高强度螺栓连接技术：原理、施工流程及未来发展趋势探讨

1 概述

高强度螺栓连接是一种高效且可靠的钢结构连接方式。它具有抗震性能良好的特点，连接强度高，耐疲劳，施工简便，还可拆换，并且不会产生残余应力等诸多优点。正因如此，它在建筑、桥梁、机械等领域得到了广泛的应用。随着科技不断进步以及产业的发展，高强度螺栓连接技术也在持续改进和完善。本文的目的是探讨高强度螺栓连接施工目前的状况以及未来的发展趋向，希望能给相关从业者提供一些参考。

2 高强螺栓连接原理及施工流程

2.1 工作原理及分类

高强螺栓是一种紧固件。它凭借自身的结构与材料相融合，具备了很高的拉伸强度和耐久性。高强螺栓连接副由螺栓、螺母、垫圈这三部分构成。高强度螺栓连接副通过把螺母拧紧，使螺杆产生预拉力，进而将构件接触面压紧，依靠接触面的摩擦来阻止连接板相互滑动，以此来达成传递外力的目的。

高强螺栓有 8.8 级和 10.9 级这两个性能等级。8.8 级高强螺栓仅用于大六角头高强度螺栓，10.9 级高强螺栓用于扭剪型高强度螺栓和大六角头高强度螺栓。按传力机理划分，有摩擦型高强螺栓（执行标准 GB/T1228~1231）和承压型高强螺栓（执行标准 GB/T 3632）。按螺栓构造和施工方法的不同，可分为大六角头高强度螺栓和扭剪型高强度螺栓这两类。

图1 大六角头摩擦型和扭剪型高强螺栓

2.2 不同类型高强螺栓的差异

摩擦型高强螺栓的构造和安装与承压型高强螺栓基本相同。然而，二者在传力特征以及适用工况方面存在差异，具体差异主要有：其一，传力特征不同；其二，适用工况不同。

2.2.1 传力特征不同

摩擦型高强螺栓仅依靠被连接构件间的摩擦阻力来传递剪力荷载。其承载能力的极限状态是剪力等于摩擦力。一旦构件间出现相对滑移，就意味着失效。承压型高强螺栓的传力特性是，当剪力超过摩擦力时，构件间会发生相对滑移，此时螺栓杆身开始承受剪力，孔壁也开始承压。但是从另一方面来看，随着外力持续增大，摩擦力会逐渐减弱。当连接接近被破坏时，剪力全部由杆身来承担。承压型高强度螺栓是以螺栓或钢板发生破坏作为承载能力的极限状态，其可能出现的破坏形式与普通螺栓是相同的。并且这种螺栓连接还应当以不出现滑移作为正常使用的极限状态。

2.2.2 适用环境不同

摩擦型高强螺栓的连接变形较小，其承载力比承压型高强螺栓低，不过耐疲劳以及抗动力荷载的性能较好，因此适宜承受动力荷载。而承压型高强螺栓连接的承载力较高，但抗剪变形较大，所以通常只用于承受静力荷载以及在间接承受动力荷载的结构中进行连接。

2.2.3 构件间连接面处理工艺不同

传力特性不同，所以摩擦型高强螺栓连接面需要进行摩擦面处理。通常采用喷铝或者涂装防锈防滑涂料的方式，这样能确保连接板之间具有足够的抗滑移系数，其抗滑移系数在出厂前不低于 0.55，安装前不低于 0.45。而承压型高强螺栓连接面只需进行常规防腐处理。

2.3 高强螺栓连接副施工工艺

高强螺栓连接副分为摩擦型和扭剪型两类。此处主要以钢桥梁常用的摩擦型高强螺栓为例进行概括。

2.3.1 施工工艺流程

最后进行终拧扭矩检查。

2.3.2 高栓施工质量控制

三是螺栓施拧质量等。螺栓的制造质量以及摩擦面状况，主要是由螺栓制造厂家和杆件制造企业所决定的。而螺栓施拧质量，主要受桥位现场的施工质量控制。其影响因素包含扭矩系数、施拧扭矩、施拧工艺、扳手精度、电源稳定性、施工人员对高强度螺栓的认识、施工过程控制和质量管理等。在这些影响因素中，扭矩系数和施拧扭矩是主要的影响因素，需要重点进行控制。

TBJ 214《铁路钢桥高强度螺栓连接施工规定》以及 JGJ 82《钢结构高强度螺栓连接技术规程》表明，高强螺栓到货后其质量保证期是 6 个月。所以高强度螺栓得依据施工需求进行配套制造并发运进场，进场之后要按照不同批号进行抽样，然后在工地试验室或者试验检测机构进行扭矩系数检验。

