【正文】 在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，高強(qiáng)度螺栓更是起 到至關(guān)重要的作用。那么如何去評(píng)定一個(gè)高強(qiáng)度螺栓制作的好與壞，標(biāo)準(zhǔn)與否，就必須用到一個(gè)參數(shù) —— 扭矩系數(shù) K。也就是說 K 是作為高強(qiáng)度螺栓質(zhì)量的主要指標(biāo)。在我國國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定對(duì)于高強(qiáng)度螺栓連接副的扭矩系數(shù)的供貨是按批量保證的。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)偏差之間也有著明確的規(guī)定。在安裝和使用之前需要經(jīng)過嚴(yán)格的審查和復(fù)驗(yàn)。在此背景之上，本篇論文關(guān)于測(cè)量出不同規(guī)格的扭矩系數(shù)與數(shù)據(jù)分析比較就顯得意義非凡。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 2 高強(qiáng)度螺栓的介紹和應(yīng)用 所謂高強(qiáng)度螺栓顧名思義，其強(qiáng)度承載能力較普通螺栓高。在設(shè)計(jì)準(zhǔn)則方面可以分為兩大方面，第一摩擦性型連接， 靠的是連接件與連接件之間的摩擦力來傳力，也就是說在施工時(shí)我們只需要保證剪應(yīng)力 V不大于摩擦力就可以了。涉及到 V就與施加的預(yù)緊力相關(guān)，摩擦力就要考慮抗滑移系數(shù)值的因素。第二承壓型連接，使用強(qiáng)度較高的剛制成。廣泛的應(yīng)用在建筑、橋梁、桁架等鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。有著安裝方便容易拆卸可替換的優(yōu)點(diǎn)。但最主要的原因是它可以承受較大的預(yù)緊力，這說明它也可以應(yīng)用在高壓與密閉性容器的連接中。預(yù)緊力的計(jì)算通常要考慮到螺栓屈服于抗拉強(qiáng)度在根據(jù)折算應(yīng)力系數(shù)（我國一般選取系數(shù)為 ）根據(jù)材料力學(xué)的第四強(qiáng)度理論 [1]計(jì)算確定準(zhǔn)則。其中偏差因子 系數(shù)選 。等級(jí)為 和 ，而普通螺栓只在 4 到 5 級(jí)上下。高強(qiáng)度螺栓受力特點(diǎn)預(yù)緊力或摩擦力傳遞外力。 現(xiàn)在來講高強(qiáng)度螺栓的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入到一個(gè)很深的層次。下面重點(diǎn)介紹高強(qiáng)度螺栓的幾個(gè)現(xiàn)代的應(yīng)用。 第一：蕪湖長江大跨越塔的高強(qiáng)度螺栓 [2]連接的應(yīng)用，在安徽省的蕪湖有一座大跨越塔，全長 1910m，高 229m，由于高度過高，載荷過大，像普通的 螺栓根本不能滿足要求，必須要用到高強(qiáng)度螺栓，這座大跨越塔，用到了一種特殊的連接方式，被稱為法蘭盤連接，在一個(gè)內(nèi)徑為 1000mm 的圓盤四周安裝上 24個(gè) 級(jí) M45 高強(qiáng)度螺栓。 第二：南京長江大橋的高強(qiáng)度螺栓 [3]的應(yīng)用。在南京長江大橋的上部結(jié)構(gòu)中，有幾個(gè)連續(xù)剛桁架全長 1615m，分為 128 個(gè)節(jié)點(diǎn)，處理橋面鋼板用的是除了焊接外，還有用到高強(qiáng)度螺栓連接，共用去螺栓 200 多萬套，其中分別有用于主桁架的 M30 螺栓到連接構(gòu)建的 M24 螺栓再到 U行板的 M22 型螺栓。