公路钢桥高强度螺栓检测技术

一、螺栓、螺栓连接分类

1、螺栓连接机理

1）高强度螺栓连接副及其分类

国内最常用的有大六角头和扭剪型两种高强度螺栓连接副两种，公路钢桥常用：大六角头高强螺栓。

目前常用的是8.8S和10.9S两种，在新修订的JGJ82-2011中列入了12.9级的高强度螺栓。

螺栓的性能等级含义：其中第一位数字代表螺栓材质标称抗拉强度值等级，后面的两位代表该材质的屈强比（屈服强度与抗拉强度的比值）。

大六角头高强度螺栓每一连接副包括1个螺栓、1个螺母、2个垫圈，并应分属同批制造。

螺栓、螺母、垫圈在组成一个连接副时，其材料以及性能等级要匹配。10.9S-10H/8.8S-8H

 

 

 

2）螺栓连接的分类

普通螺栓连接和高强螺栓连接：区别关键是看是否要求螺栓施加一定的紧固轴力（预拉力）。

即便是采用了高强度螺栓（一般为8.8S），不要求预拉力，也不是高强螺栓连接，比如桥梁护栏的地脚螺栓，采用的8.8级的高强螺栓，但不是高强螺栓连接。

3）高强度螺栓连接的分类

摩擦型连接：以摩擦力刚要克服为极限承载力

承压型连接：节点板滑动后，孔壁承压、栓杆受剪破坏为极限承载力

抗剪连接：高强螺栓摩擦型连接和承压型连接

 

4）传递沿螺栓轴方向拉力的受拉连接接头。受剪与受拉传递力的方向不同，在利用拧紧高强度螺栓所得紧固轴力方面是相同的。

 

5）高栓受剪接头受力阶段：（1）阶段（一）为静摩擦抗滑移阶段，即摩擦型连接工作阶段。（2）阶段（二）为主滑移阶段（3）阶段（三）为摩擦-承压阶段（4）阶段（四）为接头极限破坏阶段

 

2、扭矩法紧固原理

1)施工扭矩与螺栓轴力（预拉力）的关系

T=K·P·d

式中：P，螺栓预拉力；d，螺栓公称直径；K，扭矩系数。

 

由式可知，螺栓连接副有相同的扭矩系数K，对螺母施加一定的扭矩值就可以得到设计所要求的预拉力，因此，控制一批螺栓连接副扭矩系数（平均值和变异系数）稳定，是扭矩法施工的关键。

扭矩系数： 是螺杆、螺母、垫圈的总使用性能(连接副总体性能);是厂家按每批号提供质量的保证。

规范规定： 高强度螺栓连接副施拧前，应在施工现场按出厂批号分批测定其扭矩系数。每批号的抽验数量应不少于 8 套，其平均值和标准偏差应符合设计要求；设计未要求时，平均值偏差应在 0.11～0.15 范围内，其标准偏差应小于或等于 0.010。

3、涉及的规范

1）制造规范

高强度螺栓连接副材料的质量及检验应符合现行《钢结构用高强度大六角头螺栓》（GB/T1228)、《钢结构用高强度大六角螺母》（GB/T1229)、《钢结构用高强度垫圈》（GB/T1230)、《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件》（GB/T1231）及《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副》（GB/T3632)的规定。

目前在做的一项工作是，编写新的 GB/T 1231－202×，替代GB/T 1228～1231—2006，11月1日，紧固件标准化委员会已经开过审查会。

2）施工与检测

《公路钢结构桥梁制造和安装施工规范 》(JTG/T 3651—2022)   未包含扭剪型高强度螺栓 《公路桥涵施工技术规范 》(JTG/T 3650—2020)《钢结构高强螺栓连接技术规程》(JGJ 82-2011) 计划今年局部修订稿开审查会《客货共线铁路桥涵工程施工技术规程》(Q-CR-9652-2017)

