淺談改良型直接壓力指示墊圈在鋼結構工程中的應用

范小龍 袁亞南

【摘 ?要】本文在對直接壓力指示墊圈及改良型直接壓力指示墊圈的發展過程、優點對比及標準依據等方面進行簡介的基礎上，探討了改良型直接壓力指示墊圈在鋼結構工程中的應用前景。經過與傳統高強螺栓緊固方法的對比，充分展示了改良型直接壓力指示墊圈在大型鋼結構工程施工中的優勢，為今后大型鋼結構工程施工提供良好的參考。

【關鍵詞】直接壓力指示墊圈;鋼結構;DTI

一、前言

現代建筑施工中鋼結構變得越來越常用，大型及特大型建筑采用鋼結構形式越來越普遍。而螺栓連接由于其靈活、快速、高效等特征成為鋼結構工程施工中最常用的連接形式。根據結構力學理論，螺栓預緊力才是夾緊鋼構件的有效力量。施工中出于對便于測量的考慮，不對螺栓拉力進行測量，而是通過試驗或計算將規定拉力值轉換為螺栓的扭矩值，通過測量螺栓的扭矩值對螺栓緊固情況進行控制。但使用扭矩值作為評價螺栓是否正確緊固的依據又受到諸多因素的影響而不能在實際執行中達到高質量的預期效果，例如：器械的精度、工人技術水平的差異以及污垢、鐵銹、濕氣、螺紋精度不佳或受損等環境因素的影響。使用直接壓力指示墊圈可以很好的避免外界因素對螺栓緊固情況的干擾，保證比較高的緊固精度。

二、直接壓力指示墊圈的產生及應用

直接壓力指示墊圈，又名直接張力指示器，英文名為DTI，是Direct Tension Indicator的縮寫，直譯為直接拉力指示器。其基本原理是通過墊圈上的凸塊來抵抗和指示螺栓的壓緊力，通過觀測凸塊變化情況來控制緊固組件安裝過程中的預緊力。每一個DTI就像一個獨立的壓力指示器，使用時將DTI如同墊圈一樣置于螺栓或螺母支承面，擰緊直到DTI面上的凸塊被壓平（用厚度規探入深度為1/2半徑處）。該原理的提出早在1962年，后由TurnaSure公司進行重新設計改良。改良型SquirterTM DTI，在凸塊處注入了帶有顏色的硅樹脂，擰緊到位時可直觀的看到硅樹脂濺出，通過肉眼即可判定緊固件的緊固情況。

DTI的應用使得螺栓緊固的整體精度大幅提高，可以有效避免螺栓未緊固及過緊固的情況。近年DTI在許多工程項目中得以應用，其中包含了很多著名的工程，如上海金茂大廈、迪拜國際機場、馬來西亞雙子塔、香港中國銀行大廈、紐約時代廣場等。

三、傳統緊固方法與使用改良DTI緊固對比

傳統螺栓緊固大體可以分為三種方法：扭矩法、轉角法和使用扭剪型高強螺栓。下面將上述三種方法的特點與改良型DTI方法進行對比。

扭矩法：使用校準過的扭矩扳手，按照規定扭矩值緊固。缺點：扭矩扳手需要定期進行檢驗及校準，以保證使用時的精度。實際施工中螺栓組受污垢、鐵銹、濕氣、螺栓位置不佳及螺紋精度不佳或損壞等因素影響，會造成螺栓未必能夠正確緊固，達不到設計所需的螺栓預緊力。

轉角法：先使用短扳手等工具使螺栓組初緊到“密貼”（snug tight）狀態，然后依據試驗所得角度值進行緊固。缺點：需要工人熟練掌握該技術要點，而且不同工人對“密貼”狀態的定義會存在一定差異。螺栓最終緊固無法實現自動化，需人工逐個核實，效率比較低。

使用扭剪型高強螺栓：使用扭剪型高強螺栓連接鋼結構，需要使用專用工具緊固。正常緊固完成后，螺栓尾部梅花頭會被扭掉以顯示達到了規定的扭矩。缺點：需使用專用的緊固工具，部分無法正常扭掉的螺栓要手工去除，費時費力。緊固情況會受污垢、鐵銹、濕氣、螺栓位置不佳及螺紋精度不佳或損壞等因素影響。斷掉的尾部暴露出鋼材母材，需要采取嚴格防腐蝕措施避免發生銹蝕。

