从设计者角度看钢结构高栓连接的扭矩系数试验规定

从设计者角度看，钢结构采用高螺栓连接时，螺栓的预紧力（预拉力）是结构设计者最关心的问题，各种高螺栓施工工艺的核心就是保证预紧力（预拉力），当采用扭矩法施工时，扭矩系数是确定施工扭矩、保证预紧力（预拉力）最重要的参数，反之，如果不采用扭矩法施工，则无需检测扭矩系数。

2、GB/T1231扭矩系数试验规定

GB/T1231-2006对于扭矩系数试验有非常详细的规定，如图1所示：

图1 GB/T1231-2006关于扭矩系数试验的规定

法规解读如下：

1、扭矩系数试验需要在轴向力计上进行；

2、每个连接对只能测试一次，不可重复使用；

3、扭矩系数计算公式；

4、拧紧螺母；

5、扭矩精度至少为2%；

6、用手动扭矩扳手加载。JJG707-2003虽然规定了动力扭矩工具的检定方法，但并未考虑连接刚度对动力扭矩工具扭矩精度的影响，在执行中存在诸多问题。钢结构行业使用的电动扭矩扳手基本没有按照JJG707-2003进行检定。另外，JJG707中引用的ISO6789是手动扭矩扳手的试验方法，而电动扭矩扳手的试验方法应为ISO5393，对应的国家标准为GB/T26547。JJG707-2014版中已删除了动力扭矩扳手的内容。

目前国内施工工地普遍使用的轴力仪同时集成了轴向力传感器和扭矩传感器，精度可达1%以上，还可以对电动扳手进行标记，如图2所示。

图2 带扭矩传感器和扳手标记功能的轴向力计

7、轴向力计轴向力精度至少为2%，分辨率至少为1KN

8、预紧力应在规定范围内，否则无效。

9、螺母下方垫圈的倒角面朝向螺母支撑面，垫圈不得旋转，否则失效。

10、同时应记录环境温度，试验所用的设备、仪器、连接对应在该环境中放置至少2小时，确保与环境温度一致。

1.扭矩系数测试目前属于破坏性测试

扭矩系数除受螺栓连接副几何尺寸、位置公差影响外，还受螺纹摩擦力、支撑面摩擦力的影响。钢结构高螺栓一般为大批量生产，现有的制造设备和工艺可以保证几何尺寸、位置公差的一致性。一般情况下，影响扭矩系数的主要因素是摩擦系数。稳定的摩擦系数主要靠表面润滑来保证。目前，国内钢结构高螺栓连接副的表面润滑主要依靠工厂预处理，施工现场基本不进行处理。国内钢结构高螺栓厂家主流的表面处理方式为磷化皂化。该工艺具有扭矩系数分散性小、成本低、工艺简单等诸多优点。但经过第一次拧紧后，磷化处理后形成的表面微孔结构会被破坏，皂化生成的皂化液会从微孔中析出，在摩擦表面形成一层稳定的润滑膜，保证扭矩系数的稳定性和一致性。第二次拧紧，扭矩系数就会发生变化，离散性增大，所以对于现行工艺加工的高强螺栓，扭矩系数试验属于破坏性试验，为此扭矩系数试验的连接副只能试验一次，只能抽检一次扭矩系数。

2.温度和湿度对扭矩系数的影响

磷酸盐皂化处理是目前国内扭矩系数处理的主流工艺，而磷酸盐皂化处理的另一个缺点是受温度和湿度的影响较大，尤其是湿度。因此，GB/T1231规定扭矩系数的试验报告必须记录温度。为了安全起见，强烈建议同时记录湿度。

3、轴向力对扭矩系数的影响

扭矩与预紧力（预拉力）的关系并非线性关系（为一次函数关系），因此扭矩系数并非常数。一般情况下，随着轴力的增大，扭矩系数减小。扭矩系数与轴力的关系近似为幂函数，后期趋于收敛。幸好在施工预紧力（预拉力）附近，扭矩系数波动很小。因此，GB/T1231规定，在扭矩系数试验时，螺栓预拉力的有效范围如图3所示（基本按施工预拉力的±10%计算）。

