国内钢结构高栓施拧主流方法——扭矩法的检查目的及问题

国内钢结构高位螺栓的拧紧主流方法是扭矩法，扭矩法终拧完成后会进行检查，除了检查螺栓外露螺纹、垫圈是否倒装旋转、螺栓是否随螺栓转动等检查外，重头戏就是终拧扭矩检查。本文主要针对钢结构高位螺栓终拧扭矩检查进行介绍。

1. 检查目的

最终紧固扭矩检验的前提是最终紧固采用扭矩法进行。国内钢结构行业采用扭矩法是从铁路钢桥开始的，相关规范也是由铁道科学院和桥梁局最早起草制定的。最终紧固扭矩检验规定的出发点是基于当时的工具和工艺条件。当时紧固工具为电流式定扭矩电动扳手，输出扭矩不直观也不稳定。为了防止装配事故，将最终紧固扭矩检验写入相关规范作为保障。

那么最终紧固检查的目的是什么呢？其实很简单：防止各种批量紧固事故。实践中，通过最终紧固检查发现的主要问题有：扳手使用错误、扳手失灵（不稳定）和带故障工作、扭矩系数使用错误、扭矩计算错误或扳手校准错误、预紧力损失过多、板层之间接触不够紧密等。

2. 检查性质

1、最终紧固扭矩检验是一种破坏性检验，会干扰已紧固的连接副的质量。因此我们一般不鼓励过多的最终紧固扭矩检验，同时也建议监理及三检做好记录。

2、最终紧固扭矩检验虽然测量了残余扭矩，但目的是检查残余预紧力，并假定扭矩系数与施工时相同。高强度螺栓紧固的一大特点是紧固完成后扭矩会衰减，衰减幅度受多种因素影响，无法准确测量和控制。因此，事后检测残余扭矩一般不作为准确评价施工工艺或工具精度的手段。其他行业一般采用动态扭矩测试来评估工具和工艺的质量保证能力。钢结构行业一般通过班前校准扳手来测试工具的能力。

3、终拧扭矩检验的精度有限。施工的扭矩系数是通过抽样获得的，个别螺栓连接对之间会存在差异，扭矩系数在拧紧一次后也会发生变化，还与温度、湿度有关。检验的扭矩还与加载速度、连接对的连接刚度有关。预紧力的损失还与时间、连接板层数、螺栓夹紧长度等有关。终拧扭矩检验的精度虽然有限，但也是依据原有工装和工艺条件而采取的一项必要的质量保证措施。

3. 检查比例

由于最终扭矩检验属于破坏性检验，个人认为最终扭矩检验率应为1%~5%，国内不同标准检验率在5%~10%不等，高铁桥梁有一段时间是100%。

4. 检查时间

检查时机主要考虑两个因素：预紧力和扭矩系数随时间的变化。此外，还应考虑施工工期以及涂装防腐时机。

对于扭矩系数，越快越好。

但对于预紧力来说，则恰恰相反。如前所述，在紧固完成后，连接副的预紧力会有损失，这个损失过程类似一个指数函数，实验表明，大部分损失在紧固后第一个小时内完成，24小时后基本稳定。因此，国内多数规范对最终紧固检验时间规定为最终紧固完成后1小时，24小时内完成。但考虑到近年来钢结构体积的增长趋势，螺栓连接越来越大，有时难以在24小时内完成最终紧固检验。为此，有些规范在修订时在“24小时内”前加了一个“应”，有的规范直接修订为48小时内。另外，对于一些复杂节点，由于1小时后预紧力损失还未稳定，通常建议2小时后检验。

欧盟钢结构规范规定：12~72小时。

美国钢结构规范不推荐螺栓的最终拧紧扭矩检验，但将最终拧紧扭矩检验作为仲裁方法。在仲裁的相关条款中，并没有对最终拧紧扭矩检验的时间作出规定，但在注释中特别注明：时间的推移是扭矩预紧关系（扭矩系数）中需要注意的因素之一。

5.检查方法

目前，国内对钢结构最终紧固扭矩的校核方法主要有紧固法和松开复位法，两种方法各有优缺点，紧固法效率高，离散性小，但人工操作难度大；松开法效率低，但操作简便。

1. 紧锁法

紧固方法中最令现场技术人员头疼的是紧固试验和紧固比的确定。

相关规范规定必须检验紧固方法的主要原因是扭矩系数与加载速度有关。通常高强度螺栓的扭矩系数试验一般采用手动扳手加载，施工时采用电动扳手加载，检验时采用手动扳手加载。三者的加载速度相差较大，测得的扭矩系数也相差较大，极少数情况下可达15%！也就是说，要达到同样的预紧力，不同加载速度下所需的扭矩可能相差15%！紧固方法试验或紧固率试验，其实就是对现场工况进行严格的全因素模拟，以消除此类误差。

