摘要：控制扭矩法作为一种传统的紧固方法，从高强度螺栓连接开始使用发展至今。高强度螺栓作为一种高强度钢材，没有明显的屈服点，拧紧时的屈服强度和抗拉强度都要比纯张拉试验中的低，这些都可以通过螺栓拧断试验加以验证。...
摘要：在土木建筑钢结构和路桥建设工程中，控制扭矩法和螺母角度法是目前紧固件安装工程中最常用的两种方法。 与控制扭矩法不同，螺母角度法是一种位移控制方法，操作和检查都比较简单。 本文分析了高强螺栓拧紧时的力学性能以及不同拧紧方式的拧紧原理，并重点对8.8级和10.9级M20、M24高强螺栓的拧紧工艺进行了实验研究，并得到了不同类型高强螺栓在拧紧过程中的扭力-拉力关系和轴向力-转角关系。 最后总结了达到高强螺栓所需预拉力所需的螺母旋转角度值，并对螺母的极限旋转角度能力进行了分析，为建立高强度螺栓的紧固要求提供了依据和建议。螺母旋转角度法。
0 前言
目前，我国应用最广泛的高强螺栓分为大六角高强螺栓和自标扭剪高强螺栓。 扭剪型高强螺栓不在本研究范围内。 本文涉及的高强度螺栓均指大六角型。
控制扭矩法作为一种传统的紧固方法，自高强度螺栓连接出现以来就已发展起来。 由于扭矩系数的离散性缺点，人们对扭矩系数的控制进行了大量的研究工作。 与此不同的是，北美在前期就改变了思路，开始推广使用螺母角法。 经过很多实际项目的验证，有很多自身的优点。 例如，不需要专门的固定扭矩扳手或电动扳手。 非常适合边远落后地区。 也适用于结构中不方便放置安装机械的位置； 建设目标直观清晰、易于检查等。
本研究采用理论分析与实验结果相结合的方法。 一方面从理论上分析了高强螺栓在拧紧过程中的各种性能； 另一方面考察强度等级、螺栓夹紧长度、螺栓直径、连接副表面处理状况、被紧固板的刚度等因素对高强螺栓紧固性能的影响。通过比较各种测试
记录结果并探讨不同因素的影响。
1 紧固原理分析
控制扭矩法是根据力偶平衡条件推导扭拉关系方程，从而确定扭转扭矩的大小，进而得到扭矩系数k的表达式。 螺母角度法的拧紧原理是根据螺栓轴向力的平衡条件推导出载荷-位移关系方程。 该关系表达了螺母角度和由角度刚度确定的螺栓预紧力之间的关系。 根据理论分析，可以得到理想的轴向力-转角关系。
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。 确定螺栓预拉力大小时，必须考虑螺栓的屈服强度、极限强度、蠕变和松弛，以及拧紧螺栓时螺栓轴向力的偏差。
1. 2. 控制扭矩法紧固原理
拧紧时施加在螺母上的扭矩Mk可表示为：
Mk = K·d·P (1)
式中：P为拧紧时的预紧力，d为螺栓公称直径。 我们称K为扭矩系数，它代表施加于螺母的拧紧扭矩Mk与引入螺栓的轴向预紧力P之间的比例系数。 从上述关系式可以看出，紧固预紧力的分散程度与扭矩系数的分散程度密切相关。
为了提高连接效率，需要增大螺栓的预紧力。 图1显示，在Y点以下，拧紧扭矩与螺栓预紧力之间存在线性关系，但在Y点以上则不存在线性关系。 图1中，当将扭矩a视为拧紧扭矩时，随着扭矩系数的偏差，预紧力也会发生偏差，但螺栓的伸长率几乎没有变化钢结构螺栓公司，因此可以获得相对稳定的预紧力。 然而，当使用扭矩b作为拧紧扭矩时，螺栓的伸长量相当大，在最坏的情况下，可以达到破坏的程度，如图1中的M点所示，这使得螺栓无法拧紧。获得稳定的预紧力。 为了获得尽可能大的预紧力，在采用控制扭矩法时，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。 Y点以下的最大预紧力应作为控制预紧力[1]。
