鋼結構高強螺栓松動原因分析及預防措施

鋼結構高強螺栓松動原因分析及預防措施

張弼偉，許家文

（山西省建筑科學研究院結構與檢測鑒定研究所，山西太原 030001）

摘 要：介紹了鋼結構高強螺栓的連接類型及受力特點，結合鋼結構檢測實例研究了高強螺栓松動的原因，提出覆蓋保護膜、合理施擰及雙螺母等預防措施，進而完善高強螺栓連接的施工工藝，保證高強螺栓的連接質量。

關鍵詞：鋼結構；高強螺栓；螺栓松動；預防措施

0 引 言

目前，鋼結構已被廣泛的應用于工業與民用建筑中，其具有強度高、自重輕、整體性好、施工速度快、節能環保等諸多優點。鋼結構整體是由預制鋼構件通過焊接、螺栓或鉚釘等連接方式拼裝而成，因此節點連接就成為設計、施工以及驗收的重要組成部分。而高強螺栓作為目前鋼結構設計中應用最廣泛的連接形式，是由于它具有連接可靠、便于安裝拆卸以及受力和抗疲勞性能好等優點。但在實際工程中，經常會遇到鋼結構建筑物或構筑物在正常使用過程中，部分高強螺栓存在松動的情況，出現這種情況會嚴重影響結構的整體安全穩定性，尤其是受重復動荷載的結構存在的安全隱患更嚴重。因此本文對鋼結構檢測中所發現的高強螺栓松動現象做了一些分析，并提出相應處理措施。

1 高強螺栓連接類型及特點

根據高強螺栓的不同受力特性，可分為摩擦型連接和承壓型連接兩種類型。

摩擦型連接是根據高強螺栓所具有的緊固特點，在被連接板重疊部分間產生摩擦阻力以傳遞剪力而將構件、部件或板件連成整體的連接方式。設計時，摩擦型高強螺栓的極限連接承載力是以板間摩擦力恰好被克服為準則的，這意味著該類型螺栓不承擔剪力，連接板間摩擦力一旦產生相對滑動，設計中即判定這種連接狀態已經達到了破壞狀態。承壓型連接是依靠螺桿的抗剪性能和螺桿與孔壁的承壓性能以傳遞剪力而將構件、部件或板件連成整體的連接方式，是以螺栓自身受剪破壞或螺栓孔壁承壓破壞作為設計準則。從單個螺栓受剪的工作曲線（圖1）可以看出：當以“1”點位作為連接受剪極限承載力時，即僅依靠接觸面間的摩擦力傳遞剪力，這是摩擦型高強螺栓的計算準則，但從曲線中可知該連接仍較大的承載潛力；而最高點“3”是承壓型高強螺栓的連接極限承載力，該連接比摩擦型連接更加充分地利用了螺栓本身的承載能力，從理論上來講可以節省50%以上的螺栓［1］。

圖1 單個螺栓受剪工作曲線

從理論上分析：因承壓型高強螺栓剪切變形較摩擦型大，并且接頭易產生滑移，故對于承受動荷載的結構以及接頭變形易導致結構內力和剛度產生較大變化的敏感構件，國家規范有明確規定，不應采用承壓型連接［1］。從技術上分析：摩擦型連接是比較成熟和保守的連接形式，使用過程中也便于控制，且在動荷載作用下不易松動，因此在施工中被廣泛使用。故本文僅以摩擦型高強螺栓為例進行分析。

2 工程案例

某工廠車間為單層門式剛架結構，共有11 榀GJ-1組成，鋼梁、柱材料均為Q235B鋼；構件拼接連接采用10.9級摩擦型高強螺栓連接，對接焊縫質量等級不低于二級；車間內配備起重5 t吊車一部。

