摘要：在土木工程钢结构及路桥建设项目中，控制扭矩法和螺母角度法是紧固件安装工程中最常用的两种方法。与控制扭矩法不同，螺母角度法为位移控制法，操作和校核相对简单。本文分析了高强螺栓拧紧时的力学性能及不同拧紧方法的拧紧原理，对8.8级、10.9级M20、M24高强螺栓拧紧过程进行试验研究，得到了不同类型高强螺栓在拧紧过程中的扭转-拉力关系和轴力-角度关系。最后总结了高强螺栓达到所需预紧力所需的螺母角度值，并对螺母极限角度能力进行了分析，为制定高强螺栓螺母角度法拧紧要求提供了依据和建议。
0 简介
目前，我国应用最为广泛的高强螺栓分为大六角高强螺栓和自紧式扭剪高强螺栓，扭剪高强螺栓不在本研究范围之内，本文所涉及的高强螺栓均指大六角螺栓。
控制扭矩法作为传统的紧固方法，自高强度螺栓连接开始使用，由于扭矩系数离散性缺点，对扭矩系数的控制进行了大量的研究。与此不同，北美在早期改变了思路，开始推广使用螺母角度法。它已被许多实际工程验证，具有许多自身的优势。例如，它不需要专门的扭矩扳手或电动扳手，非常适合偏远落后地区，也适用于结构中不方便放置和安装机械的位置；施工目标直观明确，易于检查等。
本研究采用理论分析与试验结果相结合的方法，一方面对高强螺栓在拧紧过程中的各种性能进行理论分析，另一方面通过试验研究，探讨高强螺栓连接的强度等级、螺栓握距长度、螺栓直径、连接副表面处理状态、被拧紧板刚度等因素对高强螺栓拧紧性能的影响。通过对比各类试验
记录的结果探讨了不同因素的影响。
1 紧固原理分析
控制扭矩法是在力偶平衡条件的基础上推导出扭转-拉力关系方程，从而确定拧紧扭矩的大小钢结构原理，并进一步得到扭矩系数k的表达式。螺母角度法拧紧原理是在螺栓轴力平衡条件的基础上推导出载荷-位移关系方程，该关系表达了螺母角度与由角度刚度决定的螺栓预紧力之间的关系。通过理论分析，可以得到理想的轴力-角度关系。
1.1设计预拉力值P的确定
高强度螺栓连接的预紧力P值越大，其承载能力越大，连接效率越高。在确定螺栓预紧力的大小时，必须考虑螺栓的屈服强度、极限强度、蠕变、松弛引起的轴力减小量以及拧紧螺栓时螺栓轴力的偏差等因素。
1.2 控制扭矩法紧固的原理
紧固过程中施加于螺母上的外部扭矩Mk可表示为：
Mk=K·d·P（1）
式中：P为紧固时的预紧力，d为螺栓的公称直径。我们把K称为扭矩系数，它是施加在螺母上的紧固扭矩Mk与螺栓上引入的轴向预紧力P之间的比例系数。从上述关系可以看出，紧固预紧力的离散性与扭矩系数的离散性密切相关。
为了提高连接效率，希望增大螺栓的预紧力。由图1可知，在Y点以下，拧紧扭矩与螺栓预紧力呈线性关系，而在Y点以上不存在线性关系。图1中，当采用扭矩a作为拧紧扭矩时，预紧力也随扭矩系数的偏差而偏差，但螺栓的伸长量几乎不变，因此可以获得比较稳定的预紧力。但当采用扭矩b作为拧紧扭矩时，螺栓的伸长量相当大，最严重时可达到破坏的程度，如图1中M点所示，因此无法获得稳定的预紧力。为获得尽可能大的预紧力，采用控制扭矩法时，考虑到扭矩系数的误差，采用超过Y点的预紧力是不合理的，应采用Y点以下的最大预紧力作为控制预紧力[1]。
1.3 螺母角度拧紧法的原理
螺栓预紧力可表示为：
P = KＲ·θ ( 2)
式中KＲ表示弹性阶段螺栓预紧力与螺母旋转角度之间的线性关系，称为旋转刚度。
