鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈楔負(fù)載試驗檢測技術(shù)

一、檢測原理

高強(qiáng)度螺栓連接副的力學(xué)性能是保證鋼結(jié)構(gòu)安全的核心。其檢測基于材料力學(xué)、機(jī)械原理及斷裂力學(xué)，通過模擬或復(fù)現(xiàn)螺栓在實際工況中的受力狀態(tài)，評估其承載能力、塑性變形能力及連接可靠性。

• 楔負(fù)載試驗原理： 該試驗旨在評估螺栓桿部在存在彎曲應(yīng)力狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度（實載強(qiáng)度）和延性。通過在螺栓頭部下方施加一個規(guī)定角度的楔墊，使螺栓在承受軸向拉伸載荷的同時，在螺紋部分或螺桿與螺紋過渡區(qū)產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力。這種應(yīng)力集中條件比單純拉伸更苛刻，能更有效地暴露因材質(zhì)、熱處理不當(dāng)或表面缺陷導(dǎo)致的潛在脆斷風(fēng)險。其科學(xué)依據(jù)在于，應(yīng)力集中處的塑性變形能力決定了構(gòu)件在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的安全裕度。

• 螺栓保證載荷試驗原理： 驗證螺栓在承受一個特定保證載荷（通常低于其屈服強(qiáng)度）后，是否發(fā)生永久變形。該載荷對應(yīng)于螺栓在設(shè)計中允許長期承受的工作應(yīng)力。試驗后測量其長度，若永久伸長量未超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，則表明螺栓具有足夠的抗松弛能力和剛度，能保證連接節(jié)點在服役期間的夾緊力不顯著衰減。

• 螺母保證載荷試驗原理： 將螺母旋合在經(jīng)硬化處理的專用試驗螺栓上，施加規(guī)定的保證載荷。試驗后，螺母應(yīng)能用手順利旋出，且無螺紋脫扣或撕裂現(xiàn)象。此試驗驗證了螺母螺紋的強(qiáng)度、韌性及其與螺栓螺紋的配合性能，確保其能承受設(shè)計載荷而不發(fā)生螺紋失效。

• 墊圈硬度試驗原理： 通過測量墊圈的表面硬度（通常為洛氏硬度HRC或布氏硬度HB），間接評估其抗表面壓陷和抗嵌入能力。高硬度墊圈能有效分散螺栓夾緊力，防止在連接板層表面產(chǎn)生壓痕，從而維持長期預(yù)緊力的穩(wěn)定。