1. 3. 螺母角法拧紧原理
螺栓预紧力可表示为：
P=KRＲ·θ (2)
式中，KR表示弹性阶段螺栓预紧力与螺母旋转角度的线性关系，称为角刚度。
采用螺母角度法时，螺母角度与轴向力的关系如图2所示。至少初始拧紧应超过A点，即达到直线部分。 此点相当于连接板的紧密接触状态。 初始拧紧指定为测量角度。 的起点，最终拧紧超过Y点，到达塑性区。 获得的螺栓轴向力受旋转角度误差的影响较小。 因此，旋转角度法与扭矩法最大的区别在于，扭矩法是基于AY的，如前所述。 以AY之间靠近Y的点为标准。 角度法采用YM之间的点力误差相当大，而YM之间相同螺母角度误差得到的螺栓轴向力的变化却很小。 并且与扭矩法相比，旋转角度法不受扭矩系数的直接影响[2, 3]。
1. 4 影响高强螺栓轴向力-转角性能的因素
轴向力-转角曲线的形状取决于多种因素，如螺栓长度、夹紧长度（握距）、润滑状态、螺栓材料硬度、检测设备等。 上述任何一个因素都可能影响高强螺栓的拧紧性能。 [5]。
2 测试概述
本研究进行了三种主要类型的实验：
1）在电气轴向力-扭矩复合检测仪上进行高强度螺栓扭矩-轴向力-转角性能测试[4]；
2）电气轴向力-扭矩复合检测仪上的高强度螺栓扭转试验；
3）抗滑移钢板试件的高强螺栓扭矩-轴向力-转角性能试验。
类型1）的试验过程是首先对螺母施加100N·m的初始拧紧扭矩，然后记录30°内的轴向力和扭矩值作为螺母旋转角度增量。 试验中拧紧螺栓时使用的扳手为普通2000N·m级手动扭矩扳手。 测试的方式基本与现场施工时工人手动拧紧螺栓的方式相同（图3）。
2）型试验中，记录了拧紧直至螺栓失效的全过程，以检验高强度螺栓的拧紧性能和螺母极限旋转能力。 高强度螺栓作为一种高强度钢材，没有明显的屈服点。 紧固时的屈服强度和拉伸强度低于纯拉伸试验的结果。 这些可以通过螺栓扭转试验来验证。 高强螺栓拧紧时的失效模式有哪些，螺栓断裂时的失效模式也是本研究关注的问题。
型式3）试验考虑到在电动轴力测量仪上进行的螺栓拧紧试验与板束上螺栓的实际拧紧状态存在一定差异，不能全面反映板束范围内的刚度。握距。 因此，约束钢板上的螺栓拧紧试验结果需要作为轴力计上结果的对比和参考（图4）。
3 测试结果与分析
3． 1 第一次扭转
在螺栓的实际拧紧过程中，轴向力需要增加到一定的大小，才开始与螺母的旋转角度值成正比。这是因为在开始时，由于连接面板的平整度不同以及不够贴合，
因此，拐角测量起点的选择非常重要。 在美国，紧贴紧状态（Snug Tight）被用作初次拧紧的终点和最终拧紧的起点，这也是测量螺母角度的起点。 紧密接触状态对螺母角度法的有效性影响很大。 当螺栓首次拧紧至紧密接触状态时，只有达到所需预紧力规定的螺母旋转角度时才适用。
美国规范中“完全拧紧”的初始拧紧要求对于其M20螺栓似乎是合适的。 这是因为美国高强螺栓产品的扭矩系数比较大。 本试验证明钢结构螺栓公司，对于扭矩系数较大的连接副，需要增大初始拧紧扭矩才能满足紧配合状态下的预紧力要求。 这方面的具体内容将在下一节中介绍。 紧固件的表面状况对初始拧紧扭矩有很大影响。 当扭矩系数比较分散时，相同的初始拧紧扭矩可能会导致不同的紧密接触状态，需要特别注意。
3． 2 角刚度
当高强度螺栓连接达到“紧密接触状态”时，螺栓轴向力的增加开始与螺母旋转角度的增加呈线性相关，直至连接局部屈服。 上一篇文章中的公式（2）从理论分析中提出了角刚度KR的概念。 图 5 和图 6 显示了本次测试中记录的数据。 通过分析，得出结论：
1）高强螺栓的角刚度KR与紧固件表面处理无明显关系；
