钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副螺母保证载荷检测

钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副螺母保证载荷检测技术研究

摘要：扭剪型高强度螺栓连接副作为钢结构关键连接部件，其螺母的保证载荷是评价连接副抗滑移承载能力和长期服役安全性的核心指标。本文系统阐述了螺母保证载荷的检测原理、方法、标准及设备，旨在为工程质量控制提供技术依据。

1. 检测项目：方法与原理

螺母保证载荷是指螺母在轴向拉伸试验中，螺纹不发生脱扣或断裂所能承受的最小载荷。其检测核心是验证螺母内螺纹的抗拉脱强度是否与匹配螺栓的力学性能等级相匹配，确保连接副的整体可靠性。

主要检测方法及原理：

• 直接拉伸法（仲裁方法）：将螺母拧入经过特殊硬化处理的标准芯棒（其硬度与强度高于被检螺母，确保试验中螺纹不先于螺母失效），安装在万能材料试验机上。对芯棒施加轴向拉力，载荷匀速增加至标准规定的保证载荷值，并保持15秒。卸载后，使用规格通规（GO gauge）应能顺利旋合通过螺母全长。此方法的原理是模拟螺母在预紧力和工作载荷下承受轴向拉力时的最不利工况，直接考核其螺纹承载能力和塑性变形抗力。

• 轴向力传感器法（实用方法）：在紧固轴力测量装置上，将螺母拧入高强度螺栓（或专用测试螺栓），通过电动或液压扭矩扳手拧紧，使螺栓杆轴力达到保证载荷对应的预紧力水平（通常通过螺栓公称应力截面积换算）。保持规定时间后卸载，再用通规检验螺纹通顺性。此法原理更接近实际安装状态，但受螺栓本身性能及摩擦系数影响较大。

• 原理核心：无论何种方法，其物理本质均是使螺母内螺纹承受一特定的轴向拉应力，检验其是否产生影响互换性的永久性变形（表现为螺纹咬合、通规不通）。保证载荷并非破坏性试验的极限载荷，而是验收性载荷。

2. 检测范围与应用领域

螺母保证载荷检测适用于所有使用扭剪型高强度螺栓连接副的领域，是紧固件进场验收、型式检验及工程质量监督的必检项目。

• 建筑钢结构：高层建筑、体育场馆、机场航站楼、桥梁等主体框架梁柱连接、节点板连接。

• 桥梁工程：钢箱梁、桥面系、拱肋、悬索桥等部位的现场连接。

• 工业装备与设施：电厂钢结构、石化管廊、大型储罐、起重设备塔身、矿山机械等重型结构的螺栓连接。

• 轨道交通：高铁站房、地铁车辆段检修库、轨道梁连接等。

• 检测需求：主要包括进场批量抽检、新产品型式试验、工程质量争议仲裁检验以及定期监督抽查。

3. 检测标准与规范

国内外标准均对高强度螺栓连接副螺母的保证载荷做出了明确规定。

• 中国国家标准（GB）：

  • GB/T 3632-2008《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副》：这是国内最核心的产品与检测标准。其中明确规定了M16、M20、M22、M24、M27、M30等规格10.9S级螺栓配套螺母的保证载荷值（如M20×1.5螺母的保证载荷为245 kN）以及具体的试验方法、芯棒技术要求等。

  • GB/T 3098.2-2015《紧固件机械性能 螺母》：对螺母保证载荷的通用试验方法、芯棒硬度、试验速率等做了详细规定，是方法基础标准。

• 行业标准（JGJ）：

  • JGJ 82-2011《钢结构高强度螺栓连接技术规程》：从工程设计、施工及验收角度，要求进场螺栓连接副必须进行包括螺母保证载荷在内的各项性能复验。

• 国际与国外标准：

  • ISO 898-2:2022《紧固件机械性能 第2部分：规定保证载荷值的螺母》：国际通用标准。

  • ASTM F606 / F606M《紧固件机械性能试验方法》：美国材料与试验协会标准，包含螺母保证载荷试验程序。

  • EN 14399-4:2015《高强度结构预紧力 第4部分：HV系统螺栓连接副》：欧洲体系标准。

检测实践必须依据产品明示标准（通常为GB/T 3632）执行，并参考基础方法标准。

4. 检测仪器与设备

完成一项精确的螺母保证载荷检测，需要以下关键设备协同工作：

• 万能材料试验机：核心设备。需具备力值测量范围覆盖所有规格螺母的保证载荷（通常100kN至500kN以上），精度等级不低于±1%。应能实现稳定的载荷速率控制（如约10 MPa/s的应力增加速率）和载荷保持功能。配备适用于芯棒与下夹具连接的拉伸夹具（如楔形夹头或螺纹连接夹具）。

• 标准芯棒（试验螺栓）：关键耗材。其螺纹公差、硬度（通常≥45 HRC）和抗拉强度必须严格符合GB/T 3098.2或产品标准的规定，确保试验中自身不先失效。芯棒螺纹长度应长于螺母高度。

• 螺纹通规（GO gauge）：判定器具。其螺纹尺寸精度必须符合国家标准，用于试验后检验螺母螺纹是否仍能满足基本互换性要求。

• 辅助仪器：

  • 扭矩-轴力测试系统：用于轴向力传感器法，可精确测量并控制安装时的螺栓轴向预紧力。

  • 洛氏或维氏硬度计：用于定期验证标准芯棒的硬度是否在要求范围内。

  • 螺纹环规（止规）：在必要时对螺母螺纹的制造公差进行初始检验。

结论
钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副螺母的保证载荷检测，是一项技术条件严格、对设备精度要求高的标准化试验。通过采用直接拉伸法或轴向力传感器法，依据GB/T 3632等国内外权威标准，在精准的万能试验机及标准芯棒上完成试验与判定，可有效杜绝因螺母螺纹强度不足导致的连接副早期失效风险，为钢结构整体的静力强度、抗疲劳性能及抗震安全性提供根本保障。持续规范此项检测，是提升钢结构工程质量与寿命的关键环节。