钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副部分参数检测

钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副部分参数检测技术研究

摘要：扭剪型高强度螺栓连接副作为钢结构关键连接部件，其性能参数的准确性直接关系到整体结构的安全性与可靠性。本文系统阐述了该连接副核心参数的检测项目、方法原理、应用范围、标准规范及检测仪器，为工程检测提供技术参考。

关键词：扭剪型高强度螺栓；连接副；参数检测；扭矩系数；紧固轴力；摩擦系数

1. 检测项目、方法及原理

扭剪型高强度螺栓连接副的检测主要包括对其性能参数与机械性能的验证。

1.1 扭矩系数（K值）检测

• 检测方法：轴力-扭矩法。在螺栓轴向施加紧固力（轴力），同时测量施加在螺母上的扭矩，通过计算得出扭矩系数。

• 原理：基于经典公式 $T = K \cdot d \cdot P$。其中，T为施拧扭矩（N·m），K为扭矩系数（无量纲），d为螺栓公称直径（mm），P为螺栓轴向预拉力（kN）。在试验机上，通过同步、精确测量达到规定预拉力P时所消耗的扭矩T，反算得出K值。该系数综合反映了螺纹副及支承面的摩擦状态，是施工拧紧质量控制的核心参数。

1.2 紧固轴力（预拉力）检测

• 检测方法：直接轴力测量法。使用配备高精度测力传感器的专用夹具，在螺栓拧紧过程中直接读取其产生的轴向拉力。

• 原理：将螺栓连接副安装于试验机的夹持装置中，拧紧螺母时，螺栓杆身受拉，其产生的轴向力通过测力传感器转化为电信号，经数据采集系统实时显示并记录。该方法用于验证连接副能否达到标准规定的最小（或标称）紧固轴力，并评估其轴力离散性。

1.3 螺栓楔负载与螺母保证荷载试验

• 检测方法：拉伸试验法。

  • 螺栓楔负载试验：将螺栓拧入带有内螺纹的专用夹具，在螺栓头部下方放置规定角度的楔垫，然后进行轴向拉伸，直至断裂。考核螺栓头部与螺纹杆部的强度，以及缺陷。

  • 螺母保证荷载试验：将螺母拧在经硬化处理的专用试棒上，施加标准规定的保证荷载并保持一定时间，卸载后检查螺母是否出现脱扣或断裂。验证螺母螺纹的承载能力和强度。

1.4 连接副的硬度测试

• 检测方法：洛氏硬度（HRC）或维氏硬度（HV）试验。

• 原理：使用硬度计，在规定的试验力下，将特定形状的压头压入螺栓、螺母或垫圈表面，通过测量压痕深度或对角线长度来确定其硬度值。硬度是衡量材料强度、热处理工艺是否合格的重要指标，需在规定的取样部位进行。

1.5 摩擦面抗滑移系数检测

• 检测方法：双摩擦面拉伸试验法。

• 原理：制备标准试件，由两块芯板、两块盖板通过两套（或四套）扭剪型高强度螺栓连接副连接。在拉力试验机上对芯板施加轴向拉力，直至连接界面发生滑移。抗滑移系数μ由公式 $μ = F / (2 \cdot m \cdot n_f \cdot P)$ 计算得出，其中F为滑移荷载，m为摩擦面数目，n_f为传力摩擦面所涉及的螺栓数量，P为螺栓实测预拉力。此参数对承受剪力连接的节点设计至关重要。

2. 检测范围与应用领域

检测需求广泛存在于以下领域：

• 建筑工程：高层钢结构、大跨度体育场馆、机场航站楼、会展中心等主体钢结构的梁柱连接、桁架节点。

• 桥梁工程：公路桥、铁路桥的钢箱梁、钢桁梁的拼接与连接。

• 工业设施：火力发电厂主厂房钢结构、石化装置管廊与框架、重型工业厂房吊车梁系统。

• 塔桅结构：输电铁塔、通信塔、风力发电塔筒的连接。

• 制造与供应链：螺栓连接副生产企业的出厂检验、第三方质量监督检验、重大工程项目进场复验。
  检测贯穿于产品生产、进场验收、安装施工工艺评定及重要节点质量抽查的全过程。

3. 检测标准与规范

检测活动必须严格遵循国家、行业及国际相关标准。

• 国内核心标准：

  • GB/T 3632-2008《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副》：规定了连接副的技术要求、试验方法、检验规则等，是产品制造与检测的根本依据。

  • GB 50205-2020《钢结构工程施工质量验收标准》：明确了进场验收和施工过程中对螺栓连接副的检验项目、抽样方法和合格判定准则。

  • JGJ 82-2011《钢结构高强度螺栓连接技术规程》：详细规定了包括扭剪型在内的各类高强度螺栓连接的设计、施工与质量验收要求，特别是抗滑移系数的试验方法。

• 国际及国外主要标准：

  • ISO 898-1:2013《紧固件机械性能 第1部分：螺栓、螺钉和螺柱》

  • ISO 898-2:2012《紧固件机械性能 第2部分：螺母》

  • ASTM A325 / A325M-20e1《结构钢连接用高强度螺栓标准规范》

  • ASTM A490 / A490M-20《淬火并回火合金钢结构螺栓标准规范》

  • EN 14399系列（欧洲标准，特别是EN 14399-3关于HRC系统螺栓连接副）
    实际检测中，应依据合同或设计文件要求，明确采用的标准体系及其具体版本。

4. 主要检测仪器设备

4.1 轴力-扭矩复合测试系统（紧固轴力-扭矩系数测试机）

• 功能：核心检测设备。集成高精度扭矩传感器和轴向力传感器，可同步、实时采集并处理施拧过程中的扭矩和轴力数据，自动计算并输出扭矩系数K、轴力平均值、标准偏差等统计结果。系统通常配备伺服电机驱动，确保加载平稳可控。

4.2 万能材料试验机

• 功能：用于进行螺栓楔负载试验、螺母保证荷载试验、连接副抗滑移系数试验以及螺栓杆的拉伸试验。需配备相应的专用夹具，如楔负载试验用带楔垫的夹具、抗滑移系数试验用双摩擦面试件夹具等。试验机应具有足够的负荷容量和位移测量精度。

4.3 硬度计

• 功能：检测螺栓、螺母、垫圈的表面硬度。洛氏硬度计（如HRC标尺）操作简便快捷；维氏硬度计（HV）压痕小，更适合对成品螺栓局部（如螺杆末端、头部侧面）进行测试，对工件损伤小。

4.4 扭矩扳手（校准用）

• 功能：包括手动和电动扭矩扳手，主要用于施工现场扭矩的施加与检查，也可用于实验室的辅助性测试或仪器的间接校准。需定期在扭矩校准仪上进行量值溯源。

4.5 辅助量具与工具

• 功能：包括千分尺、游标卡尺（测量螺栓直径、长度、头部厚度等尺寸）、投影仪或螺纹规（检查螺纹通止）、表面粗糙度仪（评估摩擦面处理状况）等，用于对连接副的几何尺寸和外观进行检验。

结语
对钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副进行系统、科学的参数检测，是保障钢结构连接质量不可或缺的技术环节。检测工作必须依据明确的标准，采用经过校准的精密仪器，由专业技术人员规范操作，确保检测数据的准确性与可靠性，从而为钢结构工程的安全服役奠定坚实基础。随着技术进步，更智能化、集成化的检测设备与在线监控技术也在不断发展，将持续提升检测效率与质量控制水平。