温度和湿度对磷皂化高栓的扭矩系数影响较大。依据 TBJ 214《铁路钢桥高强度螺栓连接施工规定》，扭矩系数会随温度升高而降低，每上升 10℃，扭矩系数约减少 6.7%。磷皂化螺栓的扭矩系数会随环境湿度变化，当湿度大于 90%时，扭矩系数会急剧下降。因此，当施工现场环境的温湿度变化比较大的时候，在施工前应该及时抽取当班使用批次的螺栓，然后对这些螺栓进行扭矩系数复验。依据复验的结果，同时考虑温度和湿度的变化趋势，适当地调整终拧扭矩。并且要及时向作业现场发出终拧扭矩调整的通知，这样就能确保高强度螺栓的终拧预拉力符合设计要求，从而减少温湿度致使扭矩系数变化对施工质量产生的影响。一般情况下，应利用±３％的允许误差范围进行调整。

图2 扭矩轴力测试仪

每批高栓（以 3000 套为一批）要取出 8 套来标定扭矩系数。然后计算这 8 个扭矩系数的平均值以及标准偏差。施工现场进行扭矩系数标定时，要先将高栓穿入扭矩轴力测试仪，接着旋入螺母，然后用示功扭矩扳手施拧。通过扭矩轴力测试仪显示的轴力 PC 以及施加扭矩 Te（也可以用扭矩扳手显示施加扭矩），还有已知的高栓直径 d，就能够按照公式 k = Te÷(PC×d)来计算出该批次高栓的实际扭矩系数。

图3 现场标定过程

为保证施拧扭矩准确，施工电动扭矩扳手要进行班前标定和班后标定，并且要做好标定记录。其扭矩误差不能大于使用扭矩值的±5%。如果班后发现其误差超过了允许范围，那么就需要对该扳手当班终拧的高强度螺栓连接副全部用检查扳手进行检查和处理。检查扳手在使用之前必须进行标定，其扭矩误差不能大于使用扭矩值的±3%。电动扭矩扳手一般也采用扭矩轴力测试仪进行标定（图2）。

3 高强度螺栓施工当前存在的问题

3.1 高强螺栓施拧预拉力不可检

螺栓的连接设计是以预拉力为起始的。所以，施工要达到的最终目的是获得设计预拉力，而扭矩只是在螺栓施工过程中起到一个控制技术指标的作用。一旦螺栓施拧完成，扭矩就不复存在了，然而轴力却会一直留存着。扭矩检查需在规范规定时间内完成。若错过该时间，由于高栓扭矩系数发生变化，所获得的扭矩值将不具有意义。然而，螺栓的轴力一直存在，且不存在检测时间的限制要求。

目前高强螺栓连接副施工后，是通过扭矩值来判定施工质量是否达标。然而，上文提到计算高栓终拧扭矩的扭矩系数容易受到环境温湿度的影响。正因如此，会使得高栓实际施拧后的预拉力（紧固轴力）存在偏差。但目前在现场，还无法快捷且准确地测定真实预拉力。

3.2 安装完成后垫圈安装的方向不可检

一套高强螺栓连接副包含两个垫圈。螺栓侧的垫圈是磷化垫圈，螺母侧的垫圈是皂化垫圈。螺母和垫圈的方向需符合规定要求，也就是垫圈带倒角的一侧要背向连接面，螺母带平台的一侧要面向螺栓面，它们的相互关系不能随意栓合。施拧之后，当前的垫圈结构就无法判断安装的正反是否正确了。如果装错，就可能在螺杆垫圈处形成应力集中点，从而影响高栓连接的耐久性。

图4 高强度螺栓连接副及安装示意图

为避免此问题，建议对高栓垫圈标准 GB1230 进行修改。在标准里要求在垫圈的外侧面设置永久标识，通过此标识来判别垫圈的方向，以防安装后无法判别方向是否正确。

3.3 铁路桥涵施工规范要求100%检查扭矩不尽合理

为保证大桥安全，两份铁路桥涵工程施工质量验收标准，即 TB10415-2003 和 TB10751-2018（后者为高速铁路验收标准），都要求在高强度螺栓施拧完毕后，由施工单位进行 100%的检查。目前大型钢桥使用的高强度螺栓数量在 100 万套以上，有些甚至达到 200 万套。在施工高峰时期，每天要施拧上万套螺栓。逐个对这些螺栓进行检查，无疑给施工单位带来了巨大的负担。并且检查一套螺栓所花费的时间，是施拧时间的数倍。要在当天对当天施拧的所有螺栓完成扭矩检查，也是不现实的[2]。而且当检查高空节点或边角处的螺栓时，由于观测条件较差，很难保证检查的准确性。