采用螺母角度法时，螺母角度与轴力的关系如图2所示。初拧至少要超过点A，即达到直线部分，该点相当于被连接板件开始紧密接触状态，初拧定义为角度测量的起点，超过点Y为终拧，达到塑性区域后，测得的螺栓轴力受角度误差影响较小。因此，角度法与扭矩法最大的区别在于，扭矩法如前所述，以AY间靠近Y的点为标准，而角度法以YM间的点为标准。以30°作为螺母角度的控制单元非常方便。从图2可以看出，AY间螺母角度的误差对应着螺栓轴力相当大的误差，而YM间存在相同螺母角度误差时测得的螺栓轴力变化很小。而且与扭矩法相比，角度法不受扭矩系数的直接影响[2,3]。
1.4 影响高强度螺栓轴力-旋转性能的因素
轴向力-转角曲线的形状取决于许多因素，例如螺栓长度、握距、润滑状态、螺栓材料硬度和测试设备等。以上任何一个因素都可能影响高强度螺栓的紧固性能[5]。
2 实验概述
本研究进行了三类主要实验：
1）在电动轴力-扭矩复合试验机上进行高强度螺栓扭矩-轴力-转角性能试验[4]；
2）在电动力-扭矩复合试验机上进行高强度螺栓断裂试验；
3）抗滑移试验钢板试件高强度螺栓扭矩-轴力-转角性能试验。
第一类试验过程是先对螺母施加100N·m的初拧扭矩，然后以30°为螺母旋转增量记录轴向力和扭矩值。试验中拧紧螺栓所用的扳手为普通的2000N·m手动扭矩扳手。试验基本按照现场施工时工人手动拧紧螺栓的方式进行（图3）。
第二类试验记录了螺栓从拧紧到断裂的全过程，考察了高强螺栓的拧紧性能和最大螺母旋转角度能力。高强螺栓作为高强度钢，没有明显的屈服点，拧紧时的屈服强度和抗拉强度均低于纯拉试验，这一点可以通过螺栓断裂试验得到验证。高强螺栓拧紧失效的形式有哪些，螺栓断裂时的失效形式又有哪些，也是本研究关注的问题。
第三种试验类型是考虑到在电动轴力仪上进行的螺栓紧固试验与板束上螺栓的实际紧固状态存在一定的差别，不能完全反映握距内板束的刚度，因此需要以约束钢板上的螺栓紧固试验结果作为轴力仪结果的对比和参考（图4）。
3 试验结果与分析
3.1 初始紧固
在螺栓实际拧紧过程中，轴向力需要增大到一定值后，才开始与螺母旋转角度成正比。这是因为在初始阶段，由于被连接板的平面度不同，配合不够充分，
因此，选择角度测量的起点非常重要。在美国，以板紧贴状态（Snug Tight）作为初拧的终点和最终拧紧的起点，即测量螺母角度的起点。紧贴状态对螺母角度法的有效性影响很大。当螺栓初拧到紧贴状态时，按所需预紧力规定的螺母角度适用。
美国规范中“全拧紧”的初拧要求看似适合其M20螺栓，因为美国高强度螺栓产品的扭矩系数较大。但本次试验证明，扭矩系数较大的连接副需要提高初拧扭矩才能满足紧配合状态的预紧力要求。这方面的具体内容将在下一节中介绍。紧固件的表面状态对初拧扭矩影响很大，当扭矩系数相对离散时，相同的初拧扭矩可能获得不同的紧配合状态，需要特别注意。
3.2 角刚度
当高强螺栓连接达到“紧配合状态”时，螺栓轴力的增加量开始与螺母旋转角度的增加量呈线性关系，直至局部连接屈服。前文中公式（2）已从理论分析中提出了转动刚度KＲ的概念。图5、图6为本次试验记录的数据。通过分析，得出：
1)高强度螺栓的角刚度KＲ与紧固件的表面处理无明显的关系；
2）高强螺栓的角刚度与螺栓直径有关，螺栓直径越大，相同拧紧角度时轴力增加越快，M24螺栓的KＲ较M20螺栓增加约50%。
3）高强度螺栓的角刚度与螺栓的强度等级关系不大。
