢结构扭剪型高强度螺栓连接》（GB/T3632）的规定。
目前的任务之一是编制新的GB/T 1231-202×标准以替代GB/T 1228~1231-2006。11月1日，紧固件标委会召开了审查会议。
2）施工与试验
《公路钢结构桥梁制造与安装规范》（JTG/T 3651-2022）未包括扭剪型高强螺栓。《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T 3650-2020）《钢结构高强度螺栓连接技术规范》（JGJ 82-2011）计划今年召开部分修订审查会。《客货铁路桥涵施工技术规范》（Q-CR-9652-2017）
3）标准修订的主要内容
（1）JGJ82部分修订的重要内容
①《钢结构高强度螺栓连接技术规范》修改为《钢结构高强度螺栓连接技术标准》
②增加了运营维护、拆除内容钢结构螺栓用量，将适用范围扩大到钢桥的全寿命周期和
③补充Q355以跟上当前规范和标准
④抗滑移系数值基本保持不变，但与钢材类型脱钩
⑤允许的最小螺栓间距从 3.0d0 减小到 2.5d0：工具现在比以前更小
⑥施工可操作空间大小调整
⑦增加法兰连接内容
⑧ 明确量化大六角及扭转剪切螺栓连接的初始紧固扭矩值
⑨拧紧质量检查时，松开角度适当由60°减小为（30°-45°）
⑩ 受拉节点、端板节点、法兰节点的撬力计算内容见附录C
⑪其他为完善内容而进行的修改、措辞等
同时拟增加其他类型高强度紧固件连接的技术要求
①螺栓球网架结构（网架）采用高强度螺栓连接
②钢结构采用高强度单向螺栓连接
③钢结构连接采用高强度环槽螺栓（铆钉）
④ 钢结构连接采用12.9级高强度螺栓
⑤ 钢结构用热镀锌高强度螺栓
⑥ 高强度螺栓连接钢结构用荷载指示垫圈紧固方法
（2）对GB/T 1231-202×进行了修改
①增加了螺栓连接副中大六角螺栓、大六角螺母及垫圈的M33、M36规格
②增加垫片类型
③增加材料使用量
④修改了螺栓试件力学性能中拉伸强度、截面收缩率、吸收能量的要求
⑤修改了10.9S螺栓楔载荷试验的拉伸载荷上限和芯部硬度
⑥修改了10H螺母的硬度要求
⑦ 扭矩系数标准差改为变异系数要求，增加扭矩系数试验中变异系数的计算方法
⑧改变了扭矩系数试验时螺栓预紧力的控制范围
⑨增加了扭矩系数试验拧紧螺母的速度要求
2.新建桥梁螺栓检测
1. 监管规定
（1）《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T3650-2020）
（2）《公路钢结构桥梁制作安装规范》（JTG/T 3651-2022）高强螺栓连接的紧固应采用扭矩法；可采用“松紧法（30度）”进行检验验收。当检测数据充足、准确时，也可采用“紧固法”。
2. 质量检验
高强度螺栓紧固施工质量检验应按照自检、专项检验和监理工程师检验的程序进行，专项检验应由专职质量检验人员进行。
应按每个螺栓组、每个节点高强螺栓个数100%进行初拧扭矩检查；终拧扭矩按总数的5%抽样，且主桁节点、板梁及箱梁本体、纵横梁连接处不少于2套，其余节点不少于1套。
高强度螺栓连接的初次紧固质量检查应符合下列要求：
1) 所有初次紧固后的高强度螺栓连接均应采用攻丝法逐个进行检查。
2）用质量约0.3公斤的小锤敲击螺母一侧，用手指按压螺母另一侧检查，若有较大震动则视为不合格，应重新紧固。重新紧固质量的检查应与初次紧固质量检查的要求一致。
