结构检测鉴定：紧固件连接检测

钢结构工程中的紧固件是指普通螺栓、扭剪型高强度螺栓、高强度大六角头螺栓、钢网架螺栓球节点用高强度螺栓及射钉、自攻钉、拉铆钉等。 其中,除高强度螺栓以外的紧固件一般称为普通紧固件。

1)普通紧固件连接

①普通螺栓作为永久性连接螺栓时,当设计有要求或对其质量有疑义时,应进行螺栓实物最小拉力载荷复验。 其结果应符合现行《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》(GB 3098)的规定。

螺栓实物最小载荷检验方法:用专用卡具将螺栓实物置于拉力试验机上进行拉力试验。为避免试件承受横向载荷,试验机的夹具应能自动调正中心,试验时夹头张拉的移动速度不应超过25 mm/min。 螺栓实物的抗拉强度应根据螺纹应力截面积计算确定,其取值应按现行《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》的规定取值。 进行试验时,承受拉力载荷的末旋合的螺纹长度应为6 倍以上螺距,当试验拉力达到现行《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》中规定的最小拉力载荷时不得断裂,当超过最小拉力载荷直至拉断时,断裂应发生在杆部或螺纹部分,而不应发生在螺头与杆部的交接处。

②连接薄钢板采用的自攻钉、拉铆钉、射钉等其规格尺寸应与被连接钢板相匹配,其间距、边距等应符合设计要求。

检验方法:观察和尺量检查。

③永久性普通螺栓紧固应牢固、可靠、外露丝扣不应少于两扣。

检验方法:观察和用小锤敲击检查。

④自攻螺钉、钢拉铆钉、射钉等与连接钢板应紧固密贴、外观排列整齐。

检验方法:观察或用小锤敲击检查。

2)高强度螺栓连接

高强度螺栓连接具有施工效率高、施工质量易于控制、力学性能好等优点,在钢结构工程中普遍应用。

高强度螺栓连接按其设计准则分为摩擦型连接和承压型连接两种。 摩擦型高强度螺栓连接依靠板层间的摩擦阻力传力,并以剪力不超过接触面摩擦力作为设计准则,其连接的剪切变形小、弹性性能好、耐疲劳,特别适用于承受动力荷载的结构；承压型高强度螺栓连接允许连接达到破坏前接触面滑移,以螺栓杆被剪断或板件被挤压破坏时的极限承载力作为设计准则,其连接的剪切变形比摩擦型大,故只适用于承受静力荷载或间接承受动力荷载的结构。目前,我国对高强度螺栓连接的使用多采用摩擦型连接设计。

图5.1　高强度螺栓连接副图

高强度螺栓根据外形来分有大六角头螺栓[图5.1(a)]和扭剪型螺栓[图5.1(b)]两种,这两种类型的高强度螺栓均可用于摩擦型高强度螺栓连接或承压型高强度螺栓连接中。 高强度螺栓都是通过拧紧螺帽使螺杆受到拉伸产生很大的预拉力,以使被连接板层间产生压紧力,但两种高强度螺栓对预拉力的控制方法各不相同:大六角头型高强度螺栓是通过控制拧紧力矩或转动角度来控制预拉力；而扭剪型高强度螺栓采用特制电动扳手,将螺杆顶部的十二角体拧断则认为连接达到所要求的预拉力(图5.2)。

图5.2　扭剪型高强度螺栓安装过程

高强度螺栓连接的现场检测主要包含:高强度螺栓连接摩擦面的抗滑移系数检测、扭剪型高强度螺栓连接副预拉力检测、高强度大六角头螺栓连接副扭矩系数检测、终拧扭矩检测、外观及安装质量检测等。

(1)高强度螺栓连接摩擦面的抗滑移系数检测

《钢结构工程施工质量验收标准》(GB 50205)规定:钢结构制作和安装单位应分别进行高强度螺栓连接摩擦面的抗滑移系数试验和复验,现场处理的构件摩擦面应单独进行摩擦面抗滑移系数试验,其结果应符合设计要求。

抗滑移系数是高强度螺栓连接的主要设计参数之一,直接影响构件的承载力,因此构件摩擦面无论由制造厂处理还是由现场处理,均应对抗滑系数进行测试。 除设计上采用摩擦系数小于等于0.3、并明确提出可不进行抗滑移系数试验者,其余情况下在制作时为确定摩擦面的处理方法,必须按规范要求的批量用3 套同材质、同处理方法的试件进行检验,同时并附有3 套同材质、同处理方法的试件,供安装前复验。