对照情况具体见表 1 。其他高栓施工相关标准没有要求全部检查。当前高栓施拧电动扭矩扳手质量较为可靠，输出扭矩比较稳定。建议对铁路桥标准中高栓检查比例要求进行适度修改。

表1 不同标准高栓施工检查要求差异

序号

标准号

标准名称

主桁节点及纵横梁连接处节点

其它节点检查数量

TBJ214-92

（标准已处废，但目前暂无替代标准）

铁路高强度螺栓连接施工规定

每个节点高栓数量的5%，但不少于2套

其余节点不少于1套

JTG/T 3650-2020

公路桥涵施工技术规范

每个节点高栓数量的5%，但不少于2套

其余节点不少于1套

GB/T 50205-2020

钢结构工程施工质量验收规范

节点总数的 5%，同时这个数量要不少于 10 个节点。每个节点都要抽检高栓总数的 10%，并且这个抽检数量要不少于 2 套。

JGJ 82-2011

钢结构高强度螺栓连接技术规程

节点总数的 10%，同时这个数量不少于 10 个节点。每个节点都要抽检高栓总数的 10%，并且这个抽检数量不少于 2 套。

TB 10752-2018

高速铁路桥涵工程施工质量验收标准

由专职检查员对所有节点的全部高栓进行复检。

TB 10415-2003

铁路桥涵工程施工质量验收标准

施工单位质检员对全部高栓进行检查（12.3.5条）

3.4 高栓延迟断裂问题

延迟断裂这种情况（也被称作滞后断裂）是高强度螺栓连接中常见的病害之一，在已建成的桥梁中时常会发生，对桥梁的运营安全造成了威胁。高强度螺栓的延迟断裂主要和原材料、制造工艺、形位偏差以及施拧质量等这些因素有关系。然而众多的事例显示，制造工艺和形位偏差成为了影响我国高强度螺栓性能的主要因素。不宜把价格当作唯一主要的考虑因素[2]。

目前在双层公铁两用桥梁中，设计单位将上层桥面的加劲肋节段间的连接形式从栓接改成嵌补段焊接，这或许是为应对高栓延迟断裂的安全隐患而采取的措施。

3.5 栓焊共用结构的高栓施拧时机问题

铁路钢桥中，桥面板是纵向现场焊接的，主桁弦杆间的连接采用栓接，这种结构属于栓焊混用结构。目前采用的典型工艺为：先完成主桁的高栓初拧，接着进行桥面板环缝焊接，最后进行高栓终拧。这类环缝施工中，后焊板件焊接变形会对先行栓合的板件产生附加内力，这会影响到先行栓合板件上高强度螺栓的受力特性。同时，终拧在焊接完成后，实际上无法严格遵循标准中的高栓终拧时间要求（TB214-92 和 JGJ82-2011 均要求一个工作日内完成高栓施拧），因为螺栓表面暴露在空气中，受环境影响其扭矩系数可能已发生变化，所以其施拧终拧扭矩不能完全获得预期的施工预拉力。然而，如果先焊后栓，桥面板施焊后焊接收缩会使冲钉被拴孔压紧，很难退出，从而影响高强度螺栓施工。

为降低焊后高强度螺栓所承受的附加力，建议在环口侧的 2 列栓孔处先使用冲钉进行约束。这样冲钉就能先行承受由桥面板焊接变形所产生的附加力。等焊接完成之后，再用高强度螺栓去替换冲钉。

3.6 施工扭矩值控制

当前项目里高强度螺栓施拧主要借助定扭矩电动扳手。这种扳手的施工终拧扭矩容易受到多种因素的影响，比如扳手标定精度、现场电源稳定性以及人为操作等。这些因素会导致扭矩出现欠拧或者超拧等情况。

项目应推广数显电动扳手。按顺序施拧时，它能逐个显示并编号存储所施拧高强度螺栓的终拧扭矩。在施工过程中，可直观地判定是超拧还是欠拧，这样便于及时进行处理。当天施工结束后，能够调出当天储存的终拧扭矩数据，以便作进一步的检查分析。

4未来展望

4.1高等级、大直径高强螺栓研发

现在钢材性能提升了，设计施工技术也提升了，所以桥梁的跨度越来越大。同时，桥梁承受的荷载在不断增加。因为大跨径桥梁的栓群较大，以某大桥为例，节段主桁腹板面单侧有 11 列。仅一根主桁端部一头，整个栓群就有 792 颗 10.9S 级高栓。科研资料表明，螺栓接头的受力分布呈现出马鞍形。其中，受力最大的位置位于第 1 排，从第 1 排往后，受力逐排递减。如果排数过多，往往会对栓群的受力产生不利影响。倘若能够增大螺栓的直径和性能等级，提高单个螺栓的预紧力，那么就可以大大减少螺栓的数量以及现场施拧的工作量，同时还能节约工程资金。刘宏刚[2]和侯兆新[3]等人已经分别对大直径、高强度螺栓的研发进行了探讨。

