摘要：高强螺栓连接是钢结构施工中重要质量控制环节和重点工序，其连接质量直接影响结构的受力状态和结构安全性。同时，其具有施工简单、受力性能好、可拆换、耐疲劳、成本低、受环境温度影响较小以及在动力荷载作用下不致松动等优点，在现代施工中应用越来越广泛。如：工业厂房、石化和电力工程、民用高层建筑、桥梁以及大跨度空间钢结构都普遍使用高强度螺栓连接。
关键词：高强螺栓；钢结构施工；质量控制；结构安全性；动力荷载
引言：
工业钢结构施工过程中高强螺栓连接施工技术已较成熟，高强螺栓作为钢结构重要的连接设备，安装与检测是施工过程中必不可少的重要环节，其连接质量直接影响结构的安全性。工程施工使用前应对高强螺栓连接副预拉力检验、连接摩擦面抗滑移摩擦系数检验和复检，确定初拧及终拧扭矩值，确定紧固顺序和安装方法，熟悉高强螺栓施工工艺流程，并严格按工艺流程进行施工。本文结合工程实践，以10.9级扭剪型高强螺栓连接开展论述。
1、扭剪型高强螺栓概念解释
不少工程人员错误认为扭剪型高强度螺栓是摩擦型的，而大六角高强度螺栓是承压型的。高强度螺栓在生产上全称叫高强度螺栓连接副，一般简称为高强螺栓。按其受力形式主要分为大六角高强度螺栓和扭剪型高强度螺栓，目前我国采用8.8级、10.9级两种强度性能等级的高强螺栓，扭剪型高强度螺栓只在10.9级中使用。扭剪型高强螺栓是在大六角普通高强螺栓的基础上发展起来的，它的力学性能和紧固后的连接性能与普通高强螺栓完全一样，区别仅是外形与施工方法不同。扭剪型高强螺栓的螺头与铆钉头相仿，螺尾多了个梅花卡头和一个能控制紧固扭矩的环形切口，在螺栓连接组成上，较普通高强螺栓少一个垫圈，这是因为扭剪型高强螺栓的螺头本身具有垫圈的功能（如图所示）。在施工方法上，普通高强螺栓的紧固力矩用施工扳手控制，而扭剪型高强螺栓的紧固力矩是由螺栓本身的环形切口的扭断力矩来控制的，所以它是一种自标量螺栓。工程结构设计中高强螺栓直径一般有 M16/M20/M22/M24/M27/M30，不过M22/M27为第二选择系列，正常情况下选用以M16/M20/M24/M30为主。
2、扭剪型高强螺栓紧固及原理
扭剪型高强螺栓的紧固是用一种特别的专用电动扳手进行的，扳手有内、外 两 个 套筒，紧固时内套筒套在梅花卡头上，外套筒套在螺母上。紧固螺母时产生的反力矩通过内套筒由梅花卡头来承受。电动扳手使内、外套筒形成大小相等，方向相反的一对力偶，由扳手自身平衡。螺栓切口部分承受纯扭矩，当加于螺母的扭矩达到切口处的断裂 力矩时，切口被扭断，紧固即完成（如图所示）。实质上扭剪型高强螺栓的紧固是在螺母上施加了一个紧固力矩，其大小由切口处的扭断力矩所控制，而普通高强螺栓这一扭矩是由扭矩扳手控制的。由材料力学可知，切口处的扭断力矩 Mb 由下式决定：
Mb=Wτb=πd3/16τb
式中 W ———切口处的断面系数；
τb ———扭转强度极限，kgΠ2mm
d ———切口处的底径，mm。
由上式可知，要使每种规格的高强螺栓能保持稳定的紧固力矩，必须使高强螺栓材料具有一稳定的τb 值，以及较密的切口直径 d，这二个指标均需由制造高强螺栓时的热处理工艺及加工质量来保证，由紧固高强螺栓时的紧 固力矩而导致高强螺栓的轴向力由下式决定：
Mb = KDP
式中 K ———扭矩系数；
D ———高强螺栓公称直径，mm；
P ———由紧固力矩导入螺栓杆中的轴力，t；
Mb———高强螺栓的紧固力矩（即扭剪型高强螺栓切口处的扭断力矩）。
1 —12 角卡头；2 —破断沟槽；3 —螺栓；
4 —螺母；5 —垫圈；6 —钢板；7 —钢板；
8 —紧固机械外套筒；9 —紧固机械内套筒
