1 概述
高强度螺栓连接作为一种高效可靠的钢结构连接方式，具有抗震性能好、连接强度高、耐疲劳、施工简便、可拆卸、无残余应力等诸多优点，在建筑、桥梁、机械等领域得到了广泛的应用。随着科技的不断进步和工业的发展，高强度螺栓连接技术也在不断改进和完善。本文旨在探讨高强度螺栓连接施工的现状及未来发展趋势，以期为相关从业人员提供参考。
2 高强螺栓连接原理及施工工艺
2.1 工作原理及分类
高强度螺栓是一种由于其结构和材料组合而具有高抗拉强度和耐久性的紧固件。高强度螺栓连接由螺栓、螺母和垫圈组成。高强度螺栓连接通过拧紧螺母压紧构件的接触面，使螺钉产生预紧力，依靠接触面的摩擦力阻止连接板相互滑动，从而达到传递外力的目的。
高强度螺栓的性能等级有8.8级、10.9级两个（8.8级仅用于大六角头高强度螺栓，10.9级用于扭剪型高强度螺栓和大六角头高强度螺栓）。按传力机理可分为摩擦型高强度螺栓（执行标准GB/T1228～1231）和承压型高强度螺栓（执行标准GB/T 3632）；按螺栓结构形式和施工方法可分为大六角头高强度螺栓和扭剪型高强度螺栓。
图1 大六角头摩擦型、扭剪型高强度螺栓
2.2 不同类型高强度螺栓的区别
摩擦型与压力型高强螺栓的构造、安装基本相同，但其传力特性和适用工况仍有区别，主要是：
2.2.1 力的传递特性不同
摩擦型高强螺栓仅靠被连接构件间的摩擦阻力来传递剪载荷，承载极限状态为剪力等于摩擦力，一旦构件间产生相对滑移即失效。压力型高强螺栓的传力特性是当剪力超过摩擦力时，构件间产生相对滑移，螺栓轴开始受剪、孔壁受压，另一方面随着外力的继续增大，摩擦力逐渐减弱，当连接接近失效时，剪力全部由轴承担。压力型高强螺栓以螺栓或钢板失效为承载极限状态，可能失效形式与普通螺栓相同，该类螺栓连接也应以无滑移为正常使用的极限状态。
2.2.2 适用环境不同
与压力型高强螺栓相比，摩擦型高强螺栓连接变形较小，承载力较低，但抗疲劳和抗动载能力较好，适用于承受动载。压力型高强螺栓连接承载力较高，但剪切变形较大，因此一般只用于承受静载、间接承受动载的结构中的连接。
2.2.3 部件间连接面的不同加工工艺
由于传力特性不同，摩擦型高强螺栓连接面需做摩擦表面处理，一般采用喷铝或涂防锈防滑漆，保证连接板具有足够的防滑系数（出厂前防滑系数不小于0.55，安装前不小于0.45）。压力型高强螺栓连接面只需常规防腐处理即可。
2.3高强螺栓连接施工工艺
高强螺栓连接形式虽然有摩擦型和扭剪型两种，但本文以钢桥常用的摩擦型高强螺栓为例进行概括。
2.3.1 施工工艺
摩擦型高强螺栓的施工工艺为：施工准备→杆件拼接→工艺螺栓安装、打入冲针→紧固工艺螺栓、定位杆件→按工艺穿插高强螺栓→初拧、标记→将冲针、工艺螺栓更换为高强螺栓、初拧、标记→终拧、标记→终拧扭矩校核。
2.3.2高锚杆施工质量控制
影响摩擦型高强螺栓连接可靠性的主要因素包括螺栓制造质量、摩擦面状况和螺栓紧固质量。螺栓制造质量和摩擦面状况主要由螺栓生产厂家和杆件生产企业分别控制，而螺栓紧固质量主要由桥梁现场的施工质量控制来控制。其影响因素包括扭矩系数、拧紧扭矩、拧紧工艺、扳手精度、电源稳定性、施工人员对高强螺栓的认识、施工过程控制和质量管理等。其中扭矩系数和拧紧扭矩是主要影响因素，应重点关注[1]。
根据TBJ 214《铁路钢桥高强度螺栓连接施工规程》和JGJ 82《钢结构高强度螺栓连接技术规范》规定，高强度螺栓到货质量保证期为6个月，因此高强度螺栓必须根据施工需要制造并运抵现场，到达现场后按不同批号抽样，在现场实验室或检测检验机构检测扭矩系数。
