高强度螺栓连接作为钢桥梁连接的重要方式,以其高效、性能良好、安全可靠等特点在工程领域中得到了广泛的应用。
我国于1957年开始研究高强度螺栓连接技术，与发达工业国家相比起步稍晚，但经过几代科技工作者的不断努力和探索，走出了一条自主创新的研究道路。
目前，钢结构用大六角高强度螺栓已形成从M12至M36的完整体系，施工方法也完成了由扭转角法到扭矩法的跨越，与日本、美国、英国等发达国家实力相当，达到世界先进水平。
钢结构的连接方式有焊接连接、螺栓连接和铆钉连接，其中前两种使用较多。主要按照GB/T1228~1231钢结构用高强度大六角螺栓连接副、GB/T3632钢结构用扭剪高强度螺栓连接副、GB/T32076.1~32076.11预紧螺栓结构连接副、GB/T10433电弧螺柱焊用圆柱头焊钉等国家标准系列制造。
焊接的优点是截面不变、加工容易、部分自动化、连接强度高等；螺栓连接的优点是拆装方便、施工容易。
钢结构工程中很多构件的现场施工连接都必须采用高强度螺栓，其优点是不可替代的。
1 钢结构用高强度螺栓概述
钢结构高强度螺栓是工业与民用钢结构的重要组成部分，近年来随着我国钢结构的快速发展，钢结构高强度螺栓生产厂家和产量不断增加，从事钢结构高强度螺栓检验的机构也越来越多。
但由于一些检测方法不规范或检测设备不适用，造成检测结果参差不齐、离散性强，导致产品质量纠纷越来越多，给高强度螺栓生产企业和施工单位带来麻烦和经济损失，给工程质量带来隐患。
钢结构用高强度大六角头螺栓连接、扭转剪切螺栓连接在正常连续工作条件下，使用寿命须达到20年以上。
高强度大六角头螺栓连接副、扭剪型螺栓连接副的扭矩系数与安装时高强度螺栓的紧固力有直接关系，扭矩系数值及标准差不准确会直接导致螺栓连接副紧固力过紧或不足，影响工程质量。
1.1 工程应用
高强度螺栓连接有两种形式，现场紧固时，为使螺栓连接处板层贴合更紧密，从中心向外侧依次紧固螺栓；整个钢结构工程紧固时，为缓解应力集中，从厂房中框向外框依次紧固螺栓。
大六角头型以扭力扳手为主要操作工具，由于是高空作业，紧固不方便，而扭剪型以电动扳手为操作工具，只要拧掉六角头即可完成作业，施工、检查都十分方便。
螺栓的选用应根据工程设计要求，一般工厂门式钢架采用大六角高强度螺栓，高层建筑优先采用扭剪型高强度螺栓。
1.2 复检要求
螺栓应按规定进行性能复检钢结构用高强度垫圈，检验合格后方可使用，严把质量关。GB 50205-2020《钢结构工程施工质量验收规范》将扭矩系数（大六角头）和预拉力（扭剪型）作为现场验收的复检项目，JGJ 82-2011《钢结构高强度螺栓连接技术规范》将抗滑移系数作为复检项目。
复检过程中唯一需要注意的就是温度和湿度，建议在15℃~25℃，相对湿度50%~70%的环境条件下进行复检。
螺栓连接的复验应按产品标准规定的数量按批进行，摩擦面抗滑移系数检验批次的划分不仅要考虑高强度螺栓连接的批量大小，还要考虑不同的加工工艺和钢结构用途。
1.3 最终紧固扭矩的检查
根据技术要求，高强度螺栓连接的最终紧固扭矩检查应在最终紧固后1小时内、24小时内完成。
JGJ82-2011规定每组螺栓的检验比例为10%，目前部分桥梁钢结构按3%~5%的比例进行最终紧固扭矩检验，但不得少于1组。
检查采用松开再拧紧法，在螺栓、螺母、钢板的相对位置处画一条细直线做记号，将螺母松开约30°后，用检查扳手将螺母拧回原位（使所画细线重合），测量此时的扭矩，若在0.9Tch~1.1Tch之间，即为合格。
Tch 的计算方法如下：Tch = KPd
式中：Tch为检验扭矩，K为连接副扭矩系数，P为设计预紧力，d为螺栓公称直径。
公式里的关键是P，P是设计拉力，不是施工拉力！
当现场使用高强螺栓连接施工质量控制系统时，可将扳手的拧紧数据保存在扳手内置存储卡中，并同步上传至后方数据服务器。
现场信息录入通过扫描二维码完成，快捷方便，不易出错，系统实现了操作人员、紧固工具、紧固任务三部分信息的协同关联。