2）高强螺栓的角刚度与螺栓直径有关。 螺栓直径越大，拧过相同角度时轴向力增加得越快。 M24的KR比M20高50%左右。
3）高强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值影响不大；
2）10、9级螺母角度值为8。8级较大；
3）M20和M24没有明显区别。 在指定螺母旋转值要求时，可以忽略螺栓直径的差异。 对于超大直径螺栓，需要进行特殊试验来确定螺母旋转角度值[6]；
4）试验时螺栓螺纹外露量基本控制在0～2圈，相当于同长度螺栓的最大握距。 即使在这种情况下，对于较短的螺栓长度，轴向力也会很快增加。 螺母旋转角度方法控制误差范围±30°。 因此，对于短螺栓，可以适当考虑减小螺母旋转角度值的要求，也能满足预紧力要求。在实际操作中，螺杆
螺栓的长径比仍然是必须考虑的问题。
3． 4 极致的转弯性能
采用螺母角度法拧紧螺栓时，允许进入塑性区。 因此，检验高强螺栓连接的极限角度性能，是为了保证拧紧螺栓时有足够的安全储备。 相关研究结果表明，对于抗拉强度等级在1000MPa以上的高强度合金钢材料制成的高强度螺栓，需要增大螺母旋转角度值并考虑紧固件的极限旋转角度性能[6]。
图7为10.9级M20×70螺栓的轴向力-转角全过程曲线。 可见，螺栓拧紧时的最大强度基本上等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屈服了，但没有明显的屈服点。 拧紧至保证载荷时螺母的旋转角度为200°，拧紧至最大轴向力时螺母的旋转角度为430°。 这说明高强螺栓在达到最大轴向力之前，仍然需要依靠较大的旋转量。 而且，螺栓轴向力在塑性阶段缓慢增加，因此超过屈服点的预紧力是螺母角度法的基本目标。
高强度螺栓拧紧时的损坏一般有两种：螺母滑扣损坏和螺栓扭断损坏。滑扣失效是由于螺母螺纹处屈服，导致螺纹啮合失败造成的； 扭断破坏的断裂形式与拉伸破坏模式类似，通常会出现比较明显的颈缩，但不同的是，螺栓扭断时断裂位置一般位于靠近螺母轴承的螺纹处表面侧，并且是由于
在扭剪和拉力的共同作用下，断裂面一般为斜面（图8）。
4 结论与建议
4． 1 主要结论
通过本课题的研究工作，得出的主要结论是：
1）不同表面处理的螺栓弹性阶段轴向力-转角关系基本相同。 螺母旋转角度法不需要控制扭矩系数。
2）张紧板束刚度越大，弹性范围内螺栓轴向力-转角曲线的斜率越大。 被拧紧板束刚度的增加，也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）螺栓的夹紧长度（握距）越大，达到所需预紧力所需的螺母旋转角度也越大。 减小夹紧距离会降低螺栓的极限拐角性能。
4）考虑到螺栓和板的刚度，提出角刚度KR的概念。 角刚度是螺栓轴向力-旋转角度关系的直接决定因素，它综合了螺栓和板束刚度的影响。
5）从紧密接触状态到施工所需预拉力值所需的螺母旋转角度值受强度等级影响较大。 如果以120°作为最终拧紧螺母旋转角度值，对于长径比小于4的螺栓，对于8级8级螺栓可以在塑性区域获得稳定的预拉力，而对于10级9级螺栓预拉力仍可能为在弹性区。
6）从紧密接触状态到施工所需预拉力值所需的螺母旋转角度值受螺栓直径变化影响不大，但应用于超大直径螺栓时需通过实验确定。
7) 螺栓拧紧时的极限转角性能与多种因素有关。 当考虑最小握距和最大板刚度条件时，螺栓的极限旋转能力也超过一圈，螺母旋转方式拧紧具有足够的安全性。
