作者：陈继平1 何贤娟2（1.上海凡盛紧固技术有限公司，上海201315，2.中冶建设研究院，北京100088）
1 简介
高强度螺栓通常用于钢结构中构件的连接、固定、定位等。利用高强螺栓的紧固轴向力将两个被连接件紧密夹紧。工程中的高强度螺栓大多处于摩擦式连接状态。通过对高强度螺栓施加拧紧轴向力（也称为预拉力或预载荷），使连接的钢板受到压缩并产生摩擦作用。当连接节点受到外力作用时，外力通过连接板接触面之间的摩擦传递，应力流通过接触面平稳传递，不会产生应力集中。因此，摩擦式高强度螺栓连接要求构件表面粗糙化，对螺栓拧紧轴向力也有要求。螺栓的拧紧轴向力和摩擦面的抗滑移系数直接决定摩擦式高强螺栓连接的承载能力。
用于钢结构连接的高强螺栓有两种紧固方法：扭矩法和角度法[1]。扭矩法是通过控制施工扭矩值来拧紧高强螺栓连接副，角度法是通过控制螺栓与螺母的相对角度值来拧紧高强螺栓连接副。对于两种类型高强螺栓的施工，大六角头高强螺栓连接副可采用扭矩法或角度法。扭剪型高强螺栓连接副本质上采用扭矩法，未获得拧紧轴向力。使用扭矩扳手时，切割直径由工厂在制造过程中转换后控制。
钢结构中大量使用高强度螺栓，施工方法的可靠性和便捷性具有重要价值。由于使用转角法比较麻烦，国外研究采用“直接拉力指标”来控制高强螺栓的拧紧轴向力，并已逐步应用于建筑钢结构、桥梁、电站、风电设备等、石化装备、体育展览。在我国，上海金茂大厦、香港中银大厦也采用“直拉指标”（金茂大厦：规格1 1/2”，8万套；中银大厦：
规格1 1/8"，20万套）[2]。
2 直接张力指示器及测量方法
2.1 直拉指示器
直接张力指示器（DTI）是一种特殊的垫圈，在垫圈的一个平面上具有一系列与孔同心的突起，如图1所示。国外已经有相关的DTI标准[3-5]。
在高强度螺栓连接副中应用DTI控制紧固轴向力的原理如图2所示。拧紧螺母，预紧力通过配套的平垫圈压紧DTI上的突起。逐渐增大的预紧力不断压缩突起，DTI平面与平垫圈之间的间隙变得越来越小。利用应力与应变的对应关系，根据间隙值即可判断紧固轴向力是否满足设计要求。
与 DTI 一起使用的平垫圈是高强度螺栓固定垫圈。除原有功能外钢结构高强度螺栓连接的设计 施工及验收规范，它还具有两个新功能：①保证DTI的所有突出物都能被完全压缩； ② 硬度高 使用DTI确保间隙的减小是由于突出物被压缩，而不是由于平垫圈在与突出物的接触点处凹陷所致。应力应变关系是通过突出物的压缩程度来表示高强螺栓的拧紧轴向力。这就是DTI的工作原理；而如何知道间隙的大小就是DTI的构造方法。常用的DTI施工方法有两种：间隙测量法和色胶目视检查法。
2.2 间隙测量方法
间隙测量方法是利用塞尺来测量间隙的大小。 DTI 的圆周上有槽口（见图 1 和 3），以指示塞尺应插入的位置。
试验证明，由于制造偏差（形状、尺寸、硬度等），即使规格相同，不同批次的DTI间隙与螺栓预紧力的关系也不同。因此，每批DTI使用前，必须事先验证该批次DTI的压缩间隙与螺栓预紧力的关系。施工时，根据实测的间隙尺寸和预先获得的“螺栓预拉力～间隙距离”的试验数据，即可得知螺栓连接副的预拉力。显然，必须停止加载，同时用塞尺测量间隙。如果间隙较大，则继续加载；如果间隙小于规定值，则用不同厚度的塞尺测量具体间隙大小，以确定是否拧得过紧。这种间歇式施工过程难以接受并减少了其他因素。实用性。这是迄今为止“间隙测量法”在高强度螺栓上尚未广泛应用的主要原因。
想要一个理由。
2.2 色胶的目视检查方法
针对间隙测量方法的缺点，国外一家公司对DTI进行了改进。其要点是：①在DTI凸起的背面和与凸起相对应的位置设置凹槽； ② 在凹槽旁边按压放射状形状。凹槽与DTI边缘相连； ③ 用彩色凝胶填充腔体（见图4a）。当拧紧螺母压缩突出部时，腔内的有色凝胶通过径向凹槽从DTI边缘挤出。当挤压量达到一定规模时（见图4b），说明螺栓的预紧力已满足要求。 。