2. 松扣式减扣法

松开方法中比较有争议的一点就是松开角度，个人认为最好定一个范围，而不是固定一个角度，个人建议15~45°。有些规范规定60°，这个角度操作方便（只要把螺母以一定角度松开即可），但螺栓完全松开时容易出事。

松开法对扭矩系数也有一个假设，即与拧紧时的扭矩系数一致。但松开复位法的扭矩系数其实就是二次拧紧的扭矩系数。大量的试验数据证明，目前国内高螺栓钢结构表面处理工艺，第一次拧紧和第二次拧紧的扭矩系数相差很大，有的甚至超过10%。因此，有些有经验的技术人员，在取样测量螺栓连接副第一次拧紧扭矩系数后，会有意用终拧扭矩检查扳手加载测量第二次拧紧的扭矩系数，以减少松开复位法的误差。当然，这种做法一般用于对精度比较敏感的课题实验，或争议较大的情况下。

不管采用拧紧法还是拧松法，都存在一个问题，就是检查时必须夹紧螺栓头，防止其转动，一旦转动，则所测得的检查扭矩应视为无效。

3. 欧盟的做法

欧盟钢结构施工规范，扭矩法施工最终紧固扭矩检测，与紧固法类似，但测量的是螺母的旋转角度，只能检测欠紧，无法检测过紧。且规定的旋转角度阈值固定为15°，相当随意，没有考虑夹紧长度、板层等因素，太过幼稚，但聊胜于无。另外，欧盟现有的检测设备和工具，对于螺母克服静摩擦后的旋转角度，并没有很好的测量方法，只能依靠人工测量，效率低下，准确性差。为此，我团队研发了一款符合欧盟规范的全自动测量电动检查扳手，可以高精度测量螺母克服静摩擦后的旋转角度并判断是否欠紧，欠紧后可以自动紧固。（一则广告）。

4. 美国标准

过去美国钢结构施工一直以转角法为主，旧版规范强调不建议进行最终紧固扭矩检查，但会保留作为发生争议时的仲裁方法。最新2020版规范已将几项来龙去脉的扭矩法纳入规范，但强调事前验证及过程中程序的正确性，并不主张事后扭矩检查。2020版对保留作为仲裁方法的最终紧固扭矩检查作出了详细规定，从规定中可以看出采用紧固法，并强调进入仲裁程序。最终紧固扭矩检查的前提是预紧力怀疑不准确！ 并且此方法不但可以仲裁扭矩法的预紧力，还可以用于仲裁其他工艺的预紧力：转角法、组合法、DTI垫片法等。同时强调，最终紧固扭矩检验有局限性，在许多工况下其可靠性值得怀疑，但它仍是最可行的仲裁方法。

6.发展趋势

1、随着更优工具（伺服数控工具）、物联网技术及信息化的普及，检测率会降低甚至取消。从2017年开始，国内钢结构桥梁行业已率先大规模甚至全桥使用第三代紧固工具，近两年更是使用第三代伺服工具，加上螺栓紧固高信息化的辅助，从实际数据来看，紧固质量和稳定性都有了很大的提高，最终紧固扭矩检测率已逐步降低，取消已提上日程。

2. 如果有更好的检测预紧力的方法（成本低且方便），最终扭矩检查将被取消，并由预紧力检查代替。目前，超声波、智能螺栓和智能垫圈很有前景。

3、国内除扭矩法以外的其他工艺最终都会成熟并大规模应用。高螺栓不需要保持扭矩系数，最终扭矩检查将被其他检测方法取代。我和团队近几年一直在研究定轴力拧紧工具，以及紧固点角度的拧紧工艺、当量角度监测与控制技术等，并有所突破。后续公众号的文章会和大家分享。

4、国内这一轮大规模基建基本已经进入尾声，国内基建行业走出去是大势所趋，国外对钢结构高位螺栓的紧固规范与国内有所不同，本公众号后续文章也会对欧盟、美国对钢结构高位螺栓施工规范做详细解读。