在這樣的大型施工中不僅要進(jìn)行常規(guī)的儲(chǔ)存、驗(yàn)收、進(jìn)廠檢驗(yàn)、抗滑移系數(shù)實(shí)驗(yàn)、加工工藝、質(zhì)量檢查、復(fù)查等工作，還進(jìn)行了螺母硬度檢查墊片硬度檢查，墊片硬度平均在 329HV 30436HV 30. 第三：重慶 朝天門長江大橋高強(qiáng)度螺栓群 [4]，在本座大橋上，由于拼裝式節(jié)點(diǎn)多，受重慶市溫度影響較大，連接板厚度較大等因素，決定使用高強(qiáng)度螺栓群作為連接裝置，該橋全長 934m 分為上下兩層，上層寬度為 ，下層寬度 29m，采用摩擦型高強(qiáng)度螺栓的連接，如下圖所示為當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)的螺栓群的整體排布設(shè)計(jì)圖： 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 3 圖 121 該大橋主要使用了 M24 與 M30 的螺栓，其中 M30 螺栓共用 2179。 80 個(gè)， M24 共用 1179。 40個(gè)，用于測(cè)量的軸力傳感器 60個(gè)。 第四：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高強(qiáng)度螺栓連接 的應(yīng)用 [5]，近幾年來，能源問題備受關(guān)注，可持續(xù)能源更成為未來能源發(fā)展一個(gè)重要的方向，而風(fēng)能作為一種零污染的可持續(xù)能源，成為了未來要發(fā)展的重要方向，在風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電機(jī)上，就應(yīng)用到高強(qiáng)度螺栓，我們知道，風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要包括五個(gè)部分分別為葉片，輪轂，主軸，塔筒與機(jī)架，但是在風(fēng)力很強(qiáng)的時(shí)候，發(fā)電機(jī)及設(shè)備很容易由于連接強(qiáng)度不足被吹散，例如在 08 年 10月份，在臺(tái)灣的一架風(fēng)力發(fā)電設(shè)備由于臺(tái)風(fēng)而發(fā)生斷裂，是由于底部的螺栓全部開裂而發(fā)生的，多年以來全國各地此類事件很多，也就是說高強(qiáng)度螺栓的使用必須成為解決此類問題一個(gè)關(guān)鍵。 如下圖所示：很明顯螺栓在強(qiáng)風(fēng)的作用下，發(fā)生了全部的斷裂。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 4 圖 122 目前，在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中，有很多應(yīng)用到高強(qiáng)度螺栓，如上圖的法蘭式 [6]連接，整體的穩(wěn)定性就取決與底部連接情況，衡量它的強(qiáng)度及疲勞影響是關(guān)鍵。 不同種類的高強(qiáng)度螺栓連接副 為了接下來的實(shí)驗(yàn)做鋪墊，我們先來了解研究一下不同種類的螺栓。首先，由于高強(qiáng)度螺栓特有的優(yōu)勢(shì)。它已經(jīng)成為與焊接同等重要的連接形式。具有良好的受力性能，及易于均勻受力。安裝方便，易于拆卸與二次利用。也能保證質(zhì)量的要求。高強(qiáng)度螺栓是指性能等級(jí)在 。