談預制鋼結構高強螺栓直接張力指示器緊固法

王 東

(中化二建集團有限公司，山西 太原 030006)

預制鋼結構高強度六角螺栓直接張力指示器緊固法是在高強螺栓緊固時采用的一種特殊墊圈。該墊圈就像一個特殊的小型稱重計，在螺栓緊固過程中測量螺栓拉力。當螺栓緊固到螺栓最小預拉伸力1.1 倍～1.2 倍時，直接張力指示器內部的硅氧樹脂會噴出，表明該螺栓已緊固到位。該方法完全不存在扭矩對拉伸力的影響，不會發生螺栓漏緊，安裝工人只需目測就能判斷螺栓是否緊固到位。這是到目前為止，預制鋼結構高強度螺栓緊固的最簡單方法。

1 概述

在安裝預制鋼結構的過程中，六角高強螺栓的預拉伸力是衡量螺栓連接可靠性的重要指標，為了使高強螺栓達到所需要的預拉伸力，目前國內普遍采用的螺栓緊固方法是轉角緊固法和力矩緊固法。以上兩種方法都不能直觀反映螺栓的預拉伸力，而且施工質量不易控制。本文根據在沙特阿美火炬改造項目中鋼結構安裝的實際施工經驗以及國外工藝標準的要求，指出轉角法和力矩法存在的缺點，淺述直接張力指示器緊固法的施工工藝，并與另外兩種方法進行比較，突出該緊固法的優勢所在。

2 轉角緊固法

2.1 轉角法概述

轉角緊固法是通過螺栓的伸長量來確定螺栓的預拉伸力，而螺栓的伸長量則由螺帽的轉角角度來判斷。轉角法需先將螺栓擰緊到“密貼”狀態，消除板疊縫隙和變形的影響，然后在此基礎上，通過將螺帽旋轉一定角度來對螺栓施加預拉力，此時螺帽旋轉角度等同于對螺栓施加軸向伸長量。

2.2 工藝缺點

1)“密貼”狀態不易控制。螺母轉角量跟螺母與鋼板間以及鋼板與鋼板間接觸的緊密程度有極大的關系。接觸松，則旋緊螺母所需的轉角量增大;接觸緊，則旋緊螺母所需的轉角量減小。因此，在采用轉角法之前，必須先將螺帽旋緊至一定的緊密程度，然而因在實際安裝中由于擰緊工況的不同、螺栓質量的差異、連接副接觸面的不平整以及氣候變化等因素的影響，“密貼”狀態并不容易控制。

2)易出現過擰或欠擰問題。轉角法需先將螺栓擰緊到“密貼”狀態，然而由于“密貼”狀態的不易控制，會造成一個連接副上的螺栓拉伸力不盡相同，在這種情況下對螺母施擰相同轉角量，勢必造成拉伸力大的螺栓過擰，而拉伸力小的螺栓欠擰。螺栓的過擰和欠擰都會造成連接副的摩擦力不夠而最終導致整體結構的不穩定。

3)檢驗程序繁瑣。轉角法緊固螺栓過程中需進行如下檢驗:

a.核實所有連接副的預安裝已完成;b.檢查連接副達到“密貼”狀態;c.檢查并標記連接副螺栓的初始狀態;d.檢查并標記螺栓的終擰狀態;e.見證安裝工人用轉角法緊固螺栓的整個過程。

3 力矩緊固法

3.1 力矩法概述

力矩緊固法是通過使用專用的力矩扳手對高強螺栓的螺母施擰，令其旋轉并向螺栓方向緊固來壓緊連接副，最終達到將擰緊力矩轉化為螺栓的預拉力的目的。與轉角法一樣，力矩法也要在連接副達到“密貼”狀態時才能進行，否則將導致螺栓的拉伸力不足和接頭松動。

3.2 工藝缺點

1)影響扭矩和張力關系的變量多。當使用扭矩控制安裝方法時，影響扭矩和張力關系的變量很多，以下任何一個因素都會引起扭矩和張力關系的變化，如:a.螺栓和螺母螺紋的精密度和偏差;b.潤滑的統一性、程度和狀況;c.車間或工作位點的條件影響到灰塵、污垢或者螺紋的腐蝕;d.在旋轉元件(螺母面和螺栓頭的支撐面)和支撐表面之間存在一定程度可變的摩擦;e.由于氣路長度或者從同一氣源操作的扳手數量導致的擰緊扳手的氣源參數的可變性;f.扭矩扳手的狀況、潤滑和電源，可能在工作輪班中改變;g.任何扳手對于所使用扭矩水平的敏感和反映的性能的重復性。

