1、垫圈咬螺纹问题分析
在实验室做扭矩系数试验或者现场更换高强度螺栓时，经常发现钢结构用高强度垫圈（GB/T 1230）存在螺纹卡死、螺纹挤死等问题，造成螺纹损坏，如图1所示：
图1 螺纹咬合现象
分析原因有两点：
第一，如果垫圈内部倒角过大，会导致垫圈内缘厚度小于螺栓螺距，垫圈会卡在螺纹中，拧紧时会损坏。如果操作人员在螺栓水平安装时没有用手指握住垫圈进行定心，这种情况更容易发生。在实验室做扭矩系数试验时，如果仔细观察加载过程，就会发现加载到一定阶段时，扭矩往往上升，轴向力却没有动静，这个阶段就是垫圈啃螺纹的阶段。在实际施工中，如果啃时的扭矩值小于施工的最终拧紧值，螺栓的预紧力就会远小于设计值，导致高螺栓连接失效。需要注意的是，钢结构扭剪螺栓（GB/T 3632）也会出现垫圈啃螺纹的问题。
第二，为克服紧固过程中的反作用力矩，目前广泛使用的电动扳手均带有反作用臂，用以克服相邻螺栓上的反作用力。在紧固过程中，扳手会因偏载的作用对被紧固的螺栓副产生一个径向力，挤坏垫片，某些情况下还会轻微损坏螺纹。图2、图3显示，目前钢结构中常用的定扭矩电动扳手均带有一个克服反作用力的装置——套筒外的耳部。图3显示了紧固过程中反作用臂抵住相邻螺栓时扳手的受力情况。
图2 定扭矩电动扳手反力臂
图 3：扳手上的力
这种由于偏心载荷而使垫圈挤伤螺纹的情况一般不会影响螺栓的预紧力，在国内钢结构行业中，由于冲钉的存在，不会造成螺栓连接板的挠度和位移，一般不需要处理。
2. 垫圈线堵塞的解决方法
垫圈螺纹卡死是所有螺纹损坏中比较严重的一种情况。针对上述垫圈咬螺纹问题，有两种解决方法：
第一种方案是取消螺母下垫圈内倒角，保留螺栓头下垫圈内倒角，螺栓头下垫圈可不做磷皂化处理。这样，两种垫圈可以通过颜色区分，螺栓头下垫圈摩擦系数大，可有效防止“跟转”。但这种方案的缺点是，一套连接副配两个垫圈，增加了厂家和现场的管理难度。在讨论新版GB/T 1231标准时，最初的方案是取消螺母下垫圈内倒角，保留螺栓下垫圈内倒角。为了区分两种垫圈，后来采用了在螺栓头下垫圈外侧刷红漆的方案。
后来，垫圈制造商建议将涂漆作业改为三耳垫圈，如图4所示。
图4 三耳垫片示意图
这种带耳朵的垫圈与英国标准 BS 4395-1 和澳大利亚/新西兰标准 AS/NZS 1252.1（图 5）类似，但耳朵的形状和功能不同。英国和澳大利亚的耳朵用于识别垫圈的等级，没有外部倒角。
第二种方案是加厚垫圈，中国铁路总公司企业标准《铁路桥梁钢结构用高强度大六角螺栓连接副》（Q/CR 701-2019）采用的就是该方案。
需要注意的是，在我们发现大六角头高螺栓垫圈啃螺纹之后，我们在测试扭剪型螺栓时也发现了这个问题，如图6所示。
图6 扭剪型螺栓啃咬现象
另外，为了防止垫片安装倒置，需要在现有的GB/T 1230标准垫片下方增加外倒角，以方便安装后的检查。
3. 修复垫圈螺纹后刮伤螺纹的问题
在分析垫圈螺纹卡死原因时，我们曾采取过拆除内倒角、加厚垫圈，甚至使用专门的试验设备来消除反力臂偏载等措施。但在试验过程中，我们发现当螺栓水平安装时，垫圈仍然会划伤螺纹，划伤位置仍在垫圈正上方。分析原因是拧紧时垫圈内缘落在螺纹上并发生移动。虽然没有卡死那么严重钢结构螺栓，但依然存在隐患，并不完善。
针对垫圈刮伤螺纹的问题，首先想到的解决办法是在套筒上增加垫圈定位装置，见图7。
通过试验发现，问题基本得到解决，但又出现了新的问题：套筒与垫圈之间会产生相对位移和摩擦，损坏套筒或垫圈，并消耗一定的扭矩，导致预紧力变小。但此方案对于手动工具预紧法效果良好，基本解决了扭剪螺栓垫圈损坏螺纹的问题。
下一步的改进方案是在反作用臂上增加垫圈定位装置，由于反作用臂在加载过程中基本不转动，与垫圈之间没有额外的摩擦力，反作用臂定位方案基本完美解决了垫圈啃伤、刮伤问题。但由于现有产品标准中螺母最大外径大于垫圈最大外径，定位装置需要考虑拧紧时的对准问题和拧紧后的干涉、分离问题，结构相对复杂，建议以后修改标准，稍微增加垫圈外径。定位装置及增加垫圈后的最终效果如下图所示：
图8 定位装置加垫片效果
反力臂加了垫圈定位装置之后，因为垫圈居中，不会卡死，也不会刮伤螺纹，也不用取消螺母下面的垫圈内倒角，也不用分A、B垫圈，也没有三耳垫圈了！绕了一圈，我又回到了起点。