4.2高强螺栓防腐工艺研发

当前的防腐工艺让高强螺栓连接副对环境温度和湿度较为敏感，还会导致施工期间扭矩系数变化以及运营期间的腐蚀延迟断裂等情况。目前高强度螺栓表面处理工艺主要包含磷皂化处理、电镀锌、热浸锌、达克罗等方法，然而这些方法都有各自的优缺点，所以针对高强度螺栓防腐工艺的研究应当成为今后的一个方向。

4.3高强螺栓检测技术的研发

目前，钢桥高强度螺栓是以扭矩来作为判定施工质量的标准的。这种方法存在着检测误差，并且对于检查时间也有严格的要求[6]。

运营期间，螺栓连接结构若受到振动、冲击和蠕变等力学作用，其连接状态通常会发生改变，会出现松动、滑移甚至脱落等现象。例如，2010 年开通运营的南京大胜关长江大桥，每年都能发现有高强度螺栓断裂，据统计，到 2016 年共发现 277 套断裂高强螺栓[4]。关键构件或节点位置处的螺栓若松动或断裂脱落且未被及时发现，就会给结构带来潜在的安全隐患，还可能会引发严重的安全事故。为避免事故发生，在还没找到便捷可靠的螺栓连接损伤检测办法之时，通常只能提高常规检测的频次。

卓德兵从基于计算机听觉与视觉技术的角度对高强螺栓检测技术进行了研究，并且从该角度提出了解决方案。娄燕祯从超声法的角度对高强螺栓检测技术进行了研究，也从该角度提出了解决方案。但他们提出的解决方案仍需要在实践运用中不断进行优化完善。

4.4 高栓施拧工具的研发推广

目前钢桥梁现场高强度螺栓施拧主要借助定扭矩电动扳手。目前的第 3 代电动扳手具备在施拧过程中设定、显示以及记录电动扳手最终输出扭矩的功能。这提高了高强度螺栓的施拧质量[7]。此类扳手可以省去班前班后烦琐的标定工作。同时，终拧后进行扭矩检查，这样就避免了耗时耗工的现场施拧检查。只需要核对导出数据，就能够准确判断施拧扭矩是否合格。因此，它具有大面积推广的价值。

另外如果可以研发出一款电动扳手，在施拧高强度螺栓连接副的时候，能够直接获取实际施拧连接副的拧紧轴力，从而契合设计目的，这样会使螺栓连接技术发生质的提升，这将是今后施拧工具的一个研发方向。

5 结语

高强螺栓连接副是钢桥梁受力的关键构件之一。它的制造质量关乎桥梁的传力可靠。它的安装质量关乎桥梁的运营安全。科技不断进步且产业不断发展，科研院所、高栓和钢桥梁制造单位、现场安装单位以及后期的运营维保单位共同努力，持续吸收当前的研究成果与先进技术，可相信高强度螺栓的新品种、新技术、新工艺、新设备会不断出现，高强度螺栓连接副的制造、施工及检测技术有望获得进一步提升与完善。

参考文献：

张建平等在 2012 年第 42 卷第 6 期的《桥梁建设》中，对矮寨大桥钢桁加劲梁高强度螺栓施工质量进行了控制。

刘宏刚、张洪玉以及彭月燊对铁路钢桥高强度螺栓连接施工的若干问题进行了探讨，该探讨发表在铁道标准设计第 59 卷第 2 期。

侯兆新等人，在钢结构高强度螺栓连接技术方面有了新的进展，此进展体现在《钢结构（中英文）》2021 年第 36 卷第 1 期上。

朱素华对高速铁路特大桥钢桁梁高强度螺栓的断裂情况进行了分析，并提出了养修建议。该研究成果发表在 2016 年第 04 期的《上海铁道科技》上。

卓德兵进行了基于计算机听觉与视觉技术的钢桁架螺栓连接损伤检测研究，并于 2021 年完成了重庆大学的博士学位论文。

娄燕祯进行了超声法在钢桥高强螺栓轴力检测方面的应用研究，该研究成果体现在内蒙古科技大学的硕士学位论文中，时间是 2022 年。

沈家骅推动了我国电动扳手与钢结构中高强度螺栓施拧技术的发展，其成果发表在铁道建筑（2016）07 期。