摘要

目前驗證高強度螺栓是否正確擰緊的手段和方法非常費時費力消耗。在某些情況下，這些技術需要特殊設備，而在其他情況下，驗證本身可能有點主觀。雖然確實存在一些商業上可用的驗證技術，但這些選項仍然有一些限制和可能被認為是昂貴的選擇。該項目的主要目標是探索高強度螺栓緊固和驗證技術，并調查開發和實施新替代方案的可行性。國家有關部門的文獻檢索和調查進行運輸 (DOT) 以收集有關各種螺栓緊固技術的信息，以便了解可以獲得可用的和正在開發的技術。在文獻查閱過程中，對材料的要求，還審查了結構連接研究委員會規范中概述的檢查和安裝方法并總結。為了指導尋找新的替代品和技術開發，工作組會議

1.背景

多年來，螺栓一直是用于組裝的最常見的緊固件類型結構連接。由于它們易于安裝和經濟，螺栓連接經常用于民用以及汽車、石油、和航空。螺栓連接的主要功能是連接結構構件以安全將負載從一個組件傳輸到另一個組件。因此，螺栓連接至關重要任何鋼結構的組成部分。螺栓連接背后的想法是，當鋼構件被擰緊時，一個螺栓（或一組螺栓）充當彈簧并將組件拉到一起。螺栓連接的可靠性主要由初始夾緊力的水平和夾緊的穩定性控制隨著時間的推移。一種常見的誤解是正確的松緊度取決于施加到螺栓或螺母上的扭矩。螺栓連接的真正強度來自張力（或夾緊力）通過擰緊在螺栓中產生。盡管許多工具利用扭矩扭轉螺栓頭（或螺母）以有效拉伸螺栓，說特定的扭矩量將始終在螺栓中產生特定量的張力。對于許多類型的結構系統，螺栓連接的失效通常是由于不正確的安裝，這可能導致崩潰或廣泛的系統范圍損壞。雖然失敗了單個非關鍵緊固件可能對結構穩定性和適用性不重要，連接中螺栓安裝不當可能會導致過度振動或不足成員的剛度。例如，如果連接沒有充分擰緊，它可能會變成松散并允許組件分離；另一方面，如果過度擰緊，則可能會改變螺栓的機械性能，并導致連接損壞。一般來說，能力通過組件傳遞負載的連接在很大程度上依賴于連接是否已正確安裝。因此，需要進行充分的螺栓緊固驗證以確保這種連接能夠安全地執行其功能。目前驗證高強度螺栓已正確安裝的手段和方法

擰緊既費力又費時。在某些情況下，這些技術需要特殊設備，在其他情況下，核查本身可能有些主觀。盡管一些商業上可用的驗證技術確實存在，但存在一些缺點，例如在現場使用成本高、耗時且不切實際。

1.2.目標和范圍

該項目的主要目標是探索當前的實踐狀況和結構鋼中高強度螺栓緊固和驗證的最先進技術連接。該項目已完成，以便深入了解可用的可能導致調查開發和實施新的可行性的技術備擇方案。

2 研究工作涉及以下四項任務：

任務 1 – 文獻綜述

進行了文獻綜述以獲取有關各種相關主題的信息。為了例如，收集、審查了有關傳統螺栓緊固技術的文獻，并總結。因為眾所周知，有一些螺栓擰緊驗證技術使用其他行業將這種努力擴展到結構工程以外的領域可以獲得對可用和開發中的技術的了解。

任務 2 – 國家調查

通過愛荷華州教育部創建并傳播了一組在線問題運輸 (DOT) 橋梁工程師與他在全國各地的同事。本次活動的目標調查旨在確定其他國家目前正在使用的技術并幫助指導研究和發現新技術。該調查詢問了有關螺栓擰緊的一般問題，使用的常見做法，以及受訪者是否正在考慮任何新的替代方案或了解正在開發的任何相關技術。

任務 3 – 工作組會議

愛荷華州立大學（交通研究所，Ames 實驗室、無損評估中心等）、愛荷華州 DOT、愛荷華州咨詢工程社區，愛荷華州承包商社區可能有知識與改進有關螺栓擰緊驗證的實踐狀態有關。到促進這些資源和其他相關方之間的討論，工作組會議2015年10月12日在交通學會召開 會議主要目標識別現有的螺栓緊固驗證技術，包括那些不容易利用并集思廣益新的手段和方法（例如，具有創新性的儀器冶金特性），如果要進行額外的研究，可能會提供可行的選擇實施。

任務 4 – 最終報告

該項目期間完成的所有工作都在這份最終報告中進行了總結，該報告包括四章。第 1 章介紹了項目背景和目標。文獻綜述關于螺栓連接、螺栓擰緊和驗證技術的總結在第二章調查結果與討論及工作組會議在第 3 章中進行了總結，而一般性結論和建議在第 4 章。

2. 文獻綜述

2.1.結構鋼螺栓

螺栓是主要的機械緊固件之一，用于連接結構鋼和轉移組件之間的負載。雖然在施工中使用了多種螺栓，但最常見的三種螺栓常見的結構螺栓包括 ASTM A307、ASTM A325 和 ASTM A490 螺栓。這些A307螺栓屬于低強度螺栓。

A325和A490螺栓屬于高強度螺栓強度螺栓。 A307 螺栓的極限抗拉強度約為 45 至 60 ksi，區別于它們來自具有極限抗拉強度至少兩倍的高強度螺栓。

雖然 A307 螺栓可以為許多應用提供經濟的解決方案，但它們的用途是通常僅限于臨時或輕載結構 A325 螺栓由熱處理、回火、中碳鋼制成。有三種不同A325螺栓種類：1型為中碳鋼，2型為低碳鋼馬氏體鋼，類型 3 由耐大氣腐蝕鋼制成。每種類型是以不同的螺栓頭標記來區分，如圖 2-1 所示庫拉克等人。 2001 版權所有 2001 結構連接研究委員會

