不同拧紧工艺下高强度螺栓预应力损失与残余扭矩扳手的测量相关性分析

不同拧紧工艺下高强度螺栓预应力损失与残余扭矩扳手的测量相关性分析
以成都精炬达JD-CSC系列残余扭力扳手为例
一、研究背景与意义
高强度螺栓连接是钢结构、工程机械、风电装备、压力容器等装备制造领域中应用广泛的连接方式之一，其连接可靠性直接决定了整个装备的结构安全与使用寿命。螺栓连接的核心性能指标是预应力（也称为预紧力），预应力不足会导致连接面出现滑移、松动，引发结构疲劳破坏；预应力过大则会导致螺栓在服役过程中发生塑性断裂，同样会引发安全事故。在螺栓拧紧完成后，由于螺纹摩擦、弹性变形、接触面蠕变等因素的影响，初始预应力会发生不同程度的损失，准确测量残余预应力、评估预应力损失程度，是高强度螺栓连接质量控制的核心环节。
目前工程领域对残余预应力的检测，常用的便捷检测手段是残余扭矩法，通过扭矩扳手测量螺栓螺母的残余拧紧扭矩，间接推算螺栓的残余预应力大小。成都精炬达生产的JD-CSC系列扭矩扳手是国内工程领域常用的专业扭矩测量设备，该系列产品具备精度高、稳定性好、操作便捷等特点，可实现0.5%~2%的扭矩测量精度，满足不同规格高强度螺栓的残余扭矩测量需求。但在实际应用中，不同的初始拧紧工艺会对预应力损失规律和残余扭矩与预应力的对应关系产生显著影响，现有标准与研究尚未对不同工艺下的相关性做出明确的量化界定，导致现场检测经常出现测量结果与实际预应力偏差较大的问题，影响连接质量判断。
因此，本文以成都精炬达JD-CSC系列残余扭矩扳手为测量工具，针对当前主流的几种高强度螺栓拧紧工艺，开展预应力损失规律试验，分析残余扭矩测量结果与实际残余预应力的相关性，明确不同拧紧工艺下的相关性系数，为工程领域高强度螺栓连接质量检测提供参考依据。

二、试验方案设计
2.1 试验材料与设备
本次试验选用工程领域常用的10.9级M24高强度螺栓作为试验对象，螺栓性能符合GB/T 1231-2006《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件》要求，螺栓公称直径24mm，螺距3mm，有效长度100mm，螺栓屈服强度900MPa，抗拉强度1040MPa。配套选用同规格高强度螺母与平垫圈，连接试板采用Q355B钢板，单块试板厚度20mm，总连接厚度40mm，试板表面喷砂处理，表面粗糙度控制在Ra25~Ra50μm范围内，符合工程现场实际工况。
测量设备选用成都精炬达JD-CSC-200数显扭矩扳手，该扳手测量范围20~200N·m，测量精度±1%，满足试验测量要求；同时配套采用轴力传感器对螺栓实际预应力进行实时测量，轴力传感器测量精度±0.5%，数据采集频率10Hz，可实时记录螺栓拧紧后不同时间的实际预应力变化。试验过程中，分别采用扭矩法、转角法、扭剪型螺栓拧紧法三种主流拧紧工艺完成初始拧紧，每种工艺设置10个平行试样，减少试验误差。
2.2 试验过程设计

本次试验分为初始拧紧、预应力损失监测、残余扭矩测量三个阶段，具体过程如下：
· 第一阶段：将螺栓、轴力传感器、试板按照设计要求组装，保证各接触面贴合平整，无杂物凸起。按照不同拧紧工艺的要求完成初始拧紧，控制初始预应力均值为螺栓屈服强度的70%，符合GB 50017-2017《钢结构设计标准》的要求，记录初始拧紧完成时的初始预应力值。
· 第二阶段：拧紧完成后，持续采集轴力传感器的输出数据，分别记录拧紧后1min、10min、30min、1h、4h、12h、24h、7d的预应力数值，计算不同时间点的预应力损失率，预应力损失率计算公式为：η=(F0-Ft)/F0×100%，其中F0为初始预应力，Ft为t时间点的残余预应力。
· 第三阶段：在拧紧完成7d后，预应力损失基本稳定，使用成都精炬达JD-CSC系列扭矩扳手测量每个螺栓的残余扭矩，测量采用松扣法完成：先标记螺母与螺栓的相对位置，将螺母拧松3°~5°后，重新拧紧至标记位置，记录此时的扭矩值即为残余扭矩。测量完成后，提取此时轴力传感器记录的实际残余预应力，建立残余扭矩与实际残余预应力的对应关系，分析不同拧紧工艺下的相关性。