改良型DTI：直接壓力指示墊圈一直都是國內外鋼結構協會及建設單位允許的施工方法，只不過標準的DTI需要使用厚度規進行檢測，導致未能在鋼結構工程領域盛行。改良型DTI的出現使得螺栓緊固狀況通過帶顏色硅樹脂變得直觀、易辨識，完全不需借助其他工具檢驗。比較扭矩法、轉角法和使用扭剪型高強螺栓的方法，使用改良型DTI有以下優點：

1.不需定期檢查并校驗扭矩扳手的精度。

2.不需標記螺母轉角的度數。

3.不需使用專用緊固工具。

4.不存在螺栓尾部掉落可能造成的高空墜物風險。

5.大幅降低螺栓尾部發生銹蝕的問題。

6.改良型DTI直接指示預緊力，超長或超短螺栓均可正常指示預緊力。

7.避免螺栓發生過緊固。

8.緊固質量易于控制，施工人員經過簡單訓練即可上手。

9.緊固判別時間短，提高了螺栓緊固及驗收效率。

10.易于驗收，通過目視即可判別，減少驗收人員高空作業風險。

四、DTI及改良型DTI參考的標準依據

DTI使用的相關標準主要有以下幾個：

1.ASTM_F959 Standard Specification for Compressible-Washer-Type Direct Tension Indicators for Use with Structural Fasteners 結構緊固件用可壓縮墊圈型直接張力計的規格

2.ASTM_F959M Standard Specification for Compressible-Washer-Type Direct Tension Indicators for Use with Structural Fasteners [Metric] 結構緊固件用可壓縮墊圈型直接張力計的規格（米制）

3.BS 7644-1 Direct tension indicators 直接張力指示器.第1部分

4.ASTM F2437 Standard Specification for Carbon and Alloy Steel Compressible-Washer-Type Direct Tension Indicators for Use with Cap Screws，Bolts，Anchors，and Studs ?與有頭螺釘、螺栓、地腳螺栓和柱頭螺栓一起使用的碳鋼與合金鋼可壓縮墊圈型直接張力指示器的規格

5.EN 14399-9 High strength structural bolting for preloading ?預加負荷用高強度結構螺栓組件 第9部分

五、總結

直接壓力指示墊圈一直都是國內外鋼結構協會及設計單位允許的施工方法，傳統標準的直接壓力指示墊圈由于沒有帶顏色的硅樹脂指示，需使用厚度規進行檢驗及驗收導致施工上的不便，因為未能盛行。改良型直接壓力指示墊圈很好的解決了緊固狀態判定及檢驗驗收的問題，已經成為方便施工、便于檢驗的實用產品。由于其施工簡單、作業效率高、便于檢驗等特點，在國外電力、石化等行業的鋼結構工程已經有多年的應用業績。隨著國內物流及制造業的逐步趨于成熟，改良型DTI的價格已經接近普通墊圈的價格，在國內的應用潛力逐步提高。

在全球一體化的大背景下，國內企業更多的參與到國際事務中，國內市場改良型DTI墊圈供應鏈也已經愈加完善和規范化。在設計方面，由于其直接采用預緊力指示方式，最符合設計人員的計算需求，為其提供了一種全新的選擇。改良型DTI墊圈由于其眾多的優勢，為重要、大型的鋼結構項目提供了一個優良的螺栓緊固方案。

參考文獻：

[1]李辰.朱勇軍.侯兆欣.《鋼結構高強度螺栓連接緊固原理分析及螺母轉角法的試驗研究》.建筑結構，2013，（S1）

[2]陳斌強.《鋼結構用10.9S扭剪型高強螺栓連接副緊固軸力偏低原因分析》.理化檢驗（物理分冊），2009，（12）

[3]劉德鑫.《高強螺栓“螺母轉角法”施工工藝》.河北電力技術，2004，（01）

[4]周煥廷.馮鄭紅.《高強螺栓連接的極限承載能力研究》.武漢理工大學學報，2009，（09）

[5]杜運興.宦慧玲.霍靜思.《構件強度控制的高強螺栓承壓型連接研究》.湖南大學學報（自然科學版），2011，（01）

[6]王哲夫.李云濤.《摩擦型高強螺栓連接節點性能試驗研究》.國外建材科技，2007，（01）

[7]臺化公司工務部營建工事處.《鋼構工程改良型張力指示器技術應用》.《臺塑企業雜志》電子報，2013，（3）

[8]陳琦峰.直接張力指示器DTIs.浙江省海鹽標準件技術創新服務平臺，2011-03-30