4.三耳垫片的意义及对GB/T 1231修订的建议
上面说了，为了解决垫圈损坏螺纹的问题，可以通过改进工具来淘汰三耳垫圈方案。那么三耳垫圈有什么优势吗？答案是肯定的！
我们前期在做DTI（载荷指示垫圈）试验的时候，发现欧美标准在检测DTI垫圈间隙的时候，都是用两个塞尺，需要区分DTI垫圈是否在旋转部位的下面。如果用三耳垫圈代替普通垫圈，套在DTI垫圈上面，再用特制的套筒保证三耳垫圈不转动，那么DTI垫圈检测就只需要一个塞尺就可以了！同时，还可以在垫圈上克服反作用力。如果GB/T 1231采用这种垫圈，有三个好处：第一，垫圈不会转动；第二，正反力同轴，不会不平衡，螺栓不会偏移；第三，节点螺栓布置可以忽略螺栓间的反作用力。有些接头可以用单个螺栓，或者螺栓间距可以比较大。
但此垫片的耳片形状为矩形(图9)，与GB/T1231的起草略有不同。
图9：矩形三耳垫片，实物及示意图
这种垫圈配合特殊的反作用机构，还能起到自反作用，如图10所示。垫圈与扳手的反作用臂管配合，可以消除反作用臂，保证同轴反作用力，解决垫圈损坏螺纹的问题。当然，三耳垫圈也有一个缺点，就是必须预紧，也就是欧盟规范中的“紧贴”。在检测时，我们一般用工地上常用的管钳来预紧。其实这并不是缺点，以前在工地现场培训时，为了防止旋转，通常要求工人用手动扳手预紧螺栓。只是国内所有的施工规范都没有像欧洲标准那样有明确的规定。
图10 矩形垫圈加反作用力机构的效果
综合考虑以上几点，建议正在起草的GB/T1231可以将三耳垫片由半圆形改为矩形。
GB/T1231的另一项修改建议是适当提高螺母的尺寸精度。目前，钢结构行业已经开始使用带有扭矩传感器和伺服电机的工具钢结构螺栓，扭矩的控制精度和稳定性较现行型工具有很大的提高。但要进一步提高扭矩的控制精度，必须提高螺母的尺寸精度，其中最重要的两项是螺母孔与螺母六角的同轴度、螺母孔与螺母支撑面的垂直度。其次是适当减小六角对边的公差。我们通过实验验证，在保持其他条件不变的情况下，每次简单旋转螺母60°，工具的控制精度就会出现周期性的波动。标记后会发现螺母一侧的控制精度变差，转回6个60°后精度仍然会变差。
5. 关于自反螺栓
随着人口红利的消失和智能化的发展，用机器人拧紧钢结构螺栓是大势所趋。从目前其他行业的应用来看，现有的螺栓连接副容易跟随旋转，需要卡紧，需要两台机器人配合作业。受空间和成本限制，这种螺栓肯定不适合自动化发展，而座点法、斜度法等更好的拧紧工艺也要求螺栓不能跟随旋转。因此，自反力螺栓将是未来钢结构高螺栓的发展方向！
目前钢结构行业比较成熟的标准是ASTM F3148-17a，在北美有不少案例使用。其外观与扭剪螺栓十分相似，只是颈部没有凹槽。成品螺栓如图11所示：
图11 美标自反螺栓成品
各种自反螺栓目前在其他行业中应用十分广泛，自反件有加工成外四角，外六角，甚至有加工成内四角、内六角等形状。
图12是汽车工业中的减震器螺栓。反作用部分是螺栓头部呈圆角，有两边。这种螺栓也用于汽车的其他部位（图13）。此外，还有其他类型的头部形状（图14）。
六、结论
钢结构中，高强度螺栓由于节点密封失效、雨水冲刷等原因，在损伤部位容易发生应力腐蚀断裂。在役既有桥梁中收集到的断裂螺栓也支持这一结论。目前，铁道科学研究所团队正在解决长效密封的材料问题，桥梁科学研究所团队正在解决螺纹损伤防腐涂层自修复问题。本文主要探讨如何通过施工工具的改进，防止垫片对螺纹的损伤。
2023年，某在建桥梁因各种原因，最终紧固后需要拆除更换3100套高位螺栓。我们发现，在拆除的高位螺栓中，有2000余套在垫圈位置出现螺纹损坏！因此，避免垫圈损坏螺纹具有重要的工程价值和实际意义！
本文作者：分会“连接技术”专家组组长、山东中兴电动工具有限公司副总经理何曙光先生
自动化专业，从事高强度螺栓拧紧工作30年，长期在桥梁钢结构、锅炉钢结构、建筑钢结构施工现场从事拧紧工装、扭矩校准、高强度螺栓检测等工作，参与芜湖长江大桥等30多座跨江跨海大桥建设，主持研制成功适用于国产钢结构高强度螺栓拧紧的第三、四代工装。参与国家“八五”重点攻关项目，成功研制国内第一台拧紧机，打破了欧美发达国家对汽车行业螺栓装配机器人的垄断。
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