一般 分為四個(gè)等級(jí)分別為， 級(jí) 級(jí)，各級(jí)別的力學(xué)性能有著很大的不同，首先抗拉強(qiáng)度值， 級(jí)抗拉強(qiáng)度在 800 到980Mpa，洛氏硬度在 22到 34 之間， 級(jí)抗拉強(qiáng)度在 9001080Mpa 之間，洛氏硬度在 2837HRC 之間， 級(jí)抗拉強(qiáng)度在 104011802Mpa 之間，洛氏硬度在 3239 之間， 級(jí)抗拉強(qiáng)度在 12201380Mpa 之間，洛氏硬度在 質(zhì)量的高低進(jìn)行劃分的話，那么一般將其分為三類。第一類，當(dāng)前質(zhì)量，在鍛造之前比較好的鋼材 ，力學(xué)性能要求不易變形、開裂容易鍛造等等。第二類稱為潛在質(zhì)量，在能達(dá)到上述的基礎(chǔ)上，當(dāng)加入各種合金之后，擁有更好的力學(xué)性能。第三類稱為最終質(zhì)量，要求很高的抗拉強(qiáng)度，抗磨損、韌性、塑形達(dá)到要求在表面不容易出現(xiàn)集中力現(xiàn)象，潮濕等各種惡劣的環(huán)境下，均能保持良好的性能，比如在極其寒冷的地區(qū)施工時(shí)，螺栓不出現(xiàn)脆性斷裂，在溫度變化明顯的地區(qū)受熱臟冷縮影響最小，在水下施工不易腐蝕等等。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 5 其中常用在工程實(shí)際中的只有大六角頭的和扭剪型的兩種。又可以按照它們的抗拉強(qiáng)度值的大小分為不同的型號(hào)。國內(nèi)大約有 58 種，這里不一一說明了 。 關(guān)于大六角頭高強(qiáng)度螺栓連接副的緊固的介紹 [7] 它的組成包括螺栓螺母各一個(gè)，兩個(gè)墊片。下面來說它的能量組成。如果將螺母受到的扭矩作為全部的外力做功即總功之和。用總A來表示。則下面的公式成立 總A= )(21 無用無用有用 AAA ?? 其中 有用A 為由于扭矩產(chǎn)生的螺栓軸力即預(yù)緊力做的功， 1無用A 為墊片摩 擦產(chǎn)生的功，2無用A 為螺栓與螺母摩擦的功。上述分析可知。有用功對(duì)無用功比值增加。我們就要盡可能減少無用功所產(chǎn)生的能量。在生產(chǎn)工廠中怎樣的過程控制加工工藝才能最大化的提高有用功的比值是我們研究的關(guān)鍵，也就繼而引出我們的宗旨如何確定一個(gè)好的緊固原理。 在后面的章節(jié)中我們會(huì)計(jì)算扭矩系數(shù)，會(huì)涉及到扭矩值 M 與預(yù)緊力 F，在后面的實(shí)驗(yàn)中我們只提到了施加于螺栓上的 M 值，絲毫沒提到相關(guān)到如何求預(yù)緊力的值，實(shí)際上通過施加的 M 值大小，就可以求出來 F 值大小，在測(cè)試儀中自動(dòng)計(jì)算出預(yù)緊力的大小，自動(dòng)套用了計(jì)算公式。下面給出一個(gè)公式來說明 M 與 F 的關(guān)系： T= 2P ﹛nne dt a nd ??? ?? ）（﹜ 公式跟涉及到了螺紋的有效直徑ed表示，螺紋面的摩擦角、螺紋面摩擦系數(shù)螺牙的半角、升角、螺母與墊片接觸面直徑、螺母與墊片之間的摩察系數(shù)。對(duì)于同一型號(hào)的連接副它們的參數(shù)值大多是相同的。為什么我們要做這樣的實(shí)驗(yàn)來測(cè)量扭矩系 數(shù)，其意義何在呢，一般來說對(duì)于同種類型的螺栓，保存良好會(huì)有相同的扭矩系數(shù)值，如果是這樣，通過施加扭矩我們就可以控制它的預(yù)緊力。而預(yù)緊力值的大小也是施工參數(shù)的重要組成部分，簡單來說我們希望螺栓有著相同的扭矩系數(shù)，這樣會(huì)更容易的控制預(yù)緊力，本論文主要目的是扭矩系數(shù)值的影響因素。