二、檢測項目

檢測項目系統(tǒng)分為螺栓、螺母、墊圈三大類，并可進(jìn)一步細(xì)分為型式檢驗和常規(guī)檢驗。

1. 螺栓檢測項目：

   • 楔負(fù)載試驗： 核心項目，考核螺栓在惡劣應(yīng)力狀態(tài)下的綜合性能。

   • 抗拉強(qiáng)度試驗： 在不加楔墊條件下，測定螺栓的大拉力載荷，直至斷裂。

   • 保證載荷試驗： 考核螺栓的抗塑性變形能力。

   • 硬度試驗： 在螺栓頭部或末端測定硬度，評估其熱處理均勻性及強(qiáng)度水平。

   • 脫碳層試驗： 檢測螺栓表面因熱處理不當(dāng)導(dǎo)致的全脫碳和部分脫碳層深度，表面脫碳會顯著降低疲勞強(qiáng)度。

   • 沖擊試驗： 測定螺栓在低溫下的夏比V型缺口沖擊功，評估其抗脆斷能力，尤其對低溫環(huán)境應(yīng)用至關(guān)重要。

   • 螺紋通止檢查： 使用螺紋通規(guī)和止規(guī)檢查螺紋加工精度。

2. 螺母檢測項目：

   • 保證載荷試驗： 核心項目，考核螺母螺紋的承載能力。

   • 硬度試驗： 評估螺母本體的強(qiáng)度。

   • 螺紋通止檢查： 確保螺母螺紋尺寸精度。

3. 墊圈檢測項目：

   • 硬度試驗： 核心項目，評估其抗壓陷能力。

   • 翹曲度檢查： 確保墊圈平整，不影響受力均勻性。

三、檢測范圍

高強(qiáng)度大六角頭螺栓連接副廣泛應(yīng)用于各行業(yè)對結(jié)構(gòu)安全性和可靠性要求極高的領(lǐng)域。

• 建筑鋼結(jié)構(gòu)： 高層建筑、體育場館、機(jī)場航站樓、會展中心等鋼框架梁柱連接、桁架節(jié)點連接。

• 橋梁工程： 鋼橋的箱梁節(jié)段連接、橋面系連接、拱肋與吊桿連接等。

• 工業(yè)裝備與設(shè)施： 電廠鋼結(jié)構(gòu)、石化裝置框架、大型輸送設(shè)備支架、礦山井架等。

• 塔桅結(jié)構(gòu)： 高壓輸電鐵塔、通信塔、風(fēng)力發(fā)電塔筒連接。

• 重型機(jī)械： 起重機(jī)臂架連接、挖掘機(jī)平臺連接等。
  具體要求遵循各行業(yè)的專項設(shè)計規(guī)范，如《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》、《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》等，對螺栓性能等級（如10.9S、8.8S）、應(yīng)用部位及檢測頻率均有明確規(guī)定。

四、檢測標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)體系對高強(qiáng)度大六角頭螺栓連接副的檢測要求總體原則一致，但在具體技術(shù)參數(shù)和驗收指標(biāo)上存在差異。

• 及國外主要標(biāo)準(zhǔn)：

  • ISO 7412： 標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了技術(shù)要求和測試方法。

  • ASTM A325 / A490： 美國材料與試驗協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)，在北美地區(qū)廣泛應(yīng)用。ASTM A325對應(yīng)中等強(qiáng)度，A490對應(yīng)高強(qiáng)度。值得注意的是，ASTM A325已于2016年撤銷，由F3125 Grade A325替代。

  • EN 14399系列： 歐洲標(biāo)準(zhǔn)體系，對高強(qiáng)度預(yù)緊力螺栓連接副的規(guī)定極為詳盡，其中EN 14399-2專門針對HR型（大六角頭）螺栓連接副。

• 中國標(biāo)準(zhǔn)（GB）：

  • GB/T 1228 - 1231： 《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件》系列標(biāo)準(zhǔn)，是國內(nèi)核心和的規(guī)范。

    • GB/T 1228：螺栓

    • GB/T 1229：螺母

    • GB/T 1230：墊圈

    • GB/T 1231：驗收、標(biāo)志與包裝

  • GB 50205： 《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》，規(guī)定了現(xiàn)場復(fù)驗的要求。

• 標(biāo)準(zhǔn)對比分析：

  • 性能等級： 中國GB/T 1228與ISO 7412的螺栓性能等級劃分基本對應(yīng)（如10.9S），而ASTM和EN體系有各自的等級標(biāo)識。

  • 楔墊角度： GB/T 1231與ISO 7412通常規(guī)定楔墊角度為10°，而ASTM A490規(guī)定為6°或4°（取決于規(guī)格），EN 14399-2規(guī)定為10°。不同的角度導(dǎo)致應(yīng)力集中程度不同。

  • 保證載荷值： 各標(biāo)準(zhǔn)對螺栓和螺母的保證載荷計算公式或具體數(shù)值規(guī)定略有不同。

  • 檢測項目側(cè)重： 中國標(biāo)準(zhǔn)對脫碳層有明確要求，而某些國外標(biāo)準(zhǔn)可能更側(cè)重于硬度或直接通過楔負(fù)載試驗進(jìn)行綜合性評判。

五、檢測方法

1. 楔負(fù)載試驗方法：

   • 操作要點：

     • 將規(guī)定角度的楔墊置于螺栓頭部下方，楔墊的斜面和底面應(yīng)與試驗機(jī)夾具接觸良好。

     • 螺栓擰入螺紋夾具時，應(yīng)使楔墊支承面與螺栓頭下承面緊密接觸。

     • 試驗機(jī)應(yīng)能平穩(wěn)施加載荷，加載速率應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（通常為應(yīng)力速率或應(yīng)變速率控制）。