高强度螺栓连接的最终紧固质量检验应符合下列要求：
1)凡经终拧后的高强度螺栓连接，应逐一检查初拧或重新拧紧时做的油漆标记，有无位移，以确定终拧时有无遗漏。
2) 高强度螺栓连接副最终紧固到位后，其外露螺纹数不应少于2个。
3）最终紧固扭矩检查应在螺栓最终紧固1小时后24小时内完成。
4) 每个螺栓组或节点受检螺栓的不合格率不得超过抽检总数的20%；若超过，则应继续抽检，直至累计合格率达到80%。
高强度螺栓连接副最终紧固质量检查方法：
检查最终紧固扭矩时，应采用“松开再紧固法”。检查时，应在所要检查的螺栓、螺母上画出标记线，然后松开螺母并回转30°，再用检验扳手将螺母拧回原位，使标记线重合，测量并记录此时的扭矩值。扭矩值在（0.9~1.1）检验扭矩范围内时，即判定为合格。
采用“紧固法”检查最终紧固扭矩时，紧固检验扭矩应在检验前通过试验确定；并在测量紧固检验扭矩时，应确认高强度螺栓预紧力的误差在设计预紧力的2%以内。检验时，当螺母与螺栓有较小相对转角时测得的扭矩值在紧固检验扭矩的0.9～1.1倍范围内时，应判定为合格。
3.信息化建设
如何解决这个问题？物联网技术？在螺栓上加芯片？不行！
将传感器、自动识别、自动感知、自组织网络等物联网技术应用于电动扳手、螺栓检测与测试设备、螺栓仓储管理、螺栓拧紧管理等。
改进紧固工具-通过上传扳手输出数据确定是否已施加所需的扭矩。
扭矩法无法解决这些问题，需要扭矩+角度监控。
从初始紧固到最终紧固的精确扭矩控制+角度概率控制
1）数字化桥梁建设管理系统
涵盖螺栓入库及出库、扳手管理、施工计划、施工质量管理和实验室管理的施工质量管理平台。
2）手机APP实现扳手与数据平台的连接
信息化恒扭矩电动扳手配置了扭矩传感器、角度传感器及信息收发模块，实现扭矩、角度的采集与接收。
3. 在役桥梁螺栓的检测与监测
1.问题陈述
近年来，我国修建了多座螺栓钢桥，使用螺栓量巨大，其中浙江台州鹿泽台高架桥使用螺栓223万套，彭埠大桥使用螺栓近100万套，河南安洛高速公路使用螺栓300多万套。
但调查发现，国内钢桥的高强度螺栓普遍存在不同程度的锈蚀、松动，甚至断裂现象，公开报道显示，浙江、江苏、湖南、贵州等地的多座钢桥上，就有数百甚至上千个螺栓脱落。
新建桥梁高强螺栓的施工依据的是《公路钢结构桥梁制造与安装规范》（JTG/T 3651-2022），在役桥梁高强螺栓的检测、监测和运行维护尚无具体规定。
1）某钢桁梁桥，2014年通车钢结构螺栓用量，为三跨下贯式钢桁连续梁桥，共计高强度螺栓109922套，2022年进行了专项检查。
试验结论：共检测149个螺栓扭矩值，其中57个螺栓实测扭矩值在±10%以内，合格率为38.26%。
治疗建议：
更换缺失和松动的螺栓，并将其拧紧至设计值。
2023 全桥螺栓更换
在役螺栓扭矩测量？合格标准是什么？
2）2015年通车的某特大桥钢桁架一直存在螺栓脱落现象，截止2022年4月共计断裂905个高强螺栓，2023年2月又发现195个螺栓脱落，近三年平均每月断裂螺栓约20个。
对全桥主桁3类节点处高强螺栓脱落部位及数量进行统计，节点1处共计151个高强螺栓脱落，节点2处共计34个高强螺栓脱落，节点3处共计10个高强螺栓脱落。