由于温度、湿度对磷皂化高强螺栓的扭矩系数影响很大，根据TBJ 214《铁路钢桥高强度螺栓连接施工规程》规定，扭矩系数随温度的升高而下降，温度每升高10℃，扭矩系数约下降6.7%；磷皂化螺栓的扭矩系数会随环境湿度的变化而变化，当湿度大于90%时，扭矩系数会急剧下降。因此，当施工现场环境温湿度变化较大时，施工前应及时对当班使用的该批螺栓取样，重新检测扭矩系数。根据复测结果并考虑温湿度变化趋势，对终拧扭矩进行适当调整，并及时向施工现场发出终拧扭矩调整通知，确保高强螺栓终拧预紧力满足设计要求，减少温湿度引起扭矩系数变化对施工质量的影响，一般应在允许误差范围±3%内进行调整。
图2 扭矩轴力测试仪
每批高螺栓（3000套为一批）取8组校准扭矩系数，计算8组扭矩系数的平均值和标准差。在施工现场校准扭矩系数时，将高螺栓插入扭矩轴力测试仪中，旋入螺母，用扭矩扳手拧紧。根据扭矩轴力测试仪显示的轴力PC、施加的扭矩Te（也可用扭矩扳手显示施加的扭矩）和已知的高螺栓直径d，根据公式k=Te÷（PC×d）即可计算出该批高螺栓的实际扭矩系数。
图3 现场校准流程
为保证紧固扭矩准确，施工用电动扭矩扳手在换班前后应进行校准，并做好校准记录。其扭矩误差不得大于使用扭矩值的±5%。如换班后发现误差超过允许范围，则应使用检查扳手对换班期间用该扳手紧固的所有高强度螺栓连接进行检查和处理。检查扳手使用前必须进行校准，其扭矩误差不得大于使用扭矩值的±3%。电动扭矩扳手一般采用扭矩轴力测试仪进行校准（图2）。
3 高强度螺栓施工目前存在的问题
3.1 高强度螺栓预紧力无法校核
螺栓连接设计以预紧力为基础，因此施工时最终目的是获得设计的预紧力，扭矩只是螺栓施工过程的控制技术指标。螺栓拧紧后扭矩消失，而轴力始终存在。另外，扭矩检验应在规范规定的时间内完成，一旦错过，由于螺栓扭矩系数过高而导致的扭矩值变化，所得扭矩值将失去意义，而螺栓轴力始终存在，检验时间没有限制。
目前，高强螺栓连接对施工完成后，一般以扭矩值来判定施工质量是否符合标准。但如前所述，计算高强螺栓最终拧紧扭矩的扭矩系数易受环境温度、湿度的影响，导致高强螺栓实际拧紧后的预拉力（拧紧轴力）产生偏差。而目前还无法在现场快速准确地测定实际预拉力。
3.2 安装后，无法检查垫片的方向。
一组高强度螺栓连接副包含两个垫圈，其中螺栓侧为磷化垫圈，螺母侧为皂化垫圈。螺母与垫圈的方向也必须符合规定要求，即带倒角侧的垫圈朝向连接面，带平台侧的螺母朝向螺栓面。它们之间的关系不能随意用螺栓拧在一起。一旦拧紧，目前的垫圈结构将无法确定安装的正确性。如果安装不正确，可能会在螺钉垫圈处形成应力集中点，影响高强度螺栓连接的耐久性。
图4 高强螺栓连接副及安装示意图
为了避免该问题，建议修改高螺栓垫圈标准GB1230，要求在垫圈外侧设置永久性标记以确定其方向，避免安装后无法确定方向是否正确。
3.3铁路桥涵施工规范要求进行100%扭矩检查，不合理
为保证桥梁安全，铁路桥涵施工质量验收标准TB 10415-2003和TB10751-2018（后者为高速铁路验收标准）两项标准均要求建设单位对高强螺栓拧紧后进行100%检查。目前，大型钢桥使用高强螺栓数量在100万套以上，有的甚至达到200万套，施工高峰期，每天要拧紧上万套螺栓，逐一进行检查无疑会给施工单位带来巨大的负担。另外，检查一组螺栓所花的时间是拧紧时间的数倍，想要在同一天完成所有拧紧螺栓的扭矩检查也是不现实的[2]。另外，在高空节点或转角处检查螺栓时，由于观察条件差，也很难保证准确性。
