摘要：介绍了高强度螺栓的验收检测方法，通过试验数据分析了温度变化对高强度螺栓扭矩系数的影响，说明了高强度螺栓拧紧过程中的控制要点及存在的问题，并对检测方法的发展进行了展望，对类似工程的建设起到了启发作用。
0 前言
近三十年来，随着汽车、桥梁钢结构、建筑钢结构等行业的发展，高强度螺栓的拧紧技术在国内逐渐受到重视，对高强度螺栓预紧力精度的控制成为共识。我公司在取得综合运输甲级资质后，开始从事道路交通安全桥梁钢结构用高强度螺栓的拧紧检测工作。十多年来，我们参与了浙江省所有跨江、跨江、跨海钢结构桥梁的建设和验收。十年前我们与相关厂家合作研究紧固件拧紧检测技术，从拧紧机、中频电动扳手检测工具入手，见证了全省交通安全桥梁钢结构的大发展。本文对拧紧检测技术进行介绍，分析其目前存在的问题，展望检测技术未来的发展，为类似工程建设提供借鉴。
1.高强度螺栓的验收及工艺试验
实验室受材料部门的委托，对高强螺栓到货复检时，对螺栓、螺母、垫圈的外形尺寸及技术数据进行抽样检验，除应符合国家标准的规定外，还应满足设计文件的要求。
施工前，试验室应根据需要完成高强螺栓扭矩系数试验、紧固方法检查扭矩试验、连接板表面抗滑移系数试验、湿度及温度对扭矩系数影响试验、施工预拉力及其损失试验、紧固过程中屈服轴力及破坏轴力试验、紧固工具校准试验等工艺试验，科学制定最终紧固扭矩及校核扭矩。施工所用扳手在班前班后均须校准，扭矩相对误差不得大于±3%，符合要求后方可使用。
2.扭矩法计算
高强度螺栓连接副的最终拧紧扭矩值按下式计算：
温度=K·Pc·d
式中：Tc——最终紧固扭矩值（N·m）；
Pc——施工预拉力标准值(kN)，见表1；
d——螺栓公称直径（mm）；
T0——初始拧紧扭矩值可取0.5Tc；
K—扭矩系数，按照GB50205的规定通过试验确定（或客户提供高强度螺栓扭矩系数复试报告），试验数据详见表1。
3、扭矩法检测要点
1.扭矩法的优点
扭矩法操作方便，易于事后测量，是目前大六角高强度螺栓紧固的主流工艺，工艺成熟。
2. 扭矩法的缺点
扭矩的90%左右被摩擦消耗，只有约10%的扭矩转化成夹紧力，摩擦的一致性难以控制，这是扭矩法最大的缺点。现有表面处理工艺虽然可行，但受温度、湿度影响较大。国内钢结构用高强度螺栓始于20世纪60年代，经过50年的发展，扭矩法目前是主流。
3、国产高强螺栓扭矩法施工的关键是用扭矩来保证轴拉力扭矩与轴力的计算公式：T=KPD，所以要保证轴拉力的准确性，重点是控制扭矩精度和扭矩系数的准确性。国产高强螺栓扭矩法施工从最初的手动扳手，发展到冲击式电动扳手，再发展到现在的定扭矩扳手，再发展到现在的数显定扭矩电动扳手。
手动扭矩扳手的精度为±10％，冲击电动扳手的精度为±7％，定扭矩电动扳手的精度为±3％。
集成扭矩传感器的数字定扭矩电动扳手因其较高的扭矩精度和稳定性是未来的紧固工具的发展方向。
4.扭矩系数
扭矩系数的控制一是一批螺栓的扭矩系数分散度要小，二是扭矩系数的取值要合适，太小螺栓容易松动，太大能耗大，工具输出扭矩大。
因此现行国家标准要求每批螺栓抽样8个进行扭矩系数检测，要求扭矩系数平均值在0.110~0.150之间，扭矩系数标准差小于0.010。
要达到上述精度要求，螺栓表面处理是关键。客观地说，国家标准是三十年前制定的，指标比较低，特别是标准偏差。
要保证螺栓连接的扭矩系数，除了螺纹尺寸精度和形位公差外，螺栓表面处理是关键。现有主流的表面处理工艺只能保证高强螺栓首次使用时扭矩系数的稳定和一致性，经过一次使用后，扭矩系数离散性变大，为此高强螺栓只允许使用一次，不允许重复使用。扭矩系数的测量只能通过抽样的方式进行，以样品的扭矩系数代替整批接头的扭矩系数。