《钢结构工程施工质量验收标准》附录B 中推荐抗滑移系数检验采用双摩擦面的二栓拼接试件,如图5.3 所示。 试件钢板的厚度t1、t2 应根据钢结构工程中有代表性的板材厚度来确定,同时应考虑在摩擦面滑移之前,试件钢板的净载面始终处于弹性状态；宽度b 可参照表5.4取值；L1 应根据试验机夹具的要求确定。 试件板面应平整、无油污,孔和板的边缘无飞边、毛刺。

图5.3　抗滑移系数试件

表5.4　试件板的宽度单位:mm

①高强度螺栓连接摩擦面的抗滑移系数检测要求:a.试验用的试验机误差应在1%以内；b.试验用的贴有电阻片的高强度螺栓、压力传感器和电阻应变仪,应在试验前用试验机进行标定,其误差应在2%以内。

②试件的组装顺序应符合下列规定:a.先将冲钉打入试件孔定位,然后逐个换成装有压力传感器或贴有电阻片的高强度螺栓,或换成同批经预拉力复验的扭剪型高强度螺栓；b.紧固高强度螺栓应分初拧、终拧,初拧应达到螺栓预拉力标准值的50%左右。

③终拧后,螺栓预拉力应符合下列规定:a.对装有压力传感器或贴有电阻应变仪的高强度螺栓,采用电阻应变仪实测控制试件每个螺栓的预拉力值为0.95P ～1.05P(P 为高强度螺栓设计预拉力值)；b.不进行实测时,扭剪型高强度螺栓的预拉力(紧固轴力)可按同批复验预拉力的平均值取用。

④试件应在其侧面画出观察滑移的直线。

⑤将组装好的试件置于拉力试验机上,试件的轴线应与试验机夹具中心严格对中。

⑥加荷时,应先加10%的抗滑移设计荷载值,停1 min 后,再平稳加荷,加荷速度为3 ～5 kN/s。 直拉至滑移破坏,测得滑移荷载Nv。

⑦在试验中当发生以下情况之一时,所对应的荷载可定为试件的滑移荷载:

a.试验机发生回针现象；

b.试件侧面画线发生错动；

c.X-Y 记录仪上变形曲线发生突变；

d.试件突然发出“嘣”的响声。

抗滑移系数应根据试验所测得的滑移荷载Nv 和螺栓预拉力P 的实测值,按下式计算,宜取小数点后两位有效数字。

式中:Nv——由试验测得的滑移荷载,kN；

nf——摩擦面面数,取nf =2；

——试件滑移一侧高强度螺栓预拉力实测值(或同批螺栓连接副的预拉力平均值)之和(取3 位有效数字),kN；

m——试件一侧螺栓数量,取m=2。

式(5.1)中的Pi 取值规定如下:对于大六角头高强度螺栓,Pi 应为实测值,此值应准确控制在0.95P～1.05P(P 为高强度螺栓设计预拉力值)；对于扭剪型高强度螺栓,先抽验8 套(与试件组装螺栓同批),当8 套螺栓的紧固轴力平均值和变异系数符合《钢结构工程施工质量验收规范》对相应规格扭剪型高强度螺栓预拉力复验的要求时,即以该平均值作为Pi。

检测结果判定:按照式(5.1)计算得到的抗滑移系数最小值应大于或等于设计要求的抗滑移系数；当不符合规定值时,构件摩擦面应做重新处理,处理后的构件摩擦面应重新检验。

【例题5.1】某轻型门式刚架房屋中,采用了摩擦型高强度螺栓连接,摩擦面处理方法为喷砂后生赤锈,连接板件为Q235-A,设计文件中明确的抗滑移系数u =0.45,采用的螺栓为M16 大六角头高强螺栓,10.9S 级。 工程中对摩擦面抗滑移系数进行复验,采用《钢结构工程施工质量验收标准》(GB 50205)中规定的双摩擦面的二栓拼接试件,测得的螺栓预拉力及滑移荷载值见表5.5。 试判断该组试件的抗滑移系数是否满足《钢结构工程施工质量验收规范》的要求。