圖2 GJ-1結構

現場抽取了12個節點，使用預置式數顯扭矩扳子對所抽取節點的所有螺栓進行了扭矩值檢測，測試結果顯示，有5個螺栓的扭矩終擰值未達到設計要求的終擰扭矩值，見表1。

3 松動原因分析

單個摩擦型高強螺栓的承載力設計值是設計規范要求［1］進行計算：

式中，受剪承載力設計值；nf為傳力摩擦面個數；μ為摩擦面的抗滑移系數；P為一個高強螺栓的預拉力。

從式（1）中可以看出，影響單個摩擦型高強螺栓承載力的因素主要為摩擦面個數、抗滑移系數以及預拉力有關。因此結合現場檢測的結果，對高強螺栓松動原因進行分析，分析如下：

表1 螺栓扭矩終擰值測試

節點軸線位置螺栓位置螺栓規格終擰扭矩設計值/（N·m）終擰扭矩測試值/（N·m）存在油污10/A-D北段3-3底排2M20374314連接板接觸面存在間隙14/A-D南段3-3底排1M20374288連接板有毛刺，油污，接觸面存在間隙14/A-D北段2-2底排2M20374301連接板尺寸存在偏差，接觸面有間隙13/A-D北段3-3底排1M20374322螺栓銹蝕，螺紋損傷外觀情況5/A-D南段2-2底排1M20374271節點銹蝕，

（1）螺栓、連接板污損。

螺栓與連接板接觸面的抗滑移系數是影響螺栓承載力的重要參數，而抗滑移系數是由試驗確定，但在鋼結構現場施工中，螺栓、連接板等構件往往會在運輸、裝卸、保管的過程中，表面被油污、雜物等污染，使材料抗滑移性能下降，降低了螺栓的承載能力。

（2）螺栓施擰順序錯誤。

高強螺栓應按一定的順序進行施擰，錯誤的施擰順序會使連接板受力不均衡，出現局部微小的形變，最終導致連接板層貼合不緊密。而在施擰的過程中，初擰扭矩過大或過小，甚至不經初擰直接終擰，也會導致連接板差生微小形變，最終導致節點的承載力下降。

對于單個節點上的高強螺栓群連接副擰緊，應分初擰和終擰兩個步驟。同時，應按一定的順序施擰，施擰順序的原則應按先中間后向外的順序擰緊。如此順序施擰，可以保證被連接構件與連接板充分接觸，充分發揮摩擦面的抗滑移作用［2］。

（3）連接板間存在間隙。

板厚公差、制造偏差、安裝偏差以及連接板表面的毛刺等都會使摩擦面間產生一定的間隙，這使得有間隙一側的部分螺栓緊固力會以剪力形式通過連接板傳向較厚一側，導致該部位摩擦面間的正壓力減小，摩擦承載力降低。因此，國家現行相關規范規定：①當間隙小于1 mm時，不予處理；②當間隙在1～3 mm時，將厚板一側削成1∶10緩坡，使間隙小于1 mm；③當間隙大于3 mm時，應加厚度不小于3 mm的墊板，但最多不超過3層，并采用與構件相同的處理方法對墊板材質和摩擦面進行處理［3］。

（4）震動影響。

在配備有吊車的鋼結構車間中，吊車反復移動所產生的動荷載，會使節點處的螺栓自身產生振動，影響螺栓的擰緊效果。螺栓自振動基本為兩個方向，軸向振動和徑向振動。隨著振動能量和次數的增加，螺栓會出現微小的變形，造成應力松弛，使螺栓預緊力減小，節點螺栓發生松動，但螺栓預緊力不會因振動而無限減小，而是減小至一定程度則趨于穩定［4］。

4 防松措施

（1）在對螺栓、連接板的運輸和保存過程中，應輕裝、輕卸，防止損傷螺紋和連接板。此外還應采取一定的防潮、防銹和防沾染贓物等相應措施，保護摩擦面，對摩擦面已被污染的連接板等，應進行相應的處理才能使用。