3）规范修订主要内容

（1）JGJ82局部修订重要内容

①《钢结构高强度螺栓连接技术规程》改为《钢结构高强度螺栓连接技术标准》 

②增加运维、拆除的内容，适用范围扩展到全寿期、钢桥

③补充Q355，与现行规范和标准保持同步 

④抗滑移系数值基本不变，但与钢种脱钩 

⑤螺栓最小容许间距由3.0d0下调到2.5d0：现在的工具比以前小了 

⑥施工可操作空间尺寸调整 

⑦增加法兰连接内容 

⑧明确量化大六角和扭剪型螺栓连接副同样的初拧扭矩值 

⑨紧固质量检查中，将拧松角度适当减小由600变为（30-450） 

⑩将受拉接头、端板接头及法兰接头中关于撬力计算内容集中纳入附录C 

?其他修改、文字用语等修改完善内容

同时拟增加其他类型高强度紧固件连接技术要求 

①螺栓球网格结构（网架）用高强度螺栓连接 

②钢结构用高强度单向螺栓连接 

③钢结构用高强度环槽螺栓（铆钉）连接 

④钢结构用12.9级高强度螺栓连接 

⑤钢结构用热浸镀锌高强度螺栓连接 

⑥高强度螺栓连接钢结构用载荷指示垫圈紧固法

（2）GB/T 1231－202× 的修订内容

①增加了螺栓连接副中大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈的规格M33和M36 

②增加了垫圈型式 

③增加了所用材料 

④修改了螺栓试件机械性能中抗拉强度、断面收缩率、吸收能量规定 

⑤修改了10.9S螺栓楔负载试验拉力载荷上限和芯部硬度上限的规定 

⑥修改了10H螺母的硬度规定 

⑦扭矩系数标准偏差更改为变异系数要求，增加了扭矩系数试验中变异系数的计算方法 

⑧改了进行扭矩系数试验时，螺栓预拉力的控制范围 

⑨增加了扭矩系数试验拧紧螺母转速的要求

二、新建桥梁螺栓检测

1、规范规定

（1）《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T3650-2020） 

（2）《公路钢结构桥梁制造和安装施工规范》(JTG/T 3651—2022)高强度螺栓连接副的紧固宜采用扭矩法施工；检查和验收可采用“松扣回 扣法（30度）”，当试验数据足够且准确时，也可采用“紧扣法”

 

 

2、质量检验

对高强度螺栓施拧施工质量的检查应按自检、专检、监理工程师检查的程序进行。专检应由专职质量检查人员进行。

对   初拧 扭矩的检查应为每个栓群和节点高强度螺栓数量的   100% ； 终拧 扭矩应抽检总数的   5% ，且对 主桁节点 、板梁和箱梁主体以及纵横梁连接处应不少于   2套 ，其余节点应不少于1套。

高强度螺栓连接副的   初拧 质量检查应符合下列规定：

1）初拧后的全部高强度螺栓连接副应采用敲击法逐个进行检查。

2）采用质量约0.3㎏的小铁锤，敲击螺母对边的一侧，用手指紧按住螺母对边的另一侧进行检查，颤动较大者即认为不合格，应予复拧。对复拧质量的检查应与初拧质量检查的要求一致。

高强度螺栓连接副的   终拧 质量检查应符合下列规定：

1）对终拧后的全部高强度螺栓连接副，应逐个检查初拧或复拧时所做的油漆标记，是否发生错动，以此判断终拧时有无漏拧。

2）高强度螺栓连接副终拧到位后，外露的丝扣数不得少于2个。

3）终拧扭矩检查应在螺栓终拧 1h 之后、24h以内完成。

4）对每栓群或节点进行检查的螺栓，其不合格率不得超过抽检总数的20％；超过时，应继续抽检，直至累计合格率达到80％为止。

高强度螺栓连接副的   终拧质量检查方法 ：

检查终拧扭矩时宜采用“松扣回扣法”。检查时应先在被检的螺栓与螺母上划 出标记线，然后将螺母拧松退回 30°，再采用检查扳手将螺母重新拧至原来位置，使所划标记线重合，测定并记录此时的扭矩值，该扭矩值在（0.9～1.1）检验扭矩范围内时判定为合格。

采用“紧扣法”检查终拧扭矩时，应在检查前通过试验确定紧扣检查扭矩；且在测定紧扣检查扭矩时，应确认高强度螺栓预拉力的误差在设计预拉力的 2％范围内。检查时，测得螺母与螺栓发生微小相对转角时的扭矩值在 0.9～1.1 倍紧扣检查扭矩范围内时，应判定为合格。

3、信息化施工

 

将传感器、自动识别、自动感应、自组网等物联网技术应用到电动扳手、螺栓检测试验设备、螺栓仓储管理、螺栓施拧管理等各个方面。

改进拧紧工具—通过扳手输出数据的上传，判定是否施拧到了要求的扭矩。

扭矩法无法解决这些问题，需要 扭矩+转角监控。

扭矩精准控制+初拧到终拧角度概率控制

1）数字化桥梁施工管理系统

从螺栓入库出库、扳手管理、施工计划、施工质量管理和试验室管理的施工质量管理平台 

2）手机APP实现扳手与数据平台的连接

信息化定扭矩电动扳手，加装了扭矩传感器、角度传感器和信息收发模块，实现了扭矩、角度的采集和收发。

 

 

 

 

三、服役桥梁螺栓检测与监测

1、问题的提出

近年来，我国建设了许多螺栓连接的钢桥，螺栓用量数巨大。其中浙江台州路泽太高架螺栓用量223万套、彭埠大桥螺栓用量接近100万套、河南安罗高速螺栓用量超300万套。