表5.5　摩擦面抗滑移系数检测数据

【解】根据式(5.1)计算抗滑移系数,

根据抗滑移系数检测的判定原则,抗滑移系数最小值应大于或等于设计要求,因此,该组试件的摩擦面抗滑移系数满足《钢结构工程施工质量验收标准》的要求。

(2)扭剪型高强度螺栓连接副预拉力检测

紧固预拉力(简称预拉力或紧固力)是高强度螺栓正常工作的保证,对于扭剪型高强度螺栓连接副,施工中将螺杆顶部的十二角体拧断则认为达到所要求的预拉力。 因此,为保障扭剪型高强度螺栓的施工质量,需要对十二角体拧断时所对应的预拉力进行检验及复验。 《钢结构工程施工质量验收标准》(GB 50205)规定,扭剪型高强度螺栓连接副应按标准附录B 的规定检验预拉力,其检验结果应符合规范的相关规定。

扭剪型高强度螺栓连接副的紧固轴力(预拉力)是影响高强度螺栓连接质量最主要的因素,也是施工的重要依据,因此要求生产厂家在出厂前进行检验,且出具检验报告。 施工单位应在使用前及产品质量保证期内及时复验。

扭剪型高强度螺栓的质量检验按批进行。 同一性能等级、材料、炉号、螺纹规格、长度(当螺栓长度≤100 mm 时、长度相差≤15 mm,螺栓长度≥100 mm 时、长度相差≤20 mm,可视为同一长度)、机械加工、热处理工艺、表面处理工艺的螺栓为同批。 同一性能等级、材料、炉号、螺纹规格、机械加工、热处理工艺、表面处理工艺的螺母为同批。 同一性能等级、材料、炉号、螺纹规格、机械加工、热处理工艺、表面处理工艺的垫圈为同批。 分别由同批螺栓、螺母、垫圈组成的连接副为同批连接副,同批扭剪型高强度螺栓连接副的最大数量为3 000 套。

扭剪型高强度螺栓应在施工现场待安装的螺栓批中随机抽取,每批应抽取8 套连接副进行复验。

检测要求及步骤如下:

①连接副预拉力可采用经计量检定、校准合格的轴力计进行测试。

②试验用的电测轴力计、油压轴力计、电阻应变仪、扭矩扳手等计量器具,应在试验前进行标定,其误差不得超过2%。

③采用轴力计方法复验连接副预拉力时,应将螺栓直接插入轴力计。 紧固螺栓分初拧、终拧两次进行,初拧应采用手动扭矩扳手或专用定扭电动扳手；初拧值应为预拉力标准值的50%左右。 终拧应采用专用电动扳手,至尾部梅花头拧掉,读出预拉力值。(www.xing528.com)

④每套连接副只应做一次试验,不得重复使用。 在紧固中垫圈发生转动时,应更换连接副,重新试验。

式中: ——预拉力检测平均值,kN；

P——螺栓预拉力值,kN；

σ——标准偏差,kN；

n——检测螺栓数量,一般为8。

检测结果判定:扭剪型高强度螺栓连接副预拉力检测的平均值[按式(5.2)计算]及标准偏差[按式(5.3)计算]应控制在表5.6 所规定的范围内。

表5.6　扭剪型高强度螺栓紧固轴力平均值和标准偏差单位:kN

注:每套连接副只做一次试验,不得重复使用。 试验时垫圈发生转动,试验无效。

(3)高强度大六角头螺栓连接副扭矩系数检测

扭矩系数是大六角头高强螺栓连接的一项重要指标,它表示加于螺母上的紧固扭矩(T)与螺栓轴向预拉力(P)之间的关系。 在高强度螺栓施工过程中,预拉力是紧固的目标值,要求实际螺栓轴力误差小于标准轴力的±10%,所以要求扭矩系数离散性要小,否则施工中无法控制螺栓轴力的大小。

《钢结构工程施工质量验收标准》(GB 50205)规定,高强度大六角头螺栓连接副应按规范附录B 的规定检验其扭矩系数,其检验结果应符合规范附录B 的规定。

大六角头高强度螺栓连接副的质量检验按批进行。 同一性能等级、材料、炉号、螺纹规格、长度(当螺栓长度≤100 mm 时、长度相差≤15 mm,螺栓长度≥100 mm 时、长度相差≤20 mm,可视为同一长度)、机械加工、热处理工艺、表面处理工艺的螺栓为同批。 同一性能等级、材料、炉号、螺纹规格、机械加工、热处理工艺、表面处理工艺的螺母为同批。 同一性能等级、材料、炉号、螺纹规格、机械加工、热处理工艺、表面处理工艺的垫圈为同批。 分别由同批螺栓、螺母、垫圈组成的连接副为同批连接副,对保证扭矩系数供货的螺栓连接副最大批量为3 000套。