2 大六角头高强度螺栓扭矩系数试验
为保证扭矩系数检测的准确性，每个连接对只能使用一次，不可重复使用。试验采用轴力机（扭矩系数试验仪），螺栓应随机选取，每批连接需试验8组连接。需要注意的是，每个连接对包括一个螺栓、一个螺母和两个垫圈，且应为同一批生产。分别测量扭矩系数的平均值和标准差。
测试螺栓预紧力P时，同时记录螺母的扭矩值T，并根据K=T/(P·d)计算扭矩系数，式中d为螺栓直径，T为峰值扭矩。选择工具时应考虑扭矩扳手和扭矩机的精度。
为了使试验时扭矩系数有效，预拉力P必须控制在表1的范围内。试验过程中，垫圈不允许旋转。根据标准，扭矩系数为0.110~0.150，标准偏差不大于0.010。
表1 大六角头高强度螺栓预紧力范围（单位：kN）
3 扭剪型高强度螺栓预拉力试验
试验采用轴向力机（或测力环）进行，从每批样品中随机抽取8组连接副，每组样品只能使用一次，测量预拉力的平均值和标准差。
每个连接副的试验分为初紧和终紧两个步骤。第一步用手动扭矩扳手拧紧至标准值的一半。第二步用专用电动扳手记录梅花头拧下前的峰值作为预紧力值。扭剪型高强螺栓安装示意图见图1。
图1 扭剪型高强度螺栓安装示意图
装配连接副时，螺栓头下方垫圈的倒角面应朝向螺栓头，螺母下方垫圈的倒角面应朝向螺母支撑面。垫圈倒角的方向及仪表误差必须符合标准，不允许垫圈旋转。
表2为各种规格螺栓对应的扭剪型高强度螺栓的紧固预紧力及标准偏差值。
轴力机的误差不得超过被测螺栓的2%；显示值应在轴力的1%以内。扭矩扳手的误差不得超过试验扭矩值的1%；显示值应在9.8N·m以下。
表2 扭剪型高强螺栓预紧力及标准差（单位：kN）
预张力检测圆柱形压力传感器
预张力检测垫片压力传感器
带应变计的预紧力检测螺栓
超声波预拉伸检测
4 抗滑移系数测试
抗滑移系数是钢结构设计中高强螺栓连接钢板间摩擦面的一项重要指标。
试验批次应考虑钢板材质、摩擦面加工工艺、螺栓强度等级等因素，不同的因素组合需分别进行试验，样品可由钢结构厂或现场生产方完成。
抗滑移系数试验样品图（见图2），钢板厚度t1、t2，孔径b0，板宽b，2t2≥t1，根据螺栓规格选择合适的板宽，M16、M20采用100mm宽度，M22采用105mm宽度，M24采用110mm宽度，M27、M30采用120mm宽度。试件板面应平整、无油污，孔及板边应无毛刺、毛边。
抗滑移系数的大小取决于工程构件的摩擦面，钢结构标准中对于构件的表面处理方法有很多种，其中最常见的就是喷砂、喷丸等。
抗滑移系数是设计单位在综合考虑各方面因素后，在工程钢结构设计总说明中给出的，例如一般钢结构厂房规定摩擦面喷砂（抛丸）后做红锈处理，Q235钢抗滑移系数为0.45，Q345钢抗滑移系数为0.50。
图2 抗滑移系数试验样品
5. 存在的问题及展望
5.1 施工方法
施工过程中紧固不足、过紧是造成高强度螺栓事故的重要原因。
高强度螺栓拧紧不足，会造成连接处预紧力不足，若节点处摩擦力小于设计值，就会使节点发生滑移，从而改变桥梁或建筑物的线形和预拱度，造成杆件内力与设计内力严重偏差，影响结构的安全。
高强度螺栓拧得过紧，会造成螺栓延迟断裂、脱落等现象。在我国，钢桥或建筑物架设后，高强度螺栓断裂、脱落的现象屡见不鲜。高强度螺栓的脱落不仅对结构连接造成隐患，而且如果脱落螺栓位于线路上方，还会砸中高速行驶的列车，造成严重的交通事故。
施工时应保证高强度螺栓的紧固轴力尽量接近设计轴力。
目前高强度螺栓的施工方法主要仍采用20世纪90年代的技术，包括初紧、复紧、终紧、检查等。
这种方法繁琐，操作复杂，由于受当时科研技术水平和施工工具的限制，各步骤不可避免地存在误差（如输出扭矩校准时测力计与实际连接钢板之间的刚度误差、拧紧过程中的电压波动误差、齿轮润滑状态的误差等），施工质量受人为因素和现场施工条件的制约较大，导致高强度螺栓的施工精度差、可靠性不高、施工效率低、工期长、施工质量难以保证。