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 6 在螺栓擰緊時(shí)，螺栓會(huì)受到拉力，被約束的物體會(huì)受到壓力。現(xiàn)在預(yù)緊力用 P 表示， k 表示螺栓彈簧系數(shù)，產(chǎn)生的壓縮量δ。而被約束物體產(chǎn)生的系數(shù)為 K1 壓縮為δ1。于是得到平衡方程 P=K *δ =K1*δ1 則螺母的轉(zhuǎn)角可以用δ與δ1表示出來，設(shè)轉(zhuǎn)角為θ。則有 θ = Pδqδ? 179。0360 螺母轉(zhuǎn)角與軸力的關(guān)系：可以分為三段分析，第一段為第一次擰緊，關(guān)系為成上升趨勢(shì)的拋物線。第二段為第二次擰緊，關(guān)系為上升趨勢(shì)的一次函數(shù)，是擰緊的關(guān)鍵部分。第三段進(jìn)入了塑形區(qū)域的階段，在第二與第三階段的交點(diǎn)處（設(shè)為 Y 點(diǎn)）作為終擰點(diǎn)，所產(chǎn)生的角度為最小轉(zhuǎn)角。螺栓有兩種擰緊方法，一種為扭矩法一種為轉(zhuǎn)角法。上面介紹的為轉(zhuǎn)角法。相對(duì)于扭矩法，轉(zhuǎn)角法有一定的優(yōu)勢(shì)，扭矩法是在彈性階段快結(jié)束時(shí)的位置 即第一次擰緊為標(biāo)準(zhǔn)，而轉(zhuǎn)角法則是以第二次作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)檩S力的變化小了，使得轉(zhuǎn)角法受扭矩系數(shù)的影響更小，但是轉(zhuǎn)角法也有一定的缺陷，因?yàn)樗吘故窃谒苄詤^(qū)域進(jìn)行的，有可能在擰緊的過程中，螺栓會(huì)出現(xiàn)突然地?cái)嗔?，一般來說在 1200KN 一下的高強(qiáng)度螺栓中不會(huì)發(fā)生這樣的脆性斷裂，也就是說常用的高強(qiáng)度螺栓不會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，可以放心使用。 影響螺栓轉(zhuǎn)角與軸力之間的關(guān)系論述：通常通過實(shí)驗(yàn)我們知道，首先螺栓長度，螺栓與螺母之間摩擦潤滑狀態(tài)影響著軸力與轉(zhuǎn)角的關(guān)系，其實(shí)握距也是重要影響因素之一，與螺絲頭與墊圈 [8]之間的厚 度稱之為握距。而握距就是影響因素之一，還和螺栓的剛度相關(guān)聯(lián)。并且我們可是得到在彈性基礎(chǔ)上的轉(zhuǎn)角與軸力的關(guān)系。 PEA TLE0360?? 其中 E 為楊氏模量， p 螺距 L 握距。EA為橫截面積。從式子中得知 L 與θ成正比，即握距加大轉(zhuǎn)角必將增加，而θ與 P 螺距成反比。② 扭矩系數(shù)，扭矩系數(shù)是本論文的中心，后面將會(huì)具體介紹，在這里簡單提到過大的 扭矩系數(shù)螺栓的強(qiáng)度和延展性（在 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 7 亞洲中國和日本對(duì)于扭矩系數(shù)的控制有很好的掌握，歐美等地雖然很早發(fā)現(xiàn)意識(shí)到扭矩系數(shù)的重要性，但一直沒有相關(guān)的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)）。在螺栓的儲(chǔ)存于在此使用時(shí)，一定要進(jìn)行扭矩系數(shù) K 的在次測(cè)量，扭矩系數(shù)一定會(huì)發(fā)生改變的，所以久置不用的螺栓要經(jīng)過復(fù)檢合格后方可再次使用 [9]。 最后一點(diǎn)提到關(guān)于三次擰緊即初擰復(fù)擰和終擰問題，初擰只是讓螺母與被連接物體剛好接觸為好，以便在復(fù)擰時(shí)能用上全力，對(duì)于終擰，方法很簡單。