8）拧紧过程中螺栓的屈服强度和最大强度均低于纯拉伸试件，伸长率也会下降。 螺栓扭转造成的损坏不同于纯拉伸损坏。 这是剪切损伤。 一般发生在螺母承压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) 初次拧紧时可采用恒扭矩法。 初紧扭矩可按公式0计算。采用13×初紧预紧力×螺栓公称直径的方法计算。 对于扭矩系数不合格的连接副，可通过校准试验修正初始拧紧扭矩。
2）对于长径比小于4的8.，对于8级螺栓，最终拧紧角度要求120°是没有问题的。 并为 10． 对于9级螺栓，由于拧紧120°后预紧力仍处于弹性阶段，因此需要在初拧充分的基础上谨慎操作，避免最终拧紧预紧力偏差过大，甚至拧紧不足。 本文建议长径比小于8。对于9级螺栓，最终拧紧角度值为180°。
3) 对于高强比大于4且小于8的高强度螺栓，采用最终拧紧角度值为180°。 对于8.8级和10.9级高强螺栓可以获得相对稳定的最终拧紧预紧力，与长径比小于4的螺栓相比，其安全储备充足，180°控制也非常直观并方便施工作业。
4）与扭矩法施工前的扭矩系数试验类似，角度法施工前应考虑进行螺母旋转性能验证试验，以保证同批次螺栓的轴向力-旋转角度关系的一致性。
4． 3 进一步研究的建议
1）本项目中热镀锌螺栓和达克罗螺栓的极限角性能没有达到，因为最大扭矩超出了试验设备所能提供的2000N·m范围。 未来可以在更完善的专用测试设备上进行测试和分析。 国外相关研究数据表明，经过表面处理的螺栓（特别是热镀锌螺栓）在受拉性能和拧紧性能方面与普通螺栓有很大不同。
2）本次试验所用螺栓在出厂前处于原始润滑状态，未经过任何处理。 在未来的研究中，一方面，我们可以考虑模拟黄油或其他施工中常用的润滑方法的应用。 另一方面，我们也可以对工厂的原装螺栓进行风化或生锈处理。
3）对于实际施工中可能存在的厚板或多层板，需要更有针对性的测试分析。 如果条件允许，我们希望在更多的设备或不同刚度的板束上进行高强螺栓的拧紧实验。
4）在今后的研究中，可以考虑使用楔形垫圈进行测试，以进一步考察被连接件表面不垂直于螺栓轴线时的紧固性能。 当连接部件为轧钢且不使用楔形垫圈时，这具有实际意义。
5）在本研究中，我们尝试使用有限元分析软件来模拟螺栓拧紧过程，但结果并不理想。 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，单元数量较多，增加了接触分析的难度。 不过，通过尝试，作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，使高强螺栓拧紧过程的性能研究在模拟计算环节得到提高。
参考
[1] 日本钢结构协会联合小组委员会编制。 高强度螺栓组合［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，陈露茹，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． 高强螺栓的安全性［J］． 桥梁建设，1996 年。
[4]陈达进. 高强度螺栓轴向力电测技术[J]． 工程技术与管理。 1996年。
[5] 迈克尔·J·吉尔罗伊，卡尔·H·弗兰克。 高强度公制螺栓紧固［M］． TX-97/2958-1F，1997 年。
[6] 库拉克·杰弗里·L、费舍尔·约翰·W、斯特鲁克·约翰·哈。 螺栓铆接设计准则导则［S］． 美国钢结构协会，2001 年。
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