但调研发现，国内钢结构桥梁的高强度螺栓普遍出现不同程度的锈蚀、松动、甚至断裂。公开得报道显示，浙江、江苏、湖南和贵州均有多座钢桥螺栓脱落上百颗，甚至上千颗。

 

新桥高栓施工依据《公路钢结构桥梁制造和安装施工规范》（ JTG/T 3651-2022），服役桥梁高强螺栓的检测、监测与运维尚无具体的规范规定。

1）某钢桁架桥，2014年通车，三跨下承式钢桁架连续梁桥，全桥共有高强度螺栓109922套。2022年进行了专项检测。

 

检测结论：共检测149个螺栓扭矩值，其中，实测扭矩值偏差在±10%以内的共计57个，   合格率为38.26%

 

处治建议：

增补缺失和松动的螺栓，并施拧至设计值。

 

服役螺栓测扭矩？合格的标准？

2）某特大桥的钢桁梁，2015年通车，一直有螺栓脱落。截止2022年4月，累计断裂905颗高强螺栓，2023年2月又检查出195颗螺栓脱落。   近三年内的月均断裂螺栓20颗左右。

对全桥主桁3类节点高强螺栓脱落位置及数量进行了统计，节点1高强螺栓累计脱落151颗，节点2高强螺栓累计脱落34颗，节点3高强螺栓累计脱落10颗。

 

3）某公路桥，建成后10年未通车，通车前进行检测。全桥共7536套螺栓，按5%抽查螺栓扭矩。该桥采用的高强螺栓规格为M24 10.9s，根据《钢结构高强度螺栓连接技术规程》(JGJ 82-2011)测试方法及合格标准，可计算扭矩合格范围为534.6～891N.m。   检测结果：合格率12.8%。

 

螺母、螺栓头和外露丝扣部分锈了会不会影响受力？

怎么检测栓杆有没有锈蚀、锈蚀的程度？

这座桥螺栓为啥断了，会不会继续断？

咋才能监测螺栓松动、及时发现螺栓断裂？

这都是服役高强螺栓运维技术可以回答的问题

2、高强度螺栓病害调查

 

1）断裂

从国内文献来看，   钢桥断栓率为万分之一量级

短螺栓断裂占比较高

上下平联、风撑处断裂螺栓数量较多

 

 

（1）某48+180+48三跨连续钢桁拱桥 M22/M30

 

（2）某跨度55米的钢桁架桥，上部结构螺栓用量为1.9748万，均为M24螺栓，共缺失螺栓47颗，检查到断裂螺栓30颗，断栓率0.235%。其中E类断裂占73%。应力腐蚀断裂，缺陷可能由垫圈刮伤螺纹引起。

 

（3）某特大跨度悬索桥的钢桁架梁，上部结构螺栓用量为26.7364万，均为M24螺栓，共缺失螺栓超过1000颗，断栓率0.38%。其中C类断裂占71%。经过分析后，也认为是应力腐蚀断裂。

 

2）锈蚀

 

首先要明确 螺母、螺栓头和外露丝扣部分的锈蚀，与内部栓杆的锈蚀不能等同。

 

如果不拆螺栓，能不能检查螺栓有没有锈呢，锈蚀程度怎么样呢？

3）松动

新建桥梁，检测的是终拧扭矩，终拧扭矩符合要求，就默认为预紧力符合要求，也就是设计值的±10%以内。

 

由上式可知，影响螺栓预拉力与扭矩的因素比较多。

对服役钢桥单纯采用扭矩评定不适用。

如果用预拉力，那么就面临±10%作为判定合格标准可不可以的问题？答案是：不可以。

有提出15%（铁路桥梁维修规则），根据我们对几座桥的实测，在施工正规的情况下，合格标准是：±20%范围内，80%的螺栓合格（28定律）。

3、螺栓内部缺陷检查

当有螺栓脱落时，我们迫切希望能把可能断裂的螺栓找出来，消除安全隐患。

当有螺栓锈蚀时，我们希望不拆螺栓来检测内部缺陷

 

 

 

为了验证该方法的精度，我们做了如下的验证

 

人工模拟螺栓裂缝的面缺陷，采用线切割机床切割了不同深度的面缺陷，切口宽度0.15mm。

螺栓头表面查干净，耦合剂均匀涂抹，超声探头与栓头贴合就可以显示缺陷位置。由图中可知，缺陷在深度50mm左右位置，可清晰看到刻槽深度1mm和2mm的区别。仪器可以探测1mm缺陷。

 

 