三、试验结果与分析
3.1 不同拧紧工艺下的预应力损失规律
本次试验得到三种拧紧工艺下不同时间的预应力损失率结果，如表1所示：

表1 不同拧紧工艺下预应力损失率统计（单位：%）
从试验结果可以看出，三种拧紧工艺的预应力损失均呈现出前期发展快、后期逐渐稳定的规律，90%以上的预应力损失发生在拧紧后的4h以内，24h后预应力损失完成率超过97%，7d后预应力基本稳定，这与接触面微凸体蠕变、螺纹间隙弹性回缩的理论规律一致。
对比三种工艺的最终损失率可以发现：转角法拧紧的预应力损失率低，稳定后平均损失率仅为8.42%，显著低于扭矩法的9.98%和扭剪型拧紧的9.52%。原因在于转角法拧紧过程中，螺栓会产生一定的塑性伸长，初始预应力受摩擦系数波动的影响更小，拧紧后螺栓与接触面的应力分布更均匀，弹性回缩量更小，因此预应力损失更低；扭矩法拧紧的预应力受螺纹摩擦系数影响大，部分螺栓初始预应力偏差较大，接触面微凸体的压溃变形更明显，因此预应力损失最大；扭剪型拧紧依靠扭断螺杆尾部实现拧紧，拧紧精度介于扭矩法与转角法之间，因此预应力损失率也介于两者之间。
3.2 残余扭矩测量结果与预应力的相关性分析
采用成都精炬达JD-CSC系列扭矩扳手完成残余扭矩测量后，对残余扭矩T与实际残余预应力F进行线性回归分析，得到不同拧紧工艺下的拟合方程与相关系数，结果如表2所示：

表2 不同拧紧工艺下残余扭矩与残余预应力拟合结果
根据扭矩与预应力的基本关系公式，理论上F=T/(k×d)，其中d为螺栓公称直径，k为扭矩系数。本次试验中螺栓d=24mm=0.024m，根据表2的斜率计算，三种工艺的实际k值分别为0.549、0.523、0.535，均处于常规高强度螺栓扭矩系数的合理范围（0.45~0.60）内，说明测量结果的合理性。
从相关系数可以看出，三种拧紧工艺下，成都精炬达JD-CSC扭矩扳手测量的残余扭矩与实际残余预应力均呈现出较高的线性相关性，相关系数R²均超过0.91，说明采用残余扭矩法测量残余预应力具备足够的可靠性。其中转角法拧紧的相关性最高，R²达到0.947，原因在于转角法拧紧后螺栓预应力分布均匀，摩擦系数的离散性更小，因此残余扭矩与预应力的对应关系更稳定；扭矩法拧紧的相关性低，R²为0.912，主要原因在于扭矩法初始拧紧的精度受摩擦系数离散性影响大，拧紧后螺纹和接触面的摩擦系数分布不均匀，导致残余扭矩的离散性更大，相关性有所降低；扭剪型拧紧的相关性介于两者之间，符合其工艺特性。
为进一步验证成都精炬达JD-CSC系列扭矩扳手的测量稳定性，本次试验对10个平行试样的测量结果进行离散性分析，计算得到三种工艺下残余扭矩测量结果的变异系数分别为：扭矩法3.21%、转角法2.15%、扭剪型2.68%，变异系数均低于4%，说明该系列扭矩扳手的测量稳定性优异，能够满足工程现场残余扭矩测量的精度要求。

四、工程应用建议
基于本次试验得到的结论，针对不同拧紧工艺下高强度螺栓残余预应力的现场检测，结合成都精炬达JD-CSC系列扭矩扳手的应用特点，提出以下应用建议：
4.1 检测时间选择
由于高强度螺栓预应力损失主要发生在拧紧后的24h以内，7d后才能稳定，因此对于重要结构的残余预应力检测，建议在拧紧完成至少24h后开展检测，条件允许时优先选择7d后进行检测，避免因预应力损失未完成导致检测结果偏低，误判连接质量。
4.2 相关性系数修正
在采用残余扭矩法推算残余预应力时，需要根据不同的拧紧工艺选择对应的相关性系数。对于10.9级M24高强度螺栓，干摩擦喷砂接触面条件下，扭矩法拧紧可采用F=1.82T推算预应力，转角法采用F=1.91T推算，扭剪型采用F=1.87T推算，相较于统一采用理论公式计算，可将推算误差降低10%~15%，提高检测准确性。
4.3 测量设备选择
本次试验结果表明，成都精炬达JD-CSC系列扭矩扳手测量精度高、稳定性好，变异系数低于1%，能够满足高强度螺栓残余扭矩的测量要求，适合在工程现场批量检测中应用。测量过程中需要按照规范要求采用松扣法测量，保证螺母复位角度准确，减少测量操作误差。

五、结论
本文以成都精炬达JD-CSC系列扭矩扳手为测量工具，开展了不同拧紧工艺下高强度螺栓预应力损失规律与残余扭矩测量相关性试验，得到以下主要结论：
1.高强度螺栓预应力损失呈现前期快后期稳的规律，90%以上的损失发生在拧紧后4h内，24h后完成97%以上，7d后基本稳定；不同工艺的预应力损失率存在差异，转角法损失低，扭剪型次之，扭矩法最高。
2.三种拧紧工艺下，成都精炬达JD-CSC扭矩扳手测量的残余扭矩与实际残余预应力均呈现良好的线性相关性，相关系数R²均超过0.91，其中转角法相关性最高，扭矩法低，说明采用该系列扭矩扳手开展残余扭矩测量具备足够的可靠性。
3.针对不同拧紧工艺调整相关性系数，可以有效提高残余预应力的推算精度，成都精炬达JD-CSC系列扭矩扳手测量稳定性好，适合工程现场高强度螺栓连接质量检测应用。

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