作为比较钢结构用扭剪型高强螺栓，如表1所示，其他高位螺栓施工相关标准并未要求全检，且紧固高位螺栓的电动扭矩扳手质量相对可靠，输出扭矩也比较稳定，建议适当修改铁路桥梁标准中高位螺栓的检验比例要求。
表1 不同标准对高螺栓结构检验要求的差异
序列号
标准编号
标准名称
主桁架节点及纵横梁连接节点
其他节点检查数量
TBJ214-92
（该标准已废止，但目前尚无替代标准）
铁路高强度螺栓连接施工规程
每节点高位螺栓数量的5%，但不少于2套
其余节点不少于1组
交通法规/T 3650-2020
公路桥涵施工技术规范
每节点高位螺栓数量的5%，但不少于2套
其余节点不少于1组
GB/T 50205-2020
钢结构工程质量验收标准
占总节点数的5%，且不少于10个节点；高位螺栓每个节点抽样占总数的10%，且不少于2套。
国网82-2011
钢结构高强度螺栓连接技术规程
节点总数的10%，且不少于10个节点；高位螺栓每个节点抽样总数的10%，且不少于2套。
TB 10752-2018
高速铁路桥涵工程施工质量验收标准
所有节点的所有高位螺栓都将由专门的检验人员重新检验。
TB 10415-2003
铁路桥涵工程施工质量验收标准
施工单位质量检验人员应对所有高位螺栓进行检验（第12.3.5条）
3.4 高螺栓延迟断裂问题
延迟断裂(又称滞后断裂)是高强螺栓连接常见的缺陷之一，在已建成的桥梁中经常发生，危及桥梁运营安全。高强螺栓的延迟断裂主要与原材料、制造工艺、形位偏差、紧固质量等因素有关。但众多实例表明，制造工艺和形位偏差已成为影响我国高强螺栓性能的主要因素。施工单位在验收时通常只检查常规性能，而延迟断裂则是事后发生的。因此，在采购时应注意检查生产厂家的制造工艺和产品信誉，择优选用，价格不应成为唯一主要考虑因素[2]。
目前，在双层公铁两用桥中，设计单位已将上部桥面加劲肋节段间的连接形式由螺栓连接改为嵌入式节段焊接，这可能也是对高位螺栓延迟断裂安全隐患的应对。
3.5 螺栓焊接共用结构高位螺栓紧固时机
在铁路钢桥中，桥面采用现场纵向焊接，主桁弦杆间连接为螺栓焊接混合结构。目前采用的典型工艺为主桁上高位螺栓初拧→桥面环缝焊接→高位螺栓终拧。在这种环缝施工方式中，后焊板的焊接变形对首块螺栓板产生附加内力，进而影响首块螺栓板上高强螺栓的受力特性。同时，在焊接完成后，实际上没有办法严格按照标准中高强螺栓终拧时间要求进行（TB214-92和JGJ82-2011均要求高强螺栓终拧在1个工作日内完成）。由于螺栓表面暴露在空气中，其扭矩系数可能因环境影响而发生改变，其终拧扭矩不能完全获得预期的施工预拉力。但如果先焊接钢结构用扭剪型高强螺栓，后螺栓固定，桥面焊接后的焊接收缩会造成冲头被螺栓孔压住，难以抽出，影响高强螺栓的施工。
为了减少焊接后高强螺栓所受的附加力，建议先用冲针约束环侧两排螺栓孔，使冲针首先承受桥面焊接变形引起的附加力，焊接完成后再将冲针更换为高强螺栓。
3.6施工扭矩值控制
当前工程中，主要采用定扭矩电动扳手紧固高强度螺栓，施工过程中最终紧固扭矩容易受到扳手校准精度、现场供电稳定性、人为操作等多重因素的影响，导致扭矩不足或过紧。
本工程应大力推广数显电动扳手，对按顺序拧紧的高强度螺栓的最终拧紧力矩，可逐个以数字显示、存储，施工过程中可直观判断过紧或欠紧，便于及时处理，当天施工完成后，可调用当天存储的最终拧紧力矩数据，进行进一步检查分析。
4 未来展望
4.1 高等级、大直径、高强度螺栓研发