5. 扭矩系数控制关键在于细节
首先，高强度螺栓在进场前必须重新进行扭矩系数检验，检验合格的才能进场。
高螺栓因为现有的表面处理工艺，扭矩系数对时间比较敏感，所以规范要求高螺栓的保质期为六个月；高螺栓因为现有的表面处理工艺，扭矩系数对温度、湿度比较敏感，所以规范要求高螺栓仓库要通风除湿，对高螺栓的堆放也有一定的要求。
由于扭矩系数对温度和湿度敏感，因此扭矩系数的测量需要记录温度和湿度。在现场计算施工扭矩时，必须考虑温度和湿度的变化。在雨天、雾天或湿度过高时应停止施工。当现场重新检查扭矩系数以指导紧固时，必须最大程度地模拟施工条件，包括温度和湿度、工具和螺栓规格。
6. 紧固系数的控制
现有工艺生产的垫圈两面摩擦系数不一样，扭矩系数也不同，所以严禁将垫圈倒过来放在螺母下面，垫圈的倒角面应朝向螺母。
拧紧时，螺母转动，螺栓头也转动，扭矩系数也不同。因此，如果螺栓转动，必须更换螺栓副，重新拧紧。规范规定拧紧时，只允许螺母转动，不允许垫圈和螺栓转动，因为垫圈和螺栓转动时，它们的扭矩系数也会改变。
规范规定一般只可拧紧螺母，如需拧紧螺栓头，则须在扭矩系数检测仪上重新检测拧紧螺栓头的扭矩系数。
4.扭矩角度监测技术
1、在扭矩控制技术方面，增加角度监控功能，可以进一步降低螺栓组装失败的可能性。
正常的扭矩曲线如图1、图2所示。
T轴为扭矩，A轴为角度，最终扭矩控制从M0点开始，角度从W0点开始计算，W1值为角度监控的下限，W2值为角度监控的上限，工具控制螺栓扭矩达到最终扭矩M，同时判断角度值大于W1小于W2，即认为螺栓装配合格。
图3中，扭矩曲线L3是当旋转角度超过监测上限时的情况。例如，如果螺栓发生“塑性变形”，其扭矩曲线可能像L3一样，曲线L4可以视为“滑移”或“随动旋转”。对于其他原因，例如螺栓断裂，其扭矩曲线也会低于L2。旋转角度监测在其他行业的应用可以发现纯扭矩方法无法发现的问题。
2、可实时计算扭矩系数的工具是在现行扭矩法基础上开发的，初拧依然采用扭矩法，集成多个传感器，在拧紧过程中实时计算螺栓的扭矩系数，根据扭矩系数和预设的轴力计算出终拧控制扭矩，再根据终拧扭矩和扭矩系数显示终拧轴力。
目前单片机的速度已经足以完成上述计算，并可随时按照一定的重量修正计算结果。可结合座角法，以座角作为监测值，增加紧固的安全系数。
用此方法紧固时，无需考虑扭矩系数的分散性，湿度对扭矩系数的影响，高强度螺栓一次使用后可重复使用两次。我们相信该产品的开发成功将是未来几年大六角高强度螺栓紧固的终极方法。
3.物联网紧固工具
物联网技术在各个行业的运用是未来几年世界的发展趋势，利用物联网技术如RFID、传感器、自动识别、自动感知、自组织网络等物联网技术应用到电动扳手、螺栓检测测试设备、螺栓仓储管理、螺栓拧紧管理等方面。
螺栓包装盒乃至每个螺栓都装有RFID芯片，可以读写螺栓的所有信息。工具配备RFID芯片和读取器，拧紧数据保存并实时上传到施工现场实验室和施工现场监理办公室。工具可配备摄像头，技术和监理人员可以实时和事后查看施工图像。
通过与后端专家系统对接，对紧固数据进行统计分析和建模，相关专家可远程调用施工数据和现场图像，及时处理现场技术问题。
4. 扭矩推荐实时动态检测
动态扭矩的测量在国内目前已经非常成熟，但动态扭矩的测量检定标准和规范相对滞后，JJG707-2014版中删除了动态扭矩的内容，检定的难点在于仪器采样速度的检定测量北京钢结构高强度螺栓厂家，目前动态扭矩测试仪系统的检定测量只能采用静态挂重的方式进行，大扭矩的测量检定在国内目前还是一个难题。
目前通过重量杠杆验证超过10000Nm的扭矩比较困难，大扭矩只能通过电信号按比例计算。随着风电行业的发展，相信国内计量机构在这方面的能力会逐渐赶上。5.紧固工具精度问题