3）某公路桥建成10年未通车，通车前进行过检查，全桥螺栓共7536套，对其中5%的螺栓进行螺栓扭矩抽检。该桥采用的高强度螺栓均为M24 10.9s，根据《钢结构高强度螺栓连接技术规范》（JGJ 82-2011）的试验方法及合格标准，可计算出扭矩合格范围为534.6～891N.m。检测结果：合格率为12.8%。
螺母、螺栓头和裸露螺纹上的锈蚀会影响应力吗？
怎样检测螺栓杆是否生锈及生锈程度？
这座桥的螺栓为何会断裂？它们还会继续断裂吗？
如何监测螺栓松动情况，及时发现螺栓断裂？
这些都是高强度螺栓在役运行与维护技术能够解答的问题。
2. 高强度螺栓缺陷调查
1）骨折
据国内文献报道，钢桥螺栓断裂率约为万分之一。
短螺栓断裂比例更高
上下平接处及风撑处多处螺栓断裂
（1）48+180+48三跨连续钢桁拱桥M22/M30
（2）某跨度55米的钢桁梁桥，上部结构共使用螺栓19748个，均为M24螺栓，共计缺失47个，断螺栓30个，断螺栓率为0.235%，其中E级断裂占73%，为应力腐蚀开裂，该缺陷可能是垫圈划伤螺纹所致。
（3）某特大跨度悬索桥钢桁梁上部结构螺栓共计267364个，均为M24螺栓，缺失螺栓1000余个，断螺栓率为0.38%，其中C类断裂占71%，经分析也认为属于应力腐蚀断裂。
2）生锈
首先，重要的是要明白螺母、螺栓头和暴露螺纹部件的腐蚀不能等同于内部螺栓杆的腐蚀。
如果不拆下螺栓，能检查出螺栓是否生锈、生锈程度如何吗？
3）宽松
对于新建桥梁，进行最终紧固扭矩检测，若最终紧固扭矩满足要求，则认为预紧力满足要求，即在设计值的±10%以内。
从以上公式可以看出，影响螺栓预紧力和扭矩的因素有很多。
单独使用扭矩评估并不适用于钢桥的维修。
如果使用预紧力，那么就会出现一个问题：是否可以将±10％作为合格标准。答案是：不能。
已提出15%的标准（铁路桥梁养护规程），根据我们对几座桥梁的实测，在施工正常的情况下，验收标准为：在±20%的范围内，80%的螺栓合格（二八法则）。
3.螺栓内部缺陷检查
当螺栓脱落时，我们迫切希望找出可能断裂的螺栓，消除安全隐患。
当出现螺栓腐蚀时，我们希望在不拆除螺栓的情况下检测出内部缺陷。
全聚焦超声相控阵实时成像检测技术
为了验证该方法的准确性，我们进行了以下验证
人工模拟螺栓裂纹表面缺陷，采用切口宽度为0.15 mm的线切割机切割不同深度的表面缺陷。
将螺栓头表面清理干净，均匀涂抹偶联剂，将超声波探头贴合在螺栓头上，显示缺陷位置。从图中可以看出，缺陷深度约为50mm，可以明显看到1mm和2mm的槽深差别。该仪器可以检测出1mm的缺陷。
螺栓 1 (1 毫米) 螺栓 2 (2 毫米)
11、3、12号螺栓在A、B、C处分别存在4mm的缺陷，从图中可以看出，全焦点测量法未能发现A处的裂纹，因为该处几何尺寸发生了突变。B、C处的缺陷可以准确识别。
4 在役高螺栓轴力-扭矩综合评价方法
在役桥梁高强度螺栓的紧固力如何检测？
现在在工程上，这个问题就转化成了测量扭矩。例如：
T=0.1322524=702*1.1=772Nm，扭矩系数是假定的吗？规范规定最终紧固完成后1-24小时内应检查扭矩。测试结论错误
测量使用螺栓的轴向力（预紧力）是判断螺栓紧固力是否符合规范要求的唯一方法。
1）测量采用什么方法？应变计、压环、超声波法。超声波法又分为单波（纵波）法和双波（纵横波）法。
2）如何判断是否合格？看标准±10%，看文献资料就一头雾水，看试验数据有±2%，我们做过几座桥梁的现场试验。