如今随着钢材性能和设计、施工技术的提高，桥梁跨度越来越长，承受的荷载也越来越大，因此大跨度桥梁的螺栓组较大。如某桥节段主桁腹板面一侧螺栓排数为11排，仅一节主桁端部整个螺栓组就有792个10.9S级高螺栓。科学研究资料表明，螺栓接头受力分布呈马鞍形，最大力在第一排，以后逐排减小。排数过多往往对螺栓组受力不利。如果能增大螺栓直径和性能等级，并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。刘洪刚[2]、侯兆新[3]等人对大直径高强度螺栓的研究与开发进行了探讨。
4.2高强度螺栓防腐技术研发
由于目前的防腐技术，高强度螺栓连接对环境温度、湿度的影响还比较敏感，导致施工过程中扭矩系数发生变化，使用过程中出现延迟腐蚀断裂。目前高强度螺栓的表面处理工艺主要有磷皂化、电镀锌、热镀锌、达克罗等方法，但各有优缺点。因此，对高强度螺栓防腐工艺的研究应是未来的一个方向。
4.3 高强度螺栓检测技术研究与开发
目前钢桥高强螺栓施工质量判定多以扭矩作为标准，该方法存在检测误差，且对检测时间要求严格[6]。
在使用过程中，螺栓结构受到振动、冲击、蠕变等力学作用时，其连接状态经常发生变化，导致松动、滑移，甚至脱落。例如，2010年通车的南京大胜关长江大桥，每年都有高强度螺栓断裂。据统计，截至2016年共发现断裂高强度螺栓277套[4]。如果关键构件或节点处的螺栓发生松动、断裂、脱落而不能及时发现，将给结构带来安全隐患，甚至引发严重的安全事故。为了预防事故发生，在找到便捷可靠的螺栓连接损伤检测方法之前，唯一的选择就是增加例行检查的频率。
卓德兵[5]、楼彦珍[6]从基于计算机的听觉与视觉技术、超声波方法两个角度对高强度螺栓检测技术进行了研究，并从各自的研究角度提出了解决方案，但在实际应用中仍需不断优化和完善。
4.4 高强度螺栓紧固工具研发与推广
目前，钢桥上高强度螺栓的紧固主要采用定扭矩电动扳手。第三代电动扳手可以在紧固过程中设定、显示和记录电动扳手的最终输出扭矩，提高了高强度螺栓的紧固质量[7]。该类型扳手可以省去班前班后繁琐的校准工作，同时最终紧固后的扭矩检查避免了费时费力的现场紧固检查，只需要检查导出的数据就可以准确判断紧固扭矩是否合格，具有大规模推广的价值。
另外，如果能开发出一种在紧固高强度螺栓连接时，能够直接获取连接实际紧固轴力以满足设计目的的电动扳手，将给螺栓连接技术带来质的提升，这将是未来紧固工具的一个研发方向。
5 结论
高强度螺栓连接副是钢桥关键承力构件之一，其制造安装质量的好坏直接关系到桥梁的可靠传力和安全运行。随着科技的不断进步和行业的发展，通过科研院所、高强度螺栓及钢桥制造单位、现场安装单位以及后期运营维护单位的共同努力，不断吸收当前研究成果和先进技术，相信高强度螺栓的新品种、新技术、新工艺、新设备将不断涌现，高强度螺栓连接副的制造、施工、检测技术也有望得到进一步的改进和完善。
参考：
[1] 张建平等.矮寨大桥钢桁加劲梁高强度螺栓施工质量控制[J].桥梁建设，2012，42（6）：171-176.
[2]刘红刚,张宏宇,彭跃申,铁路钢桥高强度螺栓连接施工若干问题的探讨,铁道标准设计,59卷,第2期。
[3] 侯兆新等，钢结构高强度螺栓连接技术新进展，钢结构（中英文），2021，36（1）。
[4]朱素华.高速铁路桥梁钢桁架高强度螺栓断裂分析及维修建议[J].上海铁道科技,2016(04).
[5]卓德兵，基于计算机听觉与视觉技术的钢桁架螺栓连接损伤检测研究，重庆大学博士学位论文，2021。
[6]楼彦振，超声波法在钢桥高强度螺栓轴力检测中的应用，硕士学位论文，内蒙古科技大学，2022。
[7]沈家华,我国钢结构电动扳手及高强度螺栓紧固技术发展,铁道建设,(2016)07。
