螺栓扭矩系数影响因素的试验研究
螺栓扭矩系数影响因素的试验研究
导读
在螺栓连接结构中，为保证连接的可靠性，必须为螺栓提供合适的预紧力。工程中通常采用扭矩法装配螺栓连接结构，因此需要确定预紧力与扭矩之间的关系（即扭矩系数），以施加合适的装配扭矩。本文对输电塔中常用的M16镀锌螺栓进行预紧力试验研究，测试分析了螺栓强度等级、有无垫圈和有无润滑对螺栓连接副扭矩系数的影响。研究结果表明，高强度螺栓比普通螺栓的扭矩系数小，数据离散性也小；无垫圈的螺栓比有垫圈的螺栓扭矩系数小，但数据离散性大；有润滑的螺栓比无润滑的螺栓扭矩系数小，数据离散性也小。本文同时探讨了如何控制、调整扭矩系数，以及螺栓连接中要注意的问题，为设计和施工单位提供参考。
0 引言
在钢结构中，多采用螺栓对部件进行连接。安装时，绝大多数螺栓连接必须拧紧，此时被连接件受到压缩，螺栓受到拉伸，这种在承受工作载荷之前螺栓受到的轴向拉力称为预紧力。预紧的目的在于增强连接的可靠性和紧密性。在安装过程中，直接控制预紧力比较困难，一般通过控制拧紧力矩来间接地控制预紧力。螺栓连接的质量关系到结构的安全运行和可靠使用，因而确定拧紧力矩与预紧力之间的关系（即扭矩系数），就具有了十分重要的工程实际意义。
螺栓扭矩系数的影响因素已经引起人们的广泛关注。一些工程技术和研究人员在理论分析的基础上，从螺栓自身质量和安装检测过程两方面入手，讨论了影响高强度大六角螺栓连接副扭矩系数的因素，并通过试验对比，就各种因素对扭矩系数的影响规律进行了初步研究，进而探讨了施工中如何控制、调整好扭矩系数。王继武等通过有限元模拟了各种垫片尺寸对M20摩擦型高强度螺栓抗滑移性能的影响。顾庆鸿等针对高强度螺栓，考虑了温度、皂化液浓度和时间对扭矩系数的影响，并提出了一些降低扭矩系数的工艺措施。Nassar等通过试验研究了镀锌层厚度对螺栓摩擦系数和扭矩系数的影响。Croccolo等设计出一种得到螺栓摩擦系数的试验方法，并由摩擦系数和夹持件拉伸状态得到扭矩系数，通过试验和有限元模拟揭示了高强螺栓在拧紧时发生破坏的原因。
近年来参考国际标准，我国颁布了一大批紧固件标准，使紧固件应用的整体水平有了明显提高。但是颁布的标准只针对大六角头高强度螺栓，对于输电塔中采用的普通螺栓没有明确的规范，且对输电塔中螺栓连接有无垫圈也没有明确要求。现有的输电塔都是通过检测扭矩的大小来间接验证螺栓安装的质量，由于扭矩系数的不确定性，常导致输电塔中螺栓连接副超拧或欠拧，影响了输电塔的安装质量。由此可见，研究输电塔中常用螺栓的扭矩系数具有重要的工程实际意义。
本文通过对输电塔中常用的6.8级和8.8级两个级别的镀锌螺栓的扭矩系数进行系统测试，研究强度等级、有无垫圈和有无润滑对螺栓连接副扭矩系数的影响，确定螺栓的扭矩系数的分布情况，为设计单位提供参考，为施工单位根据螺栓预紧力的大小反推所需施加的扭矩值提供依据。
1 扭矩系数的确定
1.1 扭矩系数测量原理
根据经典理论，螺栓连接的预紧力矩T与预紧力F有以下关系：
T = T1 + T2
其中T为预紧力矩；T1为螺纹副中的力矩；T2为支承面（螺帽或螺母与角钢的接触面）的力矩；F为预紧力；d2为螺纹中径；α为牙型角；λ为螺纹升角；μ为螺纹间的摩擦系数；μ1为支承面间摩擦系数；dn为支承面的平均直径（力矩意义上）。
引入螺栓公称直径d，式（1）作一定变换，可得：
T = KFd
其中：