4) 当设备或约束板的刚度增大时，角部刚度KＲ也相应增大。
3.3 达到所需预紧力的螺母旋转角度
1）不同的表面处理对螺母旋转角度影响不大；
2）10.9级螺母角度值比8.8级螺母角度值大；
3) M20 和 M24 之间没有明显差异。规定螺母角度值时可以忽略螺栓直径的差异。对于超大直径的螺栓，需要进行特殊试验来确定螺母角度值 [6]；
4）试验过程中，螺栓外露螺纹基本控制在0~2圈以内，相当于相同长度螺栓的最大握距状态。即使在这种情况下，对于较短的螺栓，轴向力增加也相当快。螺母角度法误差控制在±30°范围内，因此对于短螺栓，可以适当考虑减小螺母角度值的要求，以满足预紧力的要求。实际操作中，螺栓
螺栓的纵横比仍然是必须考虑的因素。
3.4 极致转弯性能
采用螺母角度法紧固螺栓时，允许进入塑性区。因此，考核高强度螺栓连接的极限角度性能的目的是为了保证螺栓紧固时有足够的安全储备。相关研究结果表明，对于高强度合金钢制成的抗拉强度等级超过1000MPa的高强度螺栓，在增加螺母角度值的同时，还需考虑紧固件的极限角度性能[6]。
图7为本次试验10.9级M20×70螺栓轴力-转角全过程曲线。可以看出，螺栓拧紧时的最大强度基本相当于材料规定的最小抗拉强度。从图中还可以看出，螺栓在达到规定的最小屈服强度之前就已经屈服，但没有出现明显的屈服点。拧紧至保证载荷时的螺母旋转角度为200°，拧紧至最大轴力时的螺母旋转角度为430°。这说明高强度螺栓在达到最大轴力之前还有较大的转角可依靠。另外，螺栓在塑性阶段轴力增长缓慢，因此螺母旋转角度法基本目标是在预紧力的作用下超越屈服点。
高强度螺栓在拧紧时一般有两种失效形式：螺母滑脱失效和螺栓断裂失效。滑脱失效是由于螺母螺纹处屈服，导致螺纹啮合失效；螺栓断裂失效的断裂形式与拉伸失效形式类似，一般会出现比较明显的颈缩现象。不同之处在于螺栓断裂时的断裂位置一般位于螺母支撑面附近的螺纹处，这是由于
在扭剪和拉伸的联合作用下，断裂面一般为倾斜面（图8）。
4 结论和建议
4.1 主要结论
本研究得出的主要结论是：
1）不同表面处理的螺栓在弹性阶段轴力-角度关系基本相同，螺母角度法不需要控制扭矩系数。
2）拧紧板束刚度越大，螺栓轴力-角度曲线在弹性范围内的斜率越大。拧紧板束刚度的增加会降低螺栓在拧紧过程中的延性，不利于螺栓拧紧时的安全储备。
3)螺栓握距（夹距）越大，达到所需预紧力所需的螺母旋转角度越大。握距减小会降低螺栓极限旋转角度性能。
4）综合考虑螺栓和板束刚度，提出转动刚度KＲ概念。转动刚度是螺栓轴力-转动关系的直接决定因素，它综合了螺栓束刚度和板束刚度的影响。
5）从紧密配合状态到施工所需预紧力值所需的螺母旋转角度值受强度等级影响较大，若以120°作为长径比小于4的螺栓最终拧紧螺母旋转角度值，则8.8级螺栓在塑性区内可获得稳定的预紧力，而10.9级螺栓在弹性区内仍可能残存预紧力。
6)从紧配合状态开始到达到施工所需预紧力值所需的螺母旋转角度，受螺栓直径变化的影响不大，但用于特大直径螺栓时，需通过试验确定。
7）螺栓拧紧时极限转角性能与多种因素有关，考虑最小握距、最大板刚度条件时，螺栓极限转角能力也大于一圈，螺母转角法拧紧具有足够的安全性。
8）螺栓在拧紧过程中的屈服强度和最大强度均低于纯拉伸试样的屈服强度和抗拉强度，伸长率也会下降。螺栓断裂的破坏不同于纯拉伸破坏，它属于剪切破坏，一般发生在螺母支撑面一侧的螺栓螺纹处，截面呈不规则倾斜。