图3 扭矩系数试验的有效预紧力范围

4.洗衣机不可倒置或旋转。

试验容易出错的地方是螺母下面垫圈的旋转，必须采取措施，主动措施是垫圈下面垫砂纸，被动措施是画线，建议使用粗氧化铝砂纸。顺便说一句，经验丰富的现场技术人员甚至可以通过调整砂纸的目数来模拟螺栓的连接刚度，使实验室扭矩系数试验机上的高位螺栓连接刚度接近节点板。通过测量高位螺栓从初拧到终拧的角度可以近似地得到连接刚度，因为连接刚度也是影响扭矩控制精度的一大因素。本文在扭矩扳手的验证中也提到了连接刚度。关于连接刚度与扭矩精度的关系，国内钢结构行业很少有人知道，值得专门写一篇文章深入探讨一下（希望有机会写出来）。

5、如有可能，尽量先将连接副初步拧紧（50%预紧力），稍停片刻，再继续加载至规定的预紧力。

1. 工厂测试

高螺栓连接出厂检验是供方质量管理体系的必备组成部分，其目的在于确定高螺栓连接副是否符合用户要求和国家标准。有些情况下，施工方甚至会以出厂检验的扭矩系数为依据来确定施工扭矩。

通常工厂检测的设备和环境要比施工现场好，螺栓生产厂家需要注意用户环境的温度、湿度和施工工具。我国幅员辽阔，南北气候差异大，四季分明，不同季节气候差异大，温度、湿度对扭矩系数影响比较大，供应商和用户之间因地理位置、季节不匹配等原因，经常发生扭矩系数检测纠纷。

2. 进场测试

现场试验的目的是确定供应商的螺栓是否合格，是否能入库。原则上，如果现场试验各项指标合格，事后螺栓出现任何问题都与螺栓生产厂家无关，但国内采购方与供应商关系不对等，这让事情变得棘手！扭矩系数是现场试验中的一项。当然，前面也说了，如果不采用扭矩法施工，扭矩系数的现场试验就没有必要了！

现场试验最重要的一点就是要严格按照GB/T1231，采用手动匀速加载!加载停止后，预紧力(预拉力)必须符合标准要求。

3. 使用前重新检查

使用前复检的目的主要是确定施工扭矩，其次是看高螺栓连接副的扭矩系数在储存过程中是否发生明显变化。使用前复检最重要的一点是要最大程度地模拟施工现场，包括温度、湿度、工具等。为了节省高螺栓，减少实验室人员的工作量，可以结合扳手的校准进行！

因为要最大程度模拟施工现场，所以使用前复检通常采用当天施工所用的电动扳手进行加载，这一点与其他试验不同，另外其他试验是停止加载看预拉力（预紧力），而使用前复检是靠扳手的扭矩来停止的！当然，加载停止后，连接副的预紧力（预紧力）必须符合图3的规定。

使用前的复检其实是对施工现场化验人员能力和水平最好的考验！

如果现场试验合格，但使用前复检不合格怎么办？如果平均值超差，在10%（0.01）以内，就完全合格，可以调整扭矩。只要能保证预紧力（预紧力），就不需要拧紧标准。这也是大六角头螺栓的优点之一！如果标准偏差超差或平均值偏差过大，则需要返厂重新处理。

4.仲裁测试

若现场试验不合格，且供应商有异议，可以申请第三方仲裁试验。具体操作与现场试验大体相同，只是仲裁试验会对温度和湿度做出规定。通常建议在15℃～25℃、相对湿度50%～70%的环境条件下进行试验。

5. 短螺栓试验

由于轴向力计的设计原因，太短的螺栓可能无法进行扭矩系数测试，一般采用性能等级、材质、炉号、加工方式、热处理工艺相同的同规格、同长度的螺栓代替，这是不得已的做法。

其实一般建议用与节点同批次的螺栓来校准扳手，但如果设备有限，需要将短螺栓换成长螺栓，也会带来很多问题。

当然，这种情况目前在建筑工地上已经很少遇到。

6.保质期后的复检

磷皂化表面处理还有一个缺点就是皂化液会随着时间推移而干涸，扭矩系数会发生明显变化，因此标准规范都规定了保质期，对螺栓的储存有着相对严格的要求。

如果产品使用时间超过六个月，一般都要求重新检测扭矩系数。那么问题来了，如果重新检测后合格，保质期会延长多久呢？其实标准的出发点就是尽量在六个月内使用，如果使用时间超过六个月，那么在使用前就需要重新检测。考虑到将检测提交给第三方通常需要时间，实践中一般建议在重新检测报告出具之日起30天内使用。