K即为工程中常用的扭矩系数，亦即试验要测量的量。式（3）表明，只要螺栓尺寸一定，被连接结构、螺栓尺寸和表面性质相同，且认为在不同载荷下，螺纹、支承面的接触应力分布的比例相同，则扭矩系数为一确定值。在考虑了三维效应和弹塑性变形的影响之后（摩擦系数的变化可忽略），仍可得出扭矩系数不变的结论。这样，对于某种类型螺栓和连接件，只要测得扭矩系数，即可通过测量紧固过程中施加的扭矩，利用式（2）计算出螺栓预紧力。
1.2 试验材料、设备和方法
本试验中每一对连接副包括一个螺栓和一个螺母，部分还包括一对垫片，它们分属同批制造。为更接近工程实际情况，采用人工加载试验。检测设备采用上海紧固件检测中心设计生产的ZLC-500轴向力测试台（如图1所示），采用扭矩测量仪记录扭矩值。测量原理如图2所示。
图1 ZLC-500轴向力测试台
图2 扭矩系数测量原理图
2 扭矩系数影响因素试验
2.1 强度等级对扭矩系数的影响
选取6.8级和8.8级M16螺栓各8只，6.8级螺栓配套6级螺母，8.8级螺栓配套8级螺母，螺栓螺母配套前均匀涂上锂基脂（即普通黄油）润滑，按照对应级别与规格施加扭矩，记录螺栓的轴力值和所施加扭矩值。两种强度等级下，螺栓的扭矩系数分布分别如图3和图4所示。
图3 6.8级螺栓普通黄油润滑时扭矩系数分布图
图4 8.8级螺栓普通黄油润滑时扭矩系数分布图
由选取的8组螺栓扭矩系数试验结果对整批螺栓扭矩系数进行无偏估计，样本方差计算公式如下所示：
取螺栓扭矩系数平均值，强度不同对螺栓扭矩系数的影响对比见图5，扭矩系数标准偏差S对比见图6。
图5 不同强度等级螺栓的扭矩系数对比图
图6 不同强度等级螺栓的扭矩系数标准偏差对比图
由图3和图4可以看出，6.8级M16螺栓的扭矩系数在0.133～0.199之间变化，8.8级M16螺栓的扭矩系数在0.137～0.175之间变化，强度高的螺栓变化范围较小。由图5和图6可以看出，拧紧轴力与屈服载荷比相同时，6.8级螺栓扭矩系数比8.8级的高，两者相差最大在比值为0.65处，前者比后者高8.9%，且对于扭矩系数离散性，高强度螺栓的结果小于低强度螺栓的。
2.2 垫圈对扭矩系数的影响
选取6.8级M16螺栓16只，螺栓配套6级螺母，螺栓螺母配套前均匀涂上锂基脂润滑，其中8只加垫圈，8只不加垫圈。按照对应级别与规格施加扭矩，记录螺栓的轴力值和所施加扭矩值。无垫圈时螺栓的扭矩系数分布如图3所示，加垫圈时螺栓的扭矩系数分布如图7所示。由选取的8组螺栓扭矩系数试验结果对整批螺栓扭矩系数进行无偏估计，取螺栓扭矩系数平均值，有无垫圈对螺栓扭矩系数的影响对比见图8，扭矩系数标准偏差S对比见图9。
由图3、图7、图8和图9可以看出，6.8级M16螺栓无垫圈时的扭矩系数在0.133～0.199之间变化，有垫圈时的扭矩系数在0.164～0.204之间变化，拧紧轴力与屈服载荷比相同时，有垫圈的螺栓扭矩系数比无垫圈的要大；在比值为0.35处，两者相差最大，达17.6%。而且有垫圈螺栓的扭矩系数离散性较无垫圈的低。
图7 6.8级螺栓普通黄油润滑加垫圈时扭矩系数分布图
图8 6.8级螺栓有无垫圈的扭矩系数对比图
图9 6.8级螺栓有无垫圈的扭矩系数标准偏差对比图
2.3 有无润滑对扭矩系数的影响
选取6.8级M16螺栓16只，螺栓配套6级螺母，其中8只螺栓螺母配套前均匀涂上锂基脂润滑，8只螺栓螺母均不润滑。按照对应级别与规格施加扭矩，记录螺栓的轴力值和所施加扭矩值。润滑时螺栓的扭矩系数分布如图3所示，不加润滑时螺栓的扭矩系数分布如图10所示。