4.2 螺母转角法施工要求建议
1）初紧可采用定扭矩法，初紧扭矩可按照公式0.13×初紧预紧力×螺栓公称直径计算，对于扭矩系数不合格的连接，可通过修正试验对初紧扭矩进行修正。
2）对于长径比小于4的8.8级螺栓，120°终拧角度要求没有问题。对于10.9级螺栓，由于拧紧120°后的预紧力仍处于弹性阶段，因此需要在初拧足够的基础上谨慎操作，避免终拧预紧力偏差过大，甚至拧紧不足。本文建议，对于长径比小于8的10.9级螺栓，终拧角度值宜为180°。
3）对于长径比大于4和小于8的高强度螺栓，采用180°终拧角度。无论是8.8级还是10.9级高强度螺栓，都能获得较为稳定的终拧预紧力，其安全储备比长径比小于4的螺栓更为充足。另外，180°的控制在施工操作中也十分直观、方便。
4）与扭矩法施工前的扭矩系数试验类似，角度法施工前也应考虑进行螺母角度性能验证试验，以保证同一批螺栓轴力-角度关系的一致性。
4.3 进一步研究的建议
1）本项目未能实现热镀锌、达克罗螺栓极限转角性能的测试，原因是最大扭矩超出了试验设备所能提供的2000N·m的范围。今后可在更为完善的专用试验设备上进行测试分析。国外相关研究资料表明，经过表面处理的螺栓（特别是热镀锌螺栓）无论在抗拉性能还是拧紧性能上都与普通螺栓有很大区别。
2）本次试验所用螺栓均为出厂时的原始润滑状态，未经过任何处理。后续研究可考虑模拟建筑施工中常用的油脂或其他润滑方式，或对出厂时的原始螺栓进行风化或生锈处理。
3）针对实际施工过程中可能存在的厚板或多层板情况，需要进行更有针对性的试验分析。如果条件允许，希望能在更多不同刚度的设备或板束上开展高强度螺栓紧固试验。
4）在今后的研究中，可以考虑采用楔形垫圈进行试验，进一步考察被连接件表面与螺栓轴线不垂直时的紧固性能，这在被连接件为轧制钢材且未使用楔形垫圈时具有实际意义。
5）本研究中，我们尝试过利用有限元分析软件模拟螺栓拧紧过程，但效果并不理想。由于需要建立螺栓-螺母-垫圈-板束紧固件的三维实体模型，且螺栓与螺母之间存在复杂的螺纹接触面，单元数量庞大，增加了接触分析的难度。但通过尝试，笔者看到了利用有限元计算软件模拟螺栓拧紧过程的可能性。希望在今后的研究中，能够进一步完善模型和计算方法，从而在模拟计算环节完善高强度螺栓拧紧过程的性能研究。
参考
［1］日本钢结构协会联合分会.高强度螺栓接头［J］.王玉春,陈洪德,石永吉等译.北京:中国铁道出版社,1984.
［2］王伯勤,陈录如,陈先锋.高强度螺栓连接［M］.北京:冶金工业出版社,1991.
［3］ 穆金禄, 胡桂琼． 高强度螺栓的安全性［J］． 桥梁建设，1996．
［4］ 陈大尚． 高强度螺栓轴力电测技术［J］． 工程技术与管理． 1996．
[5] MICHAEL J GILROY, KARL H FRANK. 高强度公制螺栓的紧固［M］． TX-97/2958-1F, 1997.
[6] KULAK GEOFFＲEY L, FISHER JOHN W, STRUIK JOHN HA. 螺栓和铆钉连接设计标准指南［S］． 美国钢结构协会，2001.
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