一位普通的施工工人用盡全力完成擰緊過程即可當(dāng)作終擰，需要提醒的是最好在三次擰緊的過程中進(jìn)行標(biāo)記，這樣漏擰個(gè)過擰現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生。這里有對(duì)三次擰緊過程的具體介紹：初擰，使用的是專用扳手，在螺栓群中按順序進(jìn)行，完事后有專用的小錘用來敲擊檢查，防止漏掉。有時(shí)也可以進(jìn)行劃線，終擰用專門的扳手?jǐn)Q過一定的度數(shù)，每一個(gè)螺栓都按照此來進(jìn)行通過度數(shù)的識(shí)別就可以發(fā)現(xiàn)漏擰的螺栓。也有用不同顏色的筆來做記號(hào)。在復(fù)查人員進(jìn)行復(fù)查時(shí)就可通過對(duì)顏色的比較來判斷螺栓的擰緊程度。抽查時(shí)一般會(huì)選取出 5 到 10 份作為樣本。 扭剪型高強(qiáng)度螺栓的緊固原理 對(duì)比與上述大六角頭螺栓，扭剪型螺栓的構(gòu)成只需要用到一個(gè)墊片，在螺栓的 后方與螺母相連接的地方加一個(gè)墊片。前方的結(jié)構(gòu)與大六角頭截然不同是與螺桿連在一起的結(jié)構(gòu)無需墊片。即它和大六角頭螺栓在外形上有所不同。其次就是在對(duì)預(yù)緊力的控制方面有所不同，至于力學(xué)性能方面，可以參考上面的對(duì)大六角頭的介紹。還有它的特有的部分是一個(gè)突出的被稱為梅花頭的部分（一個(gè)卡頭結(jié)構(gòu)）。對(duì)于扭剪型的緊固還需要特殊的工具扳子 ———— 電動(dòng)扳手。電動(dòng)扳手有兩個(gè)套筒，外套筒是作用在螺母上，內(nèi)套筒是作用在上述介紹的梅花頭部分，在電動(dòng)扳手工作時(shí)，內(nèi)外套筒產(chǎn)生方向相反但大小相等的扭矩當(dāng)扭矩達(dá)到一定程度是切開斷開，即梅花頭部分 脫離，證明緊固結(jié)束。從這里我們可以判斷出來，這種類型的螺栓承受的最大的力矩就是在擰斷瞬間的力矩。、當(dāng)我們觀察到梅花頭斷裂即可停止電動(dòng)扳手，正由于此，所以對(duì)于剪型高強(qiáng)度螺栓的緊固并不需要特殊的工作人員完成，普通的施工人員就可以做到，所以在工程實(shí)際中可以省下聘請(qǐng) 專業(yè)人員的費(fèi)用。 以上是對(duì)于承受扭剪力的螺栓，而對(duì)于摩擦型的螺栓用扳手控制的扭矩法就可以做 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 8 到。 接下來將過程中涉及到的相關(guān)公式介紹給大家。由材料力學(xué)可知切斷時(shí)達(dá)到的扭矩值（設(shè)為 Mb） Mb=BW?=16? 3db? 扭矩型材料用剛一般為 20MnTiB，由工程材料知識(shí)可知 在進(jìn)行熱處理時(shí)b?一般等于uf抗拉強(qiáng)度值，溫度的控制是確定扭斷是力矩的一個(gè)重要因素，一般來說溫度提高了 10 度，有可能力矩就減少了 20n／ m 回火控制溫度在規(guī)定的177。 10 上左右。 最后區(qū)別于六大腳頭螺栓，扭剪型的只需初擰和終擰即可，因?yàn)閺拿坊^的擰斷直觀上看出螺栓是否完成擰緊過程，對(duì)于力度的大小，這里有一個(gè)參考值。終擰時(shí)候是普通人使用全力，而初 擰時(shí)只需要使用終擰時(shí)一半或在多一點(diǎn)的力，力度在終擰的50﹪到 80﹪如果選用轉(zhuǎn)角法進(jìn)行緊固的話 ,60176。為最佳選擇。在操作過程中有三個(gè)最終影響因數(shù) 扭矩系數(shù) K 抗拉強(qiáng)度 fu