圖3是一種簡便可行的保護摩擦面的方法。在防腐施工前，將紙張等遮蓋物，覆蓋在摩擦面之上，遮蓋物四邊要寬于接觸區域邊緣，并且用膠帶將遮蓋物邊緣進行粘貼密封。

圖3 摩擦面保護措施

（2）施工初擰扭矩及終擰扭矩應進行準確計算。高強螺栓連接副在擰緊后會有一部分預拉力損失，因此在施擰時應對預拉力損失進行一定的補償，規范［2］規定施工預拉力應比設計預拉力增加10%，對于大六角頭高強螺栓初擰和復擰扭矩值為終擰值的0.5倍。初擰和復擰后的螺栓應進行顏色標記，終擰后的螺栓應用另一種顏色區別標記。對于大六角頭高強螺栓連接副，初擰、復擰和終擰應在一天內完成。

（3）施擰時，應嚴格遵循先中間、后四邊，先接頭剛度大的部位后約束小的部位進行施擰。圖4為一般節點接頭及工字梁接頭螺栓施擰順序。

圖4 常見螺栓連接接頭施擰順序

此外，對于工字型柱對接螺栓應按先翼緣后腹板的順序進行施擰；而對于兩個或多個節點螺栓群應按先主要構件，后次要構件的順序施擰。

（4）雙螺母連接也是目前廣泛采用的一種螺栓防松動的方法［5］。這種鎖緊裝置的工作原理是靠兩螺母的螺紋產生的微小彈性變形而將螺母鎖緊，其具有更長的抗振壽命。

圖5是一種常見的雙螺母緊固件，由防松螺母、螺母和防松螺栓組成。其中防松螺母和螺母旋擰方向相反，防松螺栓末端由工作螺紋和防松螺紋兩段直徑不同的螺紋組成，防松螺紋外徑小于緊固螺紋內徑。緊固件在工作時，螺母在振動、沖擊等作用下，可能發生微小變形或松動，但由于兩螺母的旋擰方向相反，防松螺母此刻起到擰緊和阻止螺母松退的鎖緊作用，從而確保工作螺母無法松脫。

圖5 雙螺母緊固件結構

5 結 語

本文未考慮原材料、設計等對螺栓松動的影響，而僅僅是從施工的角度對檢測中發現的高強螺栓松動現象進行了一定的分析，同時提出了一些預防螺栓松動的措施和方法，其簡單易行、安全可靠，可為鋼結構中高強螺栓節點連接施工提供一定的參考。但如果實際情況復雜，則應建立模型對結構進行詳細分析及驗算，最終確定施工手段，保證節點連接的可靠性。

參考文獻：

［1］ GB 50017-2003，鋼結構設計規范［S］.

［2］ 李啟才，顧強，蘇明周，陳愛國.摩擦型高強螺栓連接性能的試驗研究［J］.西安科技學院學報，2003，03：322-324+327.

［3］ GB 50755-2012，鋼結構工程施工規范［S］.

［4］ 單長偉，楊琪，武慶.振動對高強度螺栓擰緊效果的影響［J］.輕型汽車技術，2008，（9）：23-26.

［5］ 金玉萍，黃朗寧，隋玉國.雙螺母防松時螺栓聯接裝配擰緊工藝的初步理論分析［J］.煤礦機械，2009，30（5）：117-119.

Analysis of the causes for high-strength bolts loosening in steel structure and the prevention measures

Zhang Biwei，Xu Jiawen
（Structure Testing and Identification Research Institute，Shanxi Academy of Building Research，Taiyuan 030001，Shanxi）

Abstract：The connection type and mechanical characteristics of high strength bolt in steel structure were introduced，in combination with the practical steel structure testing example，the causes for loosening of high strength bolts were studied，such preventive measures as covering protective film，screwing reasonably and double nuts were put forward，so as to perfect the construction technique of high-strength bolt connection and ensure the connection quality of and high-strength bolts.

Key words：steel structure；high-strength bolt；bolt loosening；preventive measures

中圖分類號：TU 391

文獻標識碼：B

文章編號：1673-8993（2016）03-0064-04

doi：10.13402/j.gcjs.2016.03.013

收稿日期：2016-02-15

基金項目：山西省自然科學基金（2014011033-1）；國家自然科學基金資助項目（51308371）

作者簡介：張弼偉（1984-），男，工程師。