国内对紧固工具紧固精度、适用性的研究较少。紧固工具紧固精度不仅与工具有关，还与紧固条件密切相关，在这方面，国内生产厂家与使用方矛盾突出。汽车、航空工业都有认证体系，国内也有标准GB/T26547，但缺乏第三方认证机构。扭剪螺栓同样存在扭矩系数问题。扭剪螺栓的剪切是扭矩的作用，所以扭剪螺栓同样存在扭矩系数问题。
5.高强度螺栓工艺试验
1、高强螺栓紧固扭矩值的控制高强螺栓初始紧固扭矩值为最终紧固扭矩值的50%，最终紧固扭矩按设计预紧力增加10%确定，最终紧固扭矩应根据高强螺栓工艺性试验及大气温湿度变化情况分阶段调整，由实验室根据试验确定，并根据现场应用情况发出扭矩通知单。
当班后校准时发现拧紧扳手的偏差值超出规定范围时，实验室将发出指令，对使用超标扳手拧紧的节点板高位螺栓全部进行检验，对检验不合格的高位螺栓及时处理。
当电动扳手一天紧固的高螺栓数量达到500个或者受到外力、振动时，就应该送交实验室重新校准。
2.温度对扭矩系数的影响
温度、湿度对扭矩系数也有影响，建议加强现场轴力复检。扭矩系数的稳定性和一致性对轴力控制也很重要。本桥采用扭矩法施工，用扭矩来控制高强螺栓的预紧力，在预紧力相同的情况下，扭矩随温度的变化而变化。我们抽取同批次的50套M30高强螺栓进行工艺试验，分成10组，每组5套。利用温控设备调节试验温度，测量高强螺栓的扭矩系数。从试验数据可以得出，随着温度的降低，同批次高强螺栓的扭矩系数不断增大，这就要求我们严格控制高强螺栓的施工。
3.装配质量检查
在控制剪力螺栓预紧力时，施工中除重视轴力复检外，还必须注重初紧和扭矩系数的微调。剪力螺栓一旦现场轴力复检不合格，就不可能像大六角螺栓那样通过调整扭矩来保证预紧力，只能将螺栓返厂调整扭矩系数。
大部分偏差不大，可以通过调整施工工具来部分解决。我们做过实验，发现紧固工具的旋转速度对轴力有影响。
六、结论和建议
我们多年来对大量高强度螺栓进行了竣工检验，得出以下结论：
1、高强螺栓质量控制的首要条件是选择生产稳定、检验验收程序严格的正规厂家。如果在冬季施工，昼夜温差过大，建议不要在夜间施工，选择在气温回升的白天9点以后进行施工。
2、在江河湖泊或海洋等早晚湿度较大的区域施工时，连接副表面状态容易因露水污染而发生变化，建议根据现场气温变化情况及时调整终拧扭矩，避免扭矩系数离散，确保终拧预紧力满足设计要求。
3、现场管理人员应加强与气象部门的联系。高位螺栓施工不宜在雨、雪、雾天气进行，当拼接板表面潮湿时，应用压缩空气鼓风机吹干。已完成扭绞工艺试验和摩擦面抗滑移系数试验。在吊装、运输和储存过程中，防止螺栓连接板表面磨损、沾染污物和油污；组装前应清除孔边、板边的油污、污物及飞边、毛刺等附着物；摩擦面上不应有油漆、油污。可用干净的棉绒清除螺栓连接板表面及螺栓孔的污物；用丙酮擦去油污，螺栓连接板表面必须干燥；翘曲的板面应冷加工整平。
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共同探讨螺栓预紧力测量相关技术及市场信息，共同推动本行业发展，实现共赢。北京艾法斯特公司（）专注于超声波及视觉螺栓预紧力测量技术，主要产品包括螺栓预紧力测量仪系列产品、螺栓预紧力长期监测产品、智能紧固件、螺栓轴力控制智能紧固工具等。
参考：
[1] 铁路钢桥高强度螺栓连接施工规程（TBJ214-1992）[S]。
[2] 钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母与垫圈技术条件(GB/T1228~1231-2006)[S].[3] 钢结构工程施工质量验收规范(GB50205-2001)[S].