圖 2-1。 A325 螺栓的螺栓頭標記大多數規范都要求在螺栓頭和螺母上做標記，以便它們可以很容易地識別。 A490 螺栓的制造方式與 A325 螺栓類似，但采用合金鋼。有三種不同類型的A490螺栓：1類螺栓由合金鋼制成，2類由低

碳馬氏體鋼和 3 型由耐大氣腐蝕鋼制成。螺栓頭部的標記方式與圖 2-1 中所示的 A325 螺栓相似，除了帶有

A490 標記雖然 A325 和 A490 螺栓都是高強度螺栓，但 A490 螺栓顯示出更高的強度機械性能，與 A325 螺栓相比，延展性更差且更昂貴。其他兩者之間的重要區別在于，雖然 A325 螺栓可以在必要時進行鍍鋅，由于存在應力腐蝕開裂和氫的風險，A490 螺栓不應鍍鋅脆化因此，使用 A490 螺栓用于橋梁或其他高速公路如果不禁止，結構是非常有限的。

2.2. 螺栓連接

螺栓連接可以承受不同類型的力，包括彎曲力、剪切力、軸向力、扭轉，或這些的任何組合。 然而，在大多數情況下，連接被配置為無論它們如何加載，螺栓都能抵抗剪切和軸向載荷。 的第一步構建螺栓連接的過程是確定它是什么類型的連接。 經過確定接頭類型后，可以進行適當的螺栓選擇和安裝。 三個最結構鋼中的傳統接頭類型是緊貼、預緊和滑動臨界關節。 每種類型的名稱取決于如何使用連接來傳輸整個結構的荷載。 表 2-1 總結了這些關節類型的分類。

密貼緊固接頭不需要預安裝驗證，因為沒有要求與扭矩、預緊力或匝數有關。 (Criste 2012) 所有預緊接頭都以

緊貼狀態并通過誘導預緊力發展到規定的水平。基礎的用于預緊和滑動臨界接頭的預緊方法的原則是基本相同。盡管無論如何都會在所有連接中存在一定的滑動阻力在接頭類型中，并非所有連接都必須是滑動臨界的。之間的主要區別

預拉伸和滑動臨界接頭將是需要準備的接合面滑動臨界接頭，以滿足指定的滑動阻力水平。滑動關鍵關節轉移服務

通過螺栓連接層的摩擦阻力產生剪切載荷。防滑的大小取決于存在的預緊力和接合面的粗糙度 (Criste 2012)。這結構連接研究委員會 (RCSC) 準備規范和文件與結構連接有關。結構節點規范中的第 4.2 和 4.3 節使用高強度螺栓（或美國鋼結構協會 (AISC) 規范）J1.10 和 J3.2) 討論何時將連接歸類為預張緊或滑動臨界，(RCSC 2009, AISC 2011)。一旦確定了接頭類型并選擇了合適的螺栓，就可以將接頭安裝在符合 ASTM 和 RCSC 規范。螺栓連接的成功很大程度上取決于螺栓的充分擰緊。由于螺栓的行為有點像彈簧，適當利用螺栓的彈性特性可以導致正確的擰緊。在操作中，一個在擰緊過程中，每個螺栓都會施加軸向預緊力。這種軸向預載荷張力被稱為“拉緊載荷”或“預緊力”，通常幾乎相等大小和方向與施加在組裝件上的壓縮力相反成分。未能達到必要的自負可能會導致嚴重的和不受歡迎的結構行為，例如可能導致額外的關節位移增加二階彎曲效應或導致疲勞型失效。預緊的目的取決于應用程序的需求，可能包括以下內容：

● 確保組件在支撐外部負載時具有適當的剛度

● 防止密封處泄漏

● 避免螺栓上的剪應力

● 抵抗自發松動效應

●減少動態載荷對螺栓疲勞壽命的影響

（Dalal 和 Thakur，2013 年） 可以將螺栓擰緊至所需的初始預緊力，從而使連接部件牢固固定在螺栓和螺母頭之間連接在一起，不允許在接口處滑動。鋼墊圈可用于連接以將夾緊力均勻分布在螺栓連接表面上并防止螺栓的螺紋部分壓在連接部件上。這接觸的表面必須沒有氧化皮、鐵銹、油漆、油脂和其他障礙物。 RSCS 規定最小預緊力設置為規定抗拉強度的 70%緊固件（例如，ASTM A325 和 A490）。預緊和預緊的最小螺栓預緊滑動臨界接頭可在 RSCS 規范 (RCSC 2009) 的表 8.1 或表中找到AISC 規范 (AISC 2011) 的 J3.1。 AISC 和 RCSC 都不推薦使用規定的扭矩值作為施加必要預緊力的有效方法（Criste 2012）。

這是因為組件內的摩擦系數可能會顯著增加因項目而異（甚至在項目中使用的緊固件之間）并且對應于預緊力的扭矩變化很大程度上取決于螺紋配合、螺母表面狀況、與螺母相鄰的握把表面狀況以及其他因素（Criste 2012）。一例外情況是使用校準扳手方法，這將進一步本報告稍后介紹。雖然校準扳手方法是一種基于扭矩的方法，但它被 RSCS 認可為高強度螺栓緊固的合適方法，因為通過測量安裝的預緊力和預安裝來確定所需的扭矩在實際安裝之前進行驗證。該規范要求每天或任何條件改變時進行校準。