     • 連續(xù)加載直至螺栓斷裂。

   • 關(guān)鍵控制： 楔墊角度和硬度的準(zhǔn)確性、對中性、加載速率。

2. 保證載荷試驗方法（螺栓/螺母）：

   • 操作要點：

     • 螺栓： 將試樣裝入試驗機(jī)，施加規(guī)定的保證載荷并保持規(guī)定時間（通常15秒），卸荷后測量螺栓長度變化。

     • 螺母： 將螺母擰入專用芯棒，施加規(guī)定的保證載荷并保持15秒，卸荷后嘗試用手將螺母旋出。

   • 關(guān)鍵控制： 載荷保持時間的精確性、長度測量的準(zhǔn)確性（螺栓）、旋出螺母時的手動操作（螺母）。

3. 硬度試驗方法：

   • 操作要點： 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 230.1, GB/T 231.1等）在試樣表面選定至少三點進(jìn)行測試，取平均值。

   • 關(guān)鍵控制： 試樣表面平整光潔、壓頭與試樣垂直、測試環(huán)境穩(wěn)定。

六、檢測儀器

1. 萬能材料試驗機(jī)： 核心設(shè)備，用于進(jìn)行楔負(fù)載、抗拉強(qiáng)度、保證載荷試驗。

   • 技術(shù)特點： 具備高精度力值傳感器和位移測量系統(tǒng)；采用伺服電機(jī)或電液伺服控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)精確的載荷和位移控制；配備計算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理軟件，能自動繪制載荷-位移曲線并計算特征值；夾具需滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，特別是用于楔負(fù)載試驗的專用楔墊夾具和螺紋夾具。

2. 洛氏/布氏/維氏硬度計： 用于螺栓、螺母、墊圈的硬度測試。

   • 技術(shù)特點： 洛氏硬度計操作簡便、效率高；布氏硬度計壓痕大，代表性好，但效率較低；維氏硬度計適用于小件或薄層檢測。設(shè)備需定期用標(biāo)準(zhǔn)硬度塊進(jìn)行校準(zhǔn)。

3. 金相顯微鏡/圖像分析系統(tǒng)： 用于脫碳層深度測定。

   • 技術(shù)特點： 配備測微目鏡或數(shù)字圖像分析軟件，可精確測量從邊緣到心部組織變化的深度。

4. 沖擊試驗機(jī)： 用于低溫沖擊試驗。

   • 技術(shù)特點： 具備精確的低溫槽，可控制試樣冷卻溫度；擺錘能量準(zhǔn)確已知。

七、結(jié)果分析

1. 楔負(fù)載試驗結(jié)果分析：

   • 合格評判：

     • 斷裂位置應(yīng)位于螺紋部分或螺桿與螺紋交接處，而不應(yīng)發(fā)生在螺栓頭部或頭桿交接處。

     • 測得的大拉力載荷（楔負(fù)載）不應(yīng)小于螺栓規(guī)定的小抗拉強(qiáng)度與螺栓應(yīng)力截面積的乘積。

   • 失效模式分析：

     • 頭部斷裂： 通常預(yù)示頭桿交接處存在鍛造缺陷或淬火裂紋。

     • 螺紋處脆斷： 斷口平齊，無明顯頸縮，可能與材料冶金質(zhì)量差、淬火溫度過高導(dǎo)致晶粒粗大或回火不足有關(guān)。

     • 載荷不達(dá)標(biāo)： 材料強(qiáng)度不足或截面尺寸偏小。

2. 保證載荷試驗結(jié)果分析：

   • 螺栓： 試驗后長度的永久伸長量不得超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值（如12.5μm）。超標(biāo)表明螺栓已發(fā)生屈服，服役中預(yù)緊力會松弛。

   • 螺母： 用手應(yīng)能順利旋出，且螺紋無任何損壞。若旋出困難或螺紋損壞，表明螺母螺紋強(qiáng)度或韌性不足。

3. 硬度試驗結(jié)果分析：

   • 將測得的硬度值（HRC, HBW等）與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍進(jìn)行比對。過高可能表示材料脆性大，過低則強(qiáng)度不足。同一試樣上多點測量的硬度值應(yīng)均勻。

4. 脫碳層試驗結(jié)果分析：

   • 全脫碳層深度和總脫碳層深度不得超過標(biāo)準(zhǔn)允許值。脫碳層超標(biāo)會形成軟層，顯著降低螺栓的疲勞壽命和承載能力。

綜合各項檢測結(jié)果，可對高強(qiáng)度螺栓連接副的制造質(zhì)量、熱處理工藝水平及其在特定工程中的適用性做出全面、準(zhǔn)確的判定。任何一項關(guān)鍵指標(biāo)不合格，均判定該批次產(chǎn)品不合格，嚴(yán)禁用于工程關(guān)鍵部位。