高强度螺栓施工未来发展的一个重要方向是简化施工操作步骤，减少人为、环境因素对施工的影响；通过科学管理和规范化施工，避免施工过程中高强度螺栓的拧紧不足和过紧现象，降低螺栓断裂、脱落的概率，提高施工效率。
5.2螺栓表面处理工艺
高强度螺栓施工中主要采用的方法是扭矩法，高强度螺栓连接副的扭矩系数是保证高强度螺栓预紧轴力准确性的重要因素，高强度螺栓生产厂家主要采用特殊的表面处理工艺来达到这一标准。
对于目前的表面处理工艺而言，高强度螺栓连接副的扭矩系数也会随着环境温度、湿度的变化而变化。
因此温度、湿度的变化会造成扭矩系数的离散化，使得高强螺栓的预紧轴力也产生离散化，这种离散现象在高强螺栓的施工中很难控制。
对于钢结构螺栓，通过螺母和垫圈的表面磷皂化保证表面润滑，同时也保证扭矩系数，扭矩系数通常为0.11-0.15。如果表面涂有达克罗涂层，则在安装时必须通过涂抹MoS2来保证扭矩系数。根据目前国内对MoS2的使用情况，如果在螺纹表面和垫圈工作表面上均匀涂抹MoS2，扭矩系数一般为0.08-0.13。如果只在螺纹表面涂抹MoS2，扭矩系数值会相应略有增加。螺栓直径越大，增加越明显。
因此开发扭矩系数不受温度、湿度影响的新型表面处理工艺是高强度螺栓未来的发展方向。
5.3 螺栓腐蚀
由于环境温度、湿度反复变化，高强度螺栓处于腐蚀环境中，腐蚀很容易使螺钉的有效截面变弱，造成螺钉断裂、螺柱脱落。
延迟断裂的主要原因是应力腐蚀和氢脆。
另外，高强度螺栓钢中的非金属夹杂物以及加工、运输过程中产生的碰伤，都会在缺陷处产生应力腐蚀，造成延迟断裂。
为了防止高强度螺栓生锈，通常采用表面处理的方法进行防锈，主要有磷皂化处理、电镀锌、热镀锌、达克罗等方法。
磷酸盐皂化处理法主要用于高强度螺栓储存期间的短期防锈，其有效期一般只有半年。
虽然电镀锌、热镀锌、达克罗处理后的耐腐蚀性能很好，但是施工时需要在螺栓表面涂抹润滑剂，容易造成预紧力分散，影响施工质量。
表面处理存在诸多弊端，因此从材料角度对高强度螺栓的防锈研究更为迫切和重要。
不锈钢螺栓虽然可以解决普通螺栓的生锈问题，但是不锈钢本身存在强度较低的局限性钢结构用高强度垫圈，所以不容易用它来制造高强度螺栓。
从材料角度解决高强度螺栓的腐蚀问题，耐候钢高强度螺栓是未来发展的重要方向。
5.4 螺栓组受力
近年来新建的钢桥中，桥梁跨度较大，承受的荷载不断增大，高强度螺栓大多采用目前最大的螺栓规格M36，数量巨大。
例如某大桥采用12排M30螺栓，共计768个螺栓。科学研究数据显示，螺栓接头受力分布呈马鞍形，第一排受力最大，之后逐排减小，排数过多往往对螺栓组受力不利。
若能增大螺栓直径，加大单个螺栓的预紧力，将大大减少螺栓数量和现场拧紧工作量，节省工程资金。
随着钢铁冶炼、轧制水平的发展，我国在高强度、高淬透性方面的技术不断增强，为大直径钢结构螺栓的发展提供了可能。
6.螺丝大师使用经验及总结
1）螺栓连接在钢结构制作中起着越来越重要的作用，在焊接困难的地方，特别是现场施工时，当焊接质量无法保证时，应尽可能设计采用高强度螺栓连接。
2）工厂制造的钢结构构件在运输过程中，由于螺栓连接摩擦面的变化，很容易导致抗滑移系数降低。
预防措施是在出厂前进行抛丸处理，保证粗糙度，严禁涂漆，保证良好的摩擦面保护。
3）试验所用到的钢板、螺栓等均取自工程相应批次，采用与钢结构生产一致的生产工艺，试验结果才具有参考价值。
4）螺栓试验受人为因素影响较大，抗滑移系数试件是否严格按推荐尺寸加工，影响摩擦面接触面积是否满足设定值，判断摩擦面是否发生滑移的时机与滑移荷载是否出现异常偏差有直接关系。
对此，紧固件供应商应严格按照标准规定进行扭矩体系、预紧力、抗滑移系数等试验，试验过程中试样准备、试验条件、试验操作等是关键，应尽量避免人为因素，以提高试验结果的准确性。
施工现场安装，减少高空作业，提高施工智能化、自动化程度，使高强度螺栓连接成为提高钢结构质量的重要手段。
随着基础设施建设的快速发展，钢结构中高强度螺栓连接面临更大的机遇和挑战。