由选取的8组螺栓扭矩系数试验结果对整批螺栓扭矩系数进行无偏估计，取螺栓扭矩系数平均值，有无润滑对螺栓扭矩系数的影响对比见图11，扭矩系数标准偏差S对比见图12。由图3、图10、图11和图12可以看出，6.8级M16螺栓有润滑时的扭矩系数在0.133～0.199之间变化，无润滑时的扭矩系数在0.344～0.487之间变化，无润滑时当预紧力超过屈服载荷的70%，螺栓镀锌层破坏明显，有咬死现象。当拧紧轴力与屈服载荷比相同时，无润滑螺栓的扭矩系数比有润滑的要明显偏大，在比值为0.7处，两者相差最大，前者是后者的2.55倍，而且有润滑螺栓的扭矩系数离散性显著降低。
图10 6.8级螺栓无润滑时扭矩系数分布图
图11 有无润滑螺栓的扭矩系数对比图
图12 有无润滑螺栓的扭矩系数标准偏差对比图
3 结果分析和讨论
用扭矩法拧紧螺栓紧固结构，是施工中普遍采用的方法。螺栓成批购置和使用，扭矩系数是一个统计量，具有离散性。扭矩系数的离散会导致预紧力的离散，造成预紧力不足或过紧，影响输电塔的安全运行。因此，除了测量扭矩系数外，还必须了解和控制扭矩系数的离散程度。高强度螺栓镀锌层光滑，摩擦系数小，所以高强度螺栓比普通螺栓的扭矩系数小；螺母和垫圈属于同种镀锌金属，它们组成的摩擦副黏着效应较强，摩擦力大，所以有垫圈的螺栓比无垫圈的螺栓扭矩系数大；螺杆上加入润滑剂，使螺纹中的摩擦系数降低，减小螺杆与螺母之间的摩擦力，所以有润滑的螺栓比无润滑的螺栓扭矩系数小。由此可见：一方面，在输电塔中施加预紧力时，为了保证施加预紧力的一致性，施工中应采用润滑且加垫圈的螺栓，以避免造成预紧力不足或过紧；另一方面，有垫圈时，螺栓的扭矩系数变大，这样就增加了所施加的扭矩，对施工是不利的，特别是在输电塔顶端的装配施工，可能会增加预紧力施加的困难。因此，在输电塔施工中，可以采用底部螺栓连接有垫圈，这样可以提高预紧力的一致性，避免造成预紧力不足或者过紧；而在顶端则可以采用没有垫圈的螺栓连接，这样可以降低施工安装难度。当然，在条件允许的情况下，以高强度螺栓代替普通螺栓，扭矩系数减小意味着所需施加扭矩减小，便于施工；且扭矩系数的离散性减小，对整塔的可靠性提高是有利的。
除了本文研究的三方面因素，影响螺栓扭矩系数的因素还有温度、镀锌层厚度和螺栓质量等。随着温度的降低，扭矩系数值升高，并且基本呈线性关系，扭矩系数值随温度变化而变化，但其标准偏差变化不大。随着镀锌层厚度的增加，螺栓扭矩系数呈减小趋势。而只有螺栓质量的一致性较好的情况下，预紧力才能得到较好的控制，最终工程质量才能得到较好的保证。因此，影响螺栓扭矩系数的因素比较多，也比较复杂，导致扭矩系数的离散性较大。鉴于此，对于一些重要工程，为了保证螺栓连接的可靠性，应采用同一批次生产的螺栓和垫片，严格控制工艺过程，并通过实验测得螺栓的扭矩系数。
4 结论
本文通过对输电塔中常用螺栓的扭矩系数试验，分析强度不同、有无垫圈和有无润滑对扭矩系数的影响，得出以下结论：
（1）高强度螺栓比普通螺栓的扭矩系数低，离散性也小，可以更好地控制所施加的预紧力。
（2）有垫圈螺栓比无垫圈螺栓的扭矩系数大，但离散程度降低，故施工中所施加的扭矩较大，但预紧力的一致性会比较好。
（3）无润滑螺栓比有润滑螺栓的扭矩系数大很多，离散性也大，不易控制施加的预紧力，一般不宜采用。
（4）在输电塔施工中，可以采用底部加垫圈的螺栓连接，这样可以增加预紧力的一致性，避免造成预紧力不足或者过紧；而在顶端则可以采用不加垫圈的螺栓连接，这样可以降低施工安装难度。