2)緊固扳手校正頻率高。力矩法所使用的氣動扳手必須每天進行力矩校正，而且在安裝過程中發生以下任何一種情況時還需重新進行校正:a.當緊固套件的任何零件的批次被更換;b.當緊固套件的任何零件的批次被重新潤滑;c.當螺紋、螺母或者墊片的表面條件的重大差異被發現;d.當扳手的任何零件包括潤滑、軟管和氣源發生改變。

3)檢查工程量大，費時費工。力矩法緊固完成的螺栓需逐個進行力矩檢查，工程量大，而且操作力矩扳手需要安裝工人配合，費時費工。

4 直接張力指示器緊固法

4.1 直接張力指示器緊固法的操作過程

1)直接張力指示器驗證。a.在開始安裝前，直接張力指示器需使用張力校驗器進行驗證。b.將螺桿、螺母、直接張力指示器及平墊片裝入張力校驗器。在5 s～10 s 時間內，使用扳手將螺栓緊固到其最小預拉伸力的1.1 倍～1.2 倍。c.一旦緊固到位，觀察直接張力指示器的外觀、硅樹脂流出量以及指示器底部周圍噴射出硅樹脂的點數。指示器周圍噴射出硅樹脂的點數不少于指示器接觸面凸起數減一，例如指示器有5 個凸起，那就至少要在周圍4 個點處噴射出硅樹脂。重復這個實驗數次并從視覺上清楚螺栓緊固到位必須噴射出多少硅樹脂。最后，可以將張力校驗器的指示表盤蓋住，緊固螺栓直到目測認為張力指示器噴射出的硅樹脂量達到要求后停止，然后掀開檢查張力校驗器所示的預拉伸力是否達到。

2)ASTM F436 墊圈的使用。當使用直接張力指示器緊固法時，應按如下要求使用ASTM F436 墊圈:a.當螺母被轉動，直接張力指示器位于螺栓頭下方時，應在螺母下方使用ASTM F436 墊圈。b.當螺母被轉動，直接張力指示器位于螺母下方時，應在螺母和直接張力指示器之間使用ASTM F436 墊圈。c.當螺栓頭被轉動，直接張力指示器位于螺母下方時，應在螺栓頭下方使用ASTM F436 墊圈。d.當螺栓頭被轉動，直接張力指示器位于螺栓頭下方時，應在螺栓頭和直接張力指示器之間使用ASTM F436 墊圈。

3)初擰階段。按要求正確裝配好螺栓連接副，將所有螺栓初步擰緊到“密貼”工況。要確保直接張力指示器未被壓縮到“密貼”狀態。“密貼”初擰從連接剛性最大的部分開始系統地進行。

4)終緊階段。對所有螺栓繼續施加緊固力矩，直到大量的硅樹脂從指示器底部周圍噴射出。緊固過程中，注意觀察指示器周圍噴射出硅樹脂的點數(幾處)，直到點數達到驗證數量后再停止緊固。最終緊固從連接剛性最大的部分開始系統地進行，這樣可以使原來張緊的螺栓的松弛最小化。

4.2 與轉角法和力矩法比較

1)安裝工序簡單，效率高。直接張力指示器緊固法不存在力矩法中對扳手的頻繁校正，也省去了轉角法轉角前的標記和檢查。該方法對工人技術水平要求低，安裝工人只需用氣動扳手將螺栓緊固到張力指示器噴射出硅氧樹脂即可。檢查員只要檢查噴射出的硅氧樹脂狀態便可知曉螺栓緊固是否合格。

2)不會發生“漏擰”和“重復擰”。直接張力指示器緊固法以張力指示器噴射出硅氧樹脂為合格，噴射出的硅氧樹脂會凝固在指示器周圍，是螺栓緊固合格后必然生成的醒目標識，不存在人為疏漏造成的漏標和錯標，從而也不會發生“漏擰”和“重復擰”，能有效保證安裝質量。

3)檢查簡便直觀，不需使用工具和標記。直接張力指示器緊固法的檢驗根據張力指示器周圍噴射出硅氧樹脂的點數判斷，以點數不少于指示器接觸面凸起數減一為合格。該法的檢驗方法為目測，不需要使用檢驗工具和檢驗標記，也不需要安裝工人配合，省時省力。

5 結語

轉角法和力矩法施工工藝復雜，工作效率低，而且施工質量不易控制，實際應用中對安裝工人的技術水平和實際經驗要求較高。直接張力指示器緊固法較以上兩種方法具有工藝簡單、效率高、安裝質量易控制等優點，在工程實際應用中進度快、質量好，適合大規模預制鋼結構的集中安裝。我相信，隨著我國工程建設技術的不斷發展，直接張力指示器緊固法會很快普及到今后的預制鋼結構安裝工程中。

［1］Specification for Structural Joints Using ASTM A325 or A490 Bolts，Research Council on Structural Connections，2004.

［2］Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts，Research Council on Structural Connections，2009.

［3］GB 50205—2001，鋼結構工程施工質量驗收規范［S］.