大六角头高强度螺栓施工前,应对螺栓的扭矩系数进行复验。 复验用螺栓应在施工现场待安装的螺栓批中随机抽取,每批复验8 套。

检测要求及步骤如下:

①连接副扭矩系数复验用的计量器具应在试验前进行标定,误差不得超过2%。

②每套连接副只应做一次试验,不得重复使用。 在紧固中垫圈发生转动时,应更换连接副,重新试验。

③连接副扭矩系数的复验应将螺栓穿入轴力计,在测出螺栓预拉力P 的同时,应测出施加于螺母上的施扭矩值T,并应按式(5.4)计算扭矩系数K。

式中:T——施拧扭矩,N·m；

d——高强度螺栓公称直径,mm；

P——螺栓预拉力,kN。

进行连接副扭矩系数试验时,螺栓预拉力值应符合表5.7 的规定。

表5.7　螺栓预拉力值范围单位:kN

检测结果判定:每组8 套连接副扭矩系数的平均值应为0.110 ～0.150,标准偏差小于或等于0.010。 扭剪型高强度螺栓连接副采用扭矩法施工时,其扭矩系数亦按本方法确定。

【例题5.2】某钢结构工程中,对一批M16(10.9s 级)大六角头高强度螺栓进行扭矩系数复验,检测得预拉力及施拧扭矩见表5.8。 试评定该批螺栓的扭矩系数是否符合《钢结构工程施工质量验收标准》的要求。

表5.8　扭矩系数检测数据

【解】根据式(5.4)计算各个螺栓的扭矩系数。

K1 ～K8:0.124,0.116,0.129,0.116,0.118,0.125,0.115,0.121;

扭矩系数平均值:0.120;标准偏差:0.005。

《钢结构工程施工质量验收标准》(GB 50205)合格评定标准:每组8 套连接副扭矩系数的平均值应为0.110 ～0.150,标准偏差小于或等于0.010;

检测结果表明:该批螺栓的扭矩系数合格。

(4)高强度螺栓连接副施工扭矩检测

高强度螺栓连接副扭矩检验含初拧、复拧、终拧扭矩的现场无损检验,检验所用的扭矩扳手其扭矩精度误差应不大于3%。

高强度螺栓连接副扭矩检验分扭矩法检验和转角法检验两种,原则上检验法与施工法应相同。

扭矩法检验:在螺尾端头和螺母相对位置画线,将螺母退回60°左右,用扭矩扳手测定拧回至原来位置时的扭矩值,该扭矩值与施工扭矩值的偏差在10%以内为合格。

高强度螺栓连接副终拧扭矩值按式(5.5)计算:

式中:Tc——终拧扭矩值,N·m；

Pc——施工预拉力值标准值,kN,其取值见表5.9；

d——螺栓公称直径,mm；

K——扭矩系数,按高强度大六角头螺栓连接副扭矩系数试验确定。

高强度大六角头螺栓连接副初拧扭矩值T0 可按0.5Tc 取值。

表5.9　高强度螺栓连接副施工预拉力标准值单位:kN

转角法检验:检查初拧后在螺母与相对位置所画的终拧起始线和终止线所夹角度是否达到规定值。 在螺尾端头和螺母相对位置画线,然后全部卸松螺母,再按规定的初拧扭矩和终拧角度重新拧紧螺,观察与原画线是否重合。 终拧转角偏差在±30°以内为合格。

终拧转角与螺栓的直径、长度等因素有关,应由试验确定。

扭剪型高强度螺栓终拧检查以目测螺栓尾部梅花头拧断为合格；对于不能用专用扳手拧紧的扭剪型高强度螺栓按大六角头螺栓规定进行终拧质量检查。

(5)其他

①高强度螺栓连接副终拧后,螺栓丝扣外露应为2 ～3 扣,其中允许有10%的螺栓丝扣外露1 扣或4 扣。

检验方法:观察检查。

②高强度螺栓连接摩擦面应保持干燥、整洁,不应有飞边、毛刺、焊接飞溅物、焊疤、氧化铁皮、污垢等,除设计要求外摩擦面不应涂漆。

检验方法:观察检查。

③高强度螺栓应自由穿入螺栓孔。 高强度螺栓孔不应采用气割扩孔,扩孔数量应征得设计同意,扩孔后的孔径不应超过1.2d(d 为螺栓直径)。

检验方法:观察检查及用卡尺检查。

④螺栓球节点网架、网壳总拼完成后,高强度螺栓与球节点应紧固连接,连接处不应出现有间隙、松动等未拧紧情况。

检验方法:普通扳手、塞尺及观察检查。