这种方法还需要提前在实验室测试色胶挤出量与螺栓预拉力的关系，并且施工人员必须参加测试，以便记住螺栓设计预拉力为时的色胶挤出量。达到了。这种方法虽然省去了中途测量间隙的麻烦，但仅依靠施工人员目视检查，不太可靠。施工质量完全取决于施工人员的记忆、观察、判断和责任感。此外，还受到制造误差和有色凝胶的填充量的影响。此外，径向凹槽也是潜在的裂纹源。美国一家实验室的测试数据表明，有色凝胶的挤出量与螺栓预紧力之间存在较大误差。事实上，色胶目视检查法在美国是一个有争议的方法，尚未得到ASTM的正式认可。不过，这种方法已在美国和其他国家申请了专利。
3台自动控制清洗机
为了适应我国发展大规格、高防腐能力的高强度螺栓接头的需要，我们对国外DTI及其施工方法进行了分析研究。经过多次试验和改进，我们成功试制了具有自主知识产权的“自动控制系统”。 “自动控制垫圈”（Automatic Control Washer，简称ACW），专利号ZL213918635063.5。测试数据表明，它可以使高强螺栓的安装基本正确、可靠、简单、方便。可以说是升级版贸工部。
3.1 控制原理
ACW控制螺栓预紧力的形式、大小和原理与DTI基本相同，但ACW的控制方法与DTI原有的方法有本质的不同：无论是“间隙测量法”还是“色胶法”目视检查法”，DTI全部依靠人工控制；而ACW采用了“以力控力”的全新控制原理，可以自动控制高强螺栓的预紧力。下面结合图5对其控制原理进行简要说明。
图5中，假设ACW只有3个突起，且形状、尺寸和力学性能均满足标准要求。突起的原始高度为h1。首先使用预压力F将B点（称为“参考点”）的高度压缩至h2。然后，将A点和C点（称为“控制点”）同时压缩到B点。对于相同的高度h2，所需的力必须是2F。这就是自动控制洗衣机“以力控力”的基本原理。
每个产品之间可能存在制造误差，例如硬度和突出尺寸的差异。这只会导致h1和h2发生一些微小的变化，但是前后两个力肯定会保持一定的比例关系。
3.2 超薄传感器
那么，你怎么知道“控制点”（A点和C点）被压缩到与“参考点”（B点）相同的高度呢？我们将检测条（超薄传感器）粘贴在“参考点”平面上。为了防止粘贴的检测条的接触点高于参考点的按压平面，我们将检测条粘贴在“参考点”平面上。同时，有一个与试纸条大小相称的浅凹槽，将试纸条卡在这个凹槽中（图6）。当“控制点”被压缩到与“参考点”相同的高度时，检测条捕获此信号并将其输出到拧紧螺母的工程机械的控制电路，工程机械停止工作。
3.3 紧固工艺
ACW的拧紧示意图如图7所示。拧紧螺母，压缩ACW的控制点，直至平垫圈接触检测条（超薄传感器）；传感器捕获信号并通过电线输出至工程机械的控制电路，切断工程机械的电源，使其停止工作。
使用ACW只要求施工工具（无论是液压扳手还是电动扳手）的输出扭矩足够大，对输出扭矩的精度没有要求。以前电动扳手的输出扭矩不够大，所以需要增力器，而增力器的精度不高，所以大尺寸的螺栓很少用电动扳手安装。有了ACW，扳手只需要“保证不拧得过紧”，不需要考虑“过紧”（因为它不会过紧）。
事实上，ACW可以被视为一种简单的、定量的压力传感器。一旦制造出来，使用它的螺栓的预紧力就已经确定。施工时，操作人员只需按照一般程序将高强螺栓连接副和ACW安装在结构上，启动施工机械和工具，当达到规定的预拉力时，施工机械和工具就会自动启动。自动停止。可以说，ACW使制造商能够参与高强螺栓的安装过程，并与施工方一起控制高强螺栓的拧紧轴向力，共同确保施工质量。
3.4 组合结构
施工完成后，DTI与平垫圈之间（突起之间）不可避免地会存在间隙。虽然缝隙很小，但在室外使用时，雨水等仍然会通过缝隙渗入室内。因此，国外标准要求间隙必须在DTI周围涂抹丁腈橡胶漆以密封间隙。为了省略这一步，使安装更加方便，我们还测试了ACW和平垫圈的组合结构（图8）。高强度螺栓连接副中的平垫圈和ACW组合在一起，并有一个额外的非金属垫片代替涂漆
丁腈橡胶涂层。
4 测试数据
4.1 紧固轴向力及标准偏差
采用M30高强螺栓连接副与ACW组成的试样进行紧固轴向力测试。得到的几组测试数据如表1所示。
对于高强度螺栓连接副的拧紧轴向力，我国国家标准GB3632-2008[6]规定，对于M30规格，平均拧紧轴向力的公称值、最小值、最大值分别为391 kN，分别。 355 kN、430 kN，紧固轴向力标准差≤35.5kN。从表1可以看出，拧紧轴向力平均值在391～426 kN范围内，拧紧轴向力标准差在13.7～18.6 kN范围内，满足国家标准。
