谈预制钢结构高强螺栓直接张力指示器紧固法

王 东

(中化二建集团有限公司，山西 太原 030006)

预制钢结构高强度六角螺栓直接张力指示器紧固法是在高强螺栓紧固时采用的一种特殊垫圈。该垫圈就像一个特殊的小型称重计，在螺栓紧固过程中测量螺栓拉力。当螺栓紧固到螺栓最小预拉伸力1.1 倍～1.2 倍时，直接张力指示器内部的硅氧树脂会喷出，表明该螺栓已紧固到位。该方法完全不存在扭矩对拉伸力的影响，不会发生螺栓漏紧，安装工人只需目测就能判断螺栓是否紧固到位。这是到目前为止，预制钢结构高强度螺栓紧固的最简单方法。

1 概述

在安装预制钢结构的过程中，六角高强螺栓的预拉伸力是衡量螺栓连接可靠性的重要指标，为了使高强螺栓达到所需要的预拉伸力，目前国内普遍采用的螺栓紧固方法是转角紧固法和力矩紧固法。以上两种方法都不能直观反映螺栓的预拉伸力，而且施工质量不易控制。本文根据在沙特阿美火炬改造项目中钢结构安装的实际施工经验以及国外工艺标准的要求，指出转角法和力矩法存在的缺点，浅述直接张力指示器紧固法的施工工艺，并与另外两种方法进行比较，突出该紧固法的优势所在。

2 转角紧固法

2.1 转角法概述

转角紧固法是通过螺栓的伸长量来确定螺栓的预拉伸力，而螺栓的伸长量则由螺帽的转角角度来判断。转角法需先将螺栓拧紧到“密贴”状态，消除板叠缝隙和变形的影响，然后在此基础上，通过将螺帽旋转一定角度来对螺栓施加预拉力，此时螺帽旋转角度等同于对螺栓施加轴向伸长量。

2.2 工艺缺点

1)“密贴”状态不易控制。螺母转角量跟螺母与钢板间以及钢板与钢板间接触的紧密程度有极大的关系。接触松，则旋紧螺母所需的转角量增大;接触紧，则旋紧螺母所需的转角量减小。因此，在采用转角法之前，必须先将螺帽旋紧至一定的紧密程度，然而因在实际安装中由于拧紧工况的不同、螺栓质量的差异、连接副接触面的不平整以及气候变化等因素的影响，“密贴”状态并不容易控制。

2)易出现过拧或欠拧问题。转角法需先将螺栓拧紧到“密贴”状态，然而由于“密贴”状态的不易控制，会造成一个连接副上的螺栓拉伸力不尽相同，在这种情况下对螺母施拧相同转角量，势必造成拉伸力大的螺栓过拧，而拉伸力小的螺栓欠拧。螺栓的过拧和欠拧都会造成连接副的摩擦力不够而最终导致整体结构的不稳定。

3)检验程序繁琐。转角法紧固螺栓过程中需进行如下检验:

a.核实所有连接副的预安装已完成;b.检查连接副达到“密贴”状态;c.检查并标记连接副螺栓的初始状态;d.检查并标记螺栓的终拧状态;e.见证安装工人用转角法紧固螺栓的整个过程。

3 力矩紧固法

3.1 力矩法概述

力矩紧固法是通过使用专用的力矩扳手对高强螺栓的螺母施拧，令其旋转并向螺栓方向紧固来压紧连接副，最终达到将拧紧力矩转化为螺栓的预拉力的目的。与转角法一样，力矩法也要在连接副达到“密贴”状态时才能进行，否则将导致螺栓的拉伸力不足和接头松动。

3.2 工艺缺点

1)影响扭矩和张力关系的变量多。当使用扭矩控制安装方法时，影响扭矩和张力关系的变量很多，以下任何一个因素都会引起扭矩和张力关系的变化，如:a.螺栓和螺母螺纹的精密度和偏差;b.润滑的统一性、程度和状况;c.车间或工作位点的条件影响到灰尘、污垢或者螺纹的腐蚀;d.在旋转元件(螺母面和螺栓头的支撑面)和支撑表面之间存在一定程度可变的摩擦;e.由于气路长度或者从同一气源操作的扳手数量导致的拧紧扳手的气源参数的可变性;f.扭矩扳手的状况、润滑和电源，可能在工作轮班中改变;g.任何扳手对于所使用扭矩水平的敏感和反映的性能的重复性。