加载速度对扭矩系数试验的影响在现行钢结构行业规范标准中尚未涉及，但其他行业对此有明确的规定。

国家标准方面，GB/T 16823.3-1997（等同于日本标准JIS B 1084-1987）规定扭矩系数试验的加载速度为4r/min，后续版本GB/T 16823.3-2010（等同于ISO16047:2005）规定M16~M39螺栓的加载速度为5r/min~15r/min。

近年来，随着国内风电行业的快速发展，风电螺栓扭矩系数试验增多，生产厂家、质检站及第三方检测单位对试验结果经常有异议，用户及供应商反应强烈。全国紧固件标委会牵头开展了专项比对试验，其中加载速度是重点试验之一。

大量试验数据表明，加载速度对扭矩系数影响很大。国内钢结构行业通常采用手动加载进行现场进场和仲裁，施工时采用电动扳手加载。2000年以前，电动扳手电机转速比较慢，额定转速（终拧时）通常为9000r/min，经减速机减速后，扳手终拧速度通常小于1r/min。在此期间，电动扳手与手动扳手加载速度相差不大，对扭矩系数试验影响不明显。可以说，用手动扳手测试扭矩系数，再用扭矩系数计算扭矩并用电动扳手拧紧，最后用同样的扭矩系数计算和检查扭矩再用手动扳手进行终拧和检查，基本上不会出现大的问题。随着国产定扭矩电动扳手的替代，用户更倾向于使用重量轻、转速高的电动扳手。在保持输出扭矩不变的情况下，减轻重量、提高效率的唯一途径就是提高电机转速。目前主流电动扳手电机转速普遍接近40000r/min，减速后终拧速度往往超过4r/min。此时采用手动加载试验扭矩系数，用同一个扭矩系数计算终拧紧扭矩和终拧紧检验扭矩，必然会出现问题。

即使是电动扳手，如果加载速度不同，其扭矩系数测试结果也会有所不同。这个问题经常出现在很多新旧电动扳手混用或不同厂家扳手混用的施工现场。2009年，在一座跨越黄河的高铁桥上，就出现了施工现场同时使用我公司新旧电动扳手的情况。施工现场试验人员发现，对于同一批螺栓，在同样的预紧力下，速度快的电动扳手所需的最终拧紧扭矩为1600Nm，而速度慢的电动扳手则只需1300Nm。

同样的问题也出现在最终紧固检验中，采用紧固方法时，紧固速度会大大影响紧固率检验结果。同时，近年来发现检具的加载速度也会因影响扭矩系数而影响最终紧固扭矩检验的准确性。

但在经验丰富的施工现场技术人员眼中，只要严格按照最大限度模拟实际工况，使用在岗螺栓、在岗扳手、在岗检具进行紧固试验等，这些差异基本可以避免！此时就需要注意松动复位最终紧固检查，扭矩计算所用的扭矩系数尽量使用人工加载（比如入岗检验报告上），当然经验丰富的技术人员也会做松动比例试验！对于最终紧固扭矩检查、紧固方式及松动复位方式，这里就不做过多展开了，有时间我会专门写一篇文章（又给自己挖了一个大坑！），详细讨论最终紧固检查的初衷、检查的原理等，掌握了初衷和原理，就能灵活应对现场情况。

目前国内钢结构行业仍以扭矩法作为大六角头高强度螺栓紧固的主流方法。现有的施工标准规范中，很多规定和控制细节都是为了最大程度保证扭矩系数的稳定性和一致性，避免在运输、储存和使用过程中出现较大变化。希望业内​​专家和从业人员对扭矩系数试验进行更多的研究和探讨，共同改进。