关于高强度螺栓连接副的紧固轴向力变异系数，旧版行业标准JGJ82-91[7]规定，对于规格M16至M24，紧固轴向力变异系数不应大于10%。从表1可以看出，变异系数在3%~5%之间，≤10%。
4.2 紧固轴向力随时间的变化
高强螺栓连接副的拧紧轴向力在拧紧后一定时间内会略有下降，俗称拧紧轴向力损失。宝钢无缝钢管厂对高强螺栓预紧力松弛情况进行了实测[8]。结果如图9所示。图中拧紧轴向力为10个螺栓的平均值。从图9可以看出，拧紧轴向力在前30天内迅速减小，然后变慢并最终稳定。紧固轴向力初始值为287.7kN，1天后降至284.8kN（下降1.0%），32天后降至279.7kN。
kN（减少2.8％），49天后降至278.7kN（减少3.1％），354天后降至276.5kN（减少3.8％）。 79天后（降至278.0 kN，下降3.4%），拧紧轴向力缓慢下降钢结构高强度螺栓连接的设计 施工及验收规范，最终趋于稳定。
采用ACW的M30高强螺栓连接副，紧固轴向力损失如图10所示。紧固轴向力初始值为412.5kN（2015年4月19日13时40分测试）；当日15:00、17:00，拧紧轴力分别降至411.5kN、410.7kN。 2015年4月20日起，早上8点读取紧固轴力值（4月30日、5月1日、23日、24日、6月6日、7日不记录记录）。 2015年4月20日紧固轴向力为408.1kN。图中最后一点是2015年6月9日的拧紧轴向力，为402.6 kN。审判仍在进行中。
从图10可以看出，采用ACW的高强螺栓连接副的拧紧轴向力在前10天迅速下降，随后变慢并趋于稳定。拧紧轴力在前18小时内下降了1.1%，从4月20日起的25天内下降了0.99%，从5月15日起的25天内下降了0.33%，表明拧紧轴力下降越来越慢。在进行了 51 天的测试期间，紧固轴向力的总损失为 2.4%（在图 9 中，49 天后紧固轴向力的损失为 3.1%）。对比图10和图9数据可以看出，采用ACW的高强螺栓连接副的紧固轴向力损失与常规高强螺栓连接副的紧固轴向力损失相当。
5 结论
所研发的具有自主知识产权的自动控制垫圈ACW，采用“以力控力”的控制原理和采用“超薄传感器”的施工方法，使得高强螺栓连接副的施工基本正确、可靠、简单方便。测试结果表明，螺栓紧固轴力的平均值、标准差或变异系数均满足或超过标准要求，且螺栓紧固轴力随时间的变化较小。
目前，我们还在进行进一步的实验，比如增加检测条的数量，适当改变突起的形状，使螺栓预紧力更加准确，施工更加方便。
总之，ACW的应用不仅为我国高强螺栓连接副增添了一种新的施工方法，而且促进了大尺寸高强螺栓连接副和热镀锌高强螺栓连接副的开发和应用。我国螺栓连接对。
致谢：上海申光高强度螺栓有限公司提供试验条件并协助试验。作者表示衷心的感谢。
参考
[1] JGJ82-2011《钢结构高强度螺栓连接技术规程》。北京：中国建筑工业出版社，2011
[2] TurnaSure公司网站，
[3] ASTM F959M – 13《可压缩垫圈式直接张力指示器标准规范》
适用于结构紧固件（公制）》
[4] ASTM F2437-14《碳钢和合金钢可压缩垫圈型标准规范》
适用于有头螺钉、螺栓、锚栓和螺柱的直接张力指示器》
[5] EN 14399-9-2009“螺栓和螺母组件的 HR 或 HV 直接张力指示器系统”
[6] GB3632-2008《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副》。北京：中国标准出版社，2008
[7] JGJ82-91《钢结构高强度螺栓连接设计、施工及验收规范》。北京：中国建筑工业出版社，1991
[8]曾元和. 20 20MnTiB扭剪型高强螺栓预紧力松弛——宝钢无缝钢管厂屋架连接实测。工业大厦、
1993（4）：21-26
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