±20%，80%为合格判定依据，特大型桥梁可设更高要求
超声波法直接、速度慢；扭矩法间接、速度快。
是否可以将两者结合起来？轴向力-扭矩试验方法
方法：
（1）按螺栓长度选取3-5个螺栓进行校准；
（2）测量同批次少量螺栓及典型节点的轴力、扭矩；
（3）建立轴向力与扭矩的关系（通常是离散的，需进行处理），得到合格的扭矩范围；
（4）用自检扳手检查螺栓扭矩。
我们选取了一座15年历史的钢桥进行实测数据分析
螺栓的超声波校准。有一项国家标准即将发布，《紧固件轴向应力超声波测量方法》（计划编号20204710-T-604）
值得注意的是，使用拉力机校准的结果和使用施加扭矩校准的结果相似并且都是可以接受的。
高强度螺栓的检验验收，可采用“松扣回缩法”，当试验数据充足、准确时，也可采用“紧扣法”。
拧紧方法：螺母与螺栓相对旋转角度较小时的扭矩值即为检验扭矩，相对旋转角度较小时扭矩值是多少？松开方法：后退30°再拧紧至原位，记录扭矩值。
需要3-4名工人，高空作业危险且受工人影响大
数显电动检验扳手可以精确测量扳手旋转到一定角度时输出的扭矩并显示/上传至系统。
拧紧方式：0.5-1.5度，一人操作，锂电池供电
松放收放方式：可设置15-60度任意角度，锂电池供电
优点：电动、角度精确、固定拧紧速度，省时省力，效率提高10倍以上，检测成本大幅降低。
（1）M22高强螺栓预紧力与最终紧固扭矩关系分析
①若估算扭矩值为T=0.1319022=543.4，±20%（434.7，652），则合格率为2%，其余2%被误判为合格。
②新方法，±20%（631.9，947.1），合格率98%，误判为合格的螺栓比例为28%，实际合格率为70%。
（2）M30高强螺栓预紧力与最终紧固扭矩关系分析
①若采用估算扭矩值，T=0.1335030=1368±20%（1092,1638），合格率为54%，其中9.2%被误判为合格。
②新方法，±20%（1416.8，2129.1），合格率为88.5%。也有误判，其中3.4%误判为合格，3.4%误判为不合格。也就是说，实际合格率为88.5%。
从M22螺栓来看，轴向力-扭矩综合法对判断螺栓紧固性能的准确性比扭矩法更高，但效果仍然不佳。
原因：实测螺栓预紧力离散性很大（47.3%的螺栓预紧力在设计预紧力的0.8~1.2倍之间），不符合“二八定律”
从M30螺栓的角度来看，轴向力-扭矩组合法非常好。
M30设计预紧力在0.8倍~1.2倍之间的比例为80.83%，符合“二八定律”的规定。
另外五座桥梁也进行了试验，得到了类似的结论：
如果预紧力满足“二八定律”则轴向力-扭矩综合评定法非常有效。
5.高压螺栓（连接）在线监测技术
1）实验室环境测试
2）现场环境测试
3）工程应用
采用图像识别技术，能及时发现螺栓松动、断裂、节点板滑落等问题，效率比现有的人工攻丝、预张拉检测提高100倍。
全桥螺栓监测提供三种解决方案：①典型、关键节点定点监测；②全桥螺栓定期巡检；③隐蔽位置、狭窄空间手持巡检。
四、结论
（1）公路钢桥螺栓断裂主要是由于应力腐蚀开裂引起的。
（2）可采用全聚焦相控阵技术检测螺栓内部缺陷。
(3) 对于在役钢桥，不能单独采用扭矩检测法确定螺栓状况，必须采用轴力-扭矩联合检测法。
（4）基于图像识别的在役高强度螺栓监测/检测技术已在实际桥梁中得到应用。