扭剪型高强螺栓的扭矩系数是通过用同批螺栓、螺母及垫圈抽样试验测定的，它是通过给螺母施加紧固力矩来控制导入螺栓轴力的参数。从上式可见，当导入螺栓的轴力 P为定值时，Mb 的大小与扭矩系数K成正比。在高强螺栓连接中，标准预拉力是紧固螺栓的目标值，且误差不大于±10 %。因此对一批扭剪型高强螺栓来说，首先要求扭矩系数 K 离散性要小，否则无法用切口处断裂扭矩来控制导入螺栓轴力的大小；其次是希望扭矩系数要小，在操作紧固螺栓时可以省力。极限滑动承载力 N 由下式确定：
N = nmfp
式中 N ———滑动极限承载力，t；
n ———传递 N 力的螺栓数目；
m ———摩擦系数；
f ———螺栓摩擦面数；
p ———高强螺栓预拉力，t。
从上式看出，高强螺栓连接的承载力与摩擦系数成正比，所以应尽量提高摩擦面的摩擦系数，以提高连接效率、减少接头尺寸、减少螺栓个数。要提高摩擦系数，则必须对摩 擦面进行不同的工艺处理，钢结构设计规范（GBJ 17 —88）规定了摩擦面的处理方法及摩擦系数的取值。
3、扭剪型高强螺栓施工工艺
4、扭剪型高强螺栓工程应用中的优点
（1）施工简单，易保证质量
扭剪型高强螺栓的紧固扭矩、紧固轴力是由制造厂预先设计的，其紧固质量不受工具和人为因素的影响，只要按一定施工顺序即可，而不会造成超拧或紧固不足的情况。
（2）检查直观，不会漏拧
扭剪型高强螺栓的螺尾梅花头断掉后，说明紧固完毕，可直观检查；普通高强螺栓紧固后，还要进行抽样检查紧固状态，费时费工。
（3）扭剪型高强螺栓在紧固时，由于梅花头承受相反方向的力矩，所以螺栓中很少有扭转剪应力产生，螺栓基本承受轴向力，处于一种简单应力状态下工作；普通螺栓在紧固时，螺栓中产生轴力的同时还由于螺栓螺纹间的摩擦力在螺栓中产生扭转剪应力，使螺栓处于一种复杂应力状态下工作，所以在同一条件下扭剪型高强螺栓比普通高强螺栓的受力性能好。
（4）扭剪型高强螺栓紧固时不会转动，一人即可操作，当采用电动扳手时，可减轻劳动强度；普通高强螺栓紧固时会产生转动，需二人配合施工，并且劳动强度大。
5、扭剪型高强螺工程应用中注意事项
（1）扭剪型高强螺栓的正常工作核心是依赖于扭矩系数 K 的稳定，要求离散性小，这取决于制造工艺的稳定，施工中要精心保管，避免污染及损害螺纹；
（2）高强螺栓一经紧固完毕，就达到最大应力状态，并基本保持不变，不因构件外力变化而变化，因此在选择螺栓时要严格按要求进行检测，确保施工中使用的螺栓满足要求。
6、小结
扭剪型高强螺栓在施工中应针对性的制定施工工艺和质量控制措施，明确施工方法和工艺流程；施工前应按设计标准预拉力确定初、终拧扭矩值，对紧固工器具进行检测和标定，做好高强度螺栓连接的各项复检试验。只有按上述要求做好各环节工作，才能有效保证结构安装质量。
参考文献：
[1] JGJ82-2011《钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程》，中冶建筑研究总院主编，2011年10月1日施行；
[2] GB50205-2001《钢结构工程施工质量验收规范》，中华人民共和国建设部主编，2002年3月1日实行；
[3]《高强螺栓松动原因分析》，作者：王宗瑜，孙瑞瑞，孔祥伟，等，2009年7月发表于《山西建筑》第20期第35卷。
[4] 《钢结构》，陈绍蕃主编 中国建筑工业出版社
论文作者:丁士华
论文发表刊物:《基层建设》2017年第24期
论文发表时间:2017/12/6
标签：螺栓论文; 紧固论文; 力矩论文; 扭矩论文; 切口论文; 摩擦系数论文; 钢结构论文; 《基层建设》2017年第24期论文;