螺栓11、3和12分别为A、B和C处缺陷4mm。由图可知，全聚焦测量方式未能发现A处的裂缝，原因是该处存在几何尺寸的突变。对B和C处的缺陷能够准确的识别。

 

 

4、服役高栓轴力-扭矩综合评定方法

服役桥梁高强度螺栓如何检测紧固力？

现在工程中把这个问题转变为测扭矩。比如：

 

T=0.13   225 24=702*1.1=772Nm,扭矩系数是假设的？规范规定，在终拧完毕后，1-24小时内检查扭矩有效。检测结论是错误的

测量服役螺栓的轴力（预拉力）是唯一能判断螺栓紧固力是否满足规范要求的方法。

1）用什么方法测？应变片、压力环和超声法。超声法分为单波（纵波）法和双波（纵横波）法。

 

2）如何判定是否合格？看标准±10%，看文献就会迷惑，看试验数据，那±2%都有。我们做了几座桥的现场实测。

±20%，80%合格作为判定依据。对特大桥可以有更高要求

超声法直接、慢；扭矩法间接、快。

有没有可能将二者结合起来呢？轴力-扭矩检查法

方法：

（1）按螺栓长度为批次，选取3-5颗螺栓进行超法标定；

（2）测量同批次、典型节点少量螺栓的轴力和扭矩；

（3）建立轴力-扭矩的关系（一般比较离散，要做处理）得到合格扭矩范围；

（4）采用自动检查扳手检查螺栓扭矩。

我们选择一座服役15年钢桥的实测数据分析

 

 

螺栓超声标定，现在有个即将发布的国标， 《紧固件 轴向应力超声测量方法 》（计划号20204710-T-604）

需要说明的是：用拉伸机标定和施加扭矩的标定，结果差不多，都可以。

 

高强螺栓检查和验收可采用“松扣回扣法”，当试验数据足够且准确时，也可采用“紧扣法”。

紧扣法：当螺母与螺栓发生微小相对转角时的扭矩值即为检查扭矩。问题微小相对转角是多少？松扣回扣法：退回30°，再拧至原来位置，记录此扭矩值。

需要3-4名工人，高空用力危险、受工人影响大

 

数字化电动检查扳手，能精准测得转动到某一角度，扳手输出的扭矩，显示/上传系统。

紧扣法：紧0.5-1.5度，1人操作，锂电池供电

松扣回扣法：可以设为松15-60度的任何角度，锂电池供电

优点：电动、角度精确、拧紧速度固定、省时省力、提高功效10倍以上、大幅度降低检查费用。

 

（1）M22高强螺栓预拉力与终拧扭矩关系分析

①若按预估的扭矩值T=0.13   190 22=543.4，±20%（434.7,652），合格率为2 %，剩余2%是误判为合格的。

②新方法，±20%（631.9，947.1），合格率为98%，误判为合格的螺栓占比：28%,实际合格率70 %。

（2）M30高强螺栓预拉力与终拧扭矩关系分析

①若按预估的扭矩值，T=0.13   350 30=1368 ±20%（1092,1638），合格率为54%，其中9.2%误判为合格。

 

②新方法，±20%（1416.8,2129.1），合格率为88.5%，也存在误判，其中3.4%误判为合格, 3.4%误判为不合格，也就是说实际合格率为88.5%。

从M22的螺栓来看，轴力-扭矩综合法判定螺栓紧固性能效果比扭矩法是有一定的提高，但效果还不好。

原因：测出来的螺栓预拉力离散性就很大（0.8倍至1.2倍设计预拉力之间占比47.3%），不符合“28定律”

从M30的螺栓来看，轴力-扭矩综合法就非常好。

M30的0.8倍至1.2倍设计预拉力之间占比80.83%，符合“28定律”

又在其他五座桥上进行了测试，可以得到类似的结论：

预拉力符合“28定律”的，采用轴力-扭矩综合评定法效果很好

5、服役高栓（连接）监测技术

 

 

 

1）实验室环境测试

 

2）现场环境试验

 

 

3）工程应用

 

 

 

 

采用图像识别的技术，能及时发现松动和即将断裂的螺栓以及节点板滑移。效率比现有人工敲击、预拉力检测高100倍。

通过三种方案，实现全桥螺栓监测：①典型、关键节点的定机位监测，②全桥螺栓的定期检测，③隐蔽部位、狭小空间的手持检查

 

 

四、总结

（1）公路钢桥螺栓的断裂以应力腐蚀断裂为主。

（2）全聚焦相控阵技术可用于检测螺栓内部缺陷。

（3）对服役钢桥，不能单纯采用扭矩检查法判定螺栓状态，要采用轴力-扭矩综合法。

（4）基于图像识别的服役高强螺栓监测/巡检技术已经应用于实桥。

来源：桥何名欤 公众号，如有侵权请联系我们。