2)紧固扳手校正频率高。力矩法所使用的气动扳手必须每天进行力矩校正，而且在安装过程中发生以下任何一种情况时还需重新进行校正:a.当紧固套件的任何零件的批次被更换;b.当紧固套件的任何零件的批次被重新润滑;c.当螺纹、螺母或者垫片的表面条件的重大差异被发现;d.当扳手的任何零件包括润滑、软管和气源发生改变。

3)检查工程量大，费时费工。力矩法紧固完成的螺栓需逐个进行力矩检查，工程量大，而且操作力矩扳手需要安装工人配合，费时费工。

4 直接张力指示器紧固法

4.1 直接张力指示器紧固法的操作过程

1)直接张力指示器验证。a.在开始安装前，直接张力指示器需使用张力校验器进行验证。b.将螺杆、螺母、直接张力指示器及平垫片装入张力校验器。在5 s～10 s 时间内，使用扳手将螺栓紧固到其最小预拉伸力的1.1 倍～1.2 倍。c.一旦紧固到位，观察直接张力指示器的外观、硅树脂流出量以及指示器底部周围喷射出硅树脂的点数。指示器周围喷射出硅树脂的点数不少于指示器接触面凸起数减一，例如指示器有5 个凸起，那就至少要在周围4 个点处喷射出硅树脂。重复这个实验数次并从视觉上清楚螺栓紧固到位必须喷射出多少硅树脂。最后，可以将张力校验器的指示表盘盖住，紧固螺栓直到目测认为张力指示器喷射出的硅树脂量达到要求后停止，然后掀开检查张力校验器所示的预拉伸力是否达到。

2)ASTM F436 垫圈的使用。当使用直接张力指示器紧固法时，应按如下要求使用ASTM F436 垫圈:a.当螺母被转动，直接张力指示器位于螺栓头下方时，应在螺母下方使用ASTM F436 垫圈。b.当螺母被转动，直接张力指示器位于螺母下方时，应在螺母和直接张力指示器之间使用ASTM F436 垫圈。c.当螺栓头被转动，直接张力指示器位于螺母下方时，应在螺栓头下方使用ASTM F436 垫圈。d.当螺栓头被转动，直接张力指示器位于螺栓头下方时，应在螺栓头和直接张力指示器之间使用ASTM F436 垫圈。

3)初拧阶段。按要求正确装配好螺栓连接副，将所有螺栓初步拧紧到“密贴”工况。要确保直接张力指示器未被压缩到“密贴”状态。“密贴”初拧从连接刚性最大的部分开始系统地进行。

4)终紧阶段。对所有螺栓继续施加紧固力矩，直到大量的硅树脂从指示器底部周围喷射出。紧固过程中，注意观察指示器周围喷射出硅树脂的点数(几处)，直到点数达到验证数量后再停止紧固。最终紧固从连接刚性最大的部分开始系统地进行，这样可以使原来张紧的螺栓的松弛最小化。

4.2 与转角法和力矩法比较

1)安装工序简单，效率高。直接张力指示器紧固法不存在力矩法中对扳手的频繁校正，也省去了转角法转角前的标记和检查。该方法对工人技术水平要求低，安装工人只需用气动扳手将螺栓紧固到张力指示器喷射出硅氧树脂即可。检查员只要检查喷射出的硅氧树脂状态便可知晓螺栓紧固是否合格。

2)不会发生“漏拧”和“重复拧”。直接张力指示器紧固法以张力指示器喷射出硅氧树脂为合格，喷射出的硅氧树脂会凝固在指示器周围，是螺栓紧固合格后必然生成的醒目标识，不存在人为疏漏造成的漏标和错标，从而也不会发生“漏拧”和“重复拧”，能有效保证安装质量。

3)检查简便直观，不需使用工具和标记。直接张力指示器紧固法的检验根据张力指示器周围喷射出硅氧树脂的点数判断，以点数不少于指示器接触面凸起数减一为合格。该法的检验方法为目测，不需要使用检验工具和检验标记，也不需要安装工人配合，省时省力。

5 结语

转角法和力矩法施工工艺复杂，工作效率低，而且施工质量不易控制，实际应用中对安装工人的技术水平和实际经验要求较高。直接张力指示器紧固法较以上两种方法具有工艺简单、效率高、安装质量易控制等优点，在工程实际应用中进度快、质量好，适合大规模预制钢结构的集中安装。我相信，随着我国工程建设技术的不断发展，直接张力指示器紧固法会很快普及到今后的预制钢结构安装工程中。

［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，钢结构工程施工质量验收规范［S］.