钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副拉伸试验检测

一、检测原理

扭剪型高强度螺栓连接副的拉伸试验，核心在于评估其在实际工况下的抗拉性能、预紧力控制精度及整体可靠性。其技术原理基于材料力学、弹性力学及摩擦学理论。

1. 轴向拉力与预紧力关系原理： 扭剪型高强度螺栓通过施加扭矩使螺栓杆产生接近或达到屈服强度的轴向预紧力（拉力），此预紧力通过夹紧被连接件产生摩擦力来传递外力。拉伸试验旨在验证在轴向静载下拉力-位移关系，判断其是否能在规定的预紧力范围内正常工作而不发生塑性失效或断裂。其科学依据是胡克定律及材料的应力-应变曲线。

2. 扭剪断裂控制原理： 扭剪型螺栓的独特之处在于其尾部有一个“扭剪梅花头”。在安装时，专用电动扳手通过套筒拧紧螺母，同时另一套筒卡住梅花头。当施加扭矩达到预定值时，螺栓杆身的轴向拉力使其处于屈服状态，此时继续施加扭矩，梅花头因其抗扭截面面积小于螺栓杆身，会发生扭断。这一过程间接控制了螺栓的预紧力，使其达到且基本不超过设计屈服强度。拉伸试验需验证螺栓杆身（不含梅花头）在拉伸至破坏时，其抗拉强度、屈服强度及断后伸长率等指标满足要求。

3. 连接副系统性原理： 高强度螺栓连接副是一个系统，包括螺栓、螺母和垫圈。拉伸试验不仅针对螺栓本身，也考察连接副的整体性能。垫圈的作用是防止在拧紧螺母时损伤被连接件表面，并确保摩擦面的稳定。试验需模拟实际连接状态，评估在轴向拉力下整套连接副的协调性与可靠性。

二、检测项目

检测项目可分为对连接副整体系统的性能检验和对单个组件的材质性能检验。

1. 连接副系统性能检验：

   • 楔负载试验： 将螺栓拧入带有内螺纹的专用夹具，在螺栓头下部放置一个规定角度的楔垫，然后施加轴向拉力直至断裂。用于考核螺栓头与杆部过渡区的强度以及螺栓在偏心载荷下的塑性变形能力。

   • 保证载荷试验： 对螺栓和螺母分别施加规定的标准保证载荷，并保持一定时间，卸载后检查其永久变形量。用于验证螺栓和螺母的螺纹部分在承受规定载荷时不产生塑性变形。

   • 螺母保证载荷试验： 将螺母拧入测试芯棒，施加规定的保证载荷，考核螺母螺纹的承载能力和抗脱扣能力。

   • 螺母硬度试验： 测定螺母的硬度，确保其强度与螺栓匹配，避免因螺母强度不足导致连接失效。

   • 垫圈硬度试验： 测定垫圈的表面硬度，确保其足够坚硬以保护被连接件表面，并维持稳定的摩擦系数。

2. 螺栓组件材质性能检验：

   • 螺栓实物的抗拉强度： 对螺栓实物进行直接拉伸试验，测定其大拉力载荷，计算抗拉强度。

   • 螺栓实物的屈服强度： 通过试验机测力系统或引伸计，测定螺栓产生规定非比例延伸量（通常为0.2%）时所对应的应力。

   • 螺栓实物的断后伸长率： 测量螺栓拉断后的塑性变形能力，是衡量其韧性的重要指标。

   • 螺栓实物的断面收缩率： 测量螺栓拉断后颈缩处横截面积的大缩减量，反映材料的塑性。

   • 螺栓头部坚固性： 通过反复弯曲或冲击试验，考核螺栓头部的制造质量及其与杆部的结合强度。

   • 螺纹脱碳层检验： 通过金相法或硬度法检测螺栓螺纹部位因热处理不当导致的表面碳元素缺失情况，脱碳会显著降低螺栓的疲劳强度和承载能力。

三、检测范围

扭剪型高强度螺栓连接副广泛应用于对连接强度和可靠性要求极高的钢结构领域。

• 建筑钢结构： 高层/超高层建筑、大型体育场馆、会展中心、机场航站楼等的主体钢框架梁柱连接、桁架节点连接。

• 桥梁钢结构： 公路桥、铁路桥（特别是钢桁架桥和箱梁桥）的桥面系、纵梁、横梁及主桁节点的现场拼接。

• 塔桅结构： 高压输电铁塔、通信塔、风力发电塔筒的连接。

• 工业设施： 重型工业厂房（如冶金、电厂、化工厂）、大型设备平台、起重机轨道梁、管道支架等。

• 海洋工程： 海上石油钻井平台、港口机械等承受动载和腐蚀环境的结构。

检测要求需根据不同应用领域的载荷特性（静载、动载、疲劳载荷）、环境条件（常温、低温、腐蚀环境）及结构重要性等级，确定相应的性能等级（如8.8S、10.9S）和检测项目。

四、检测标准

国内外标准对扭剪型高强度螺栓连接副的检测要求大同小异，但在细节上存在差异。

对比分析： 国内标准（GB/T 3632）主要参照先进标准制定，技术指标与主流标准（如ISO、ASTM）接轨。主要差异体现在：1) 针对扭剪型的专用试验方法（如对梅花头的要求）更为具体；2) 在部分机械性能指标的允差范围上可能存在细微差别；3) 环境适应性（如耐候钢螺栓）的要求可能根据本国国情有所侧重。

五、检测方法

1. 样品准备： 试样应从同批号、同规格的成品中随机抽取。螺栓、螺母、垫圈应配套试验。试样表面应清洁，无油污、锈蚀，螺纹无损伤。

2. 拉伸试验（楔负载/实物拉伸）：

   • 设备校准： 试验前需对万能试验机进行力值校准和速度设定校准。

   • 夹具选择： 使用与试样螺纹匹配的专用螺纹夹具或楔负载夹具。确保试样轴向受力，避免偏载。

   • 楔垫放置（楔负载试验）： 对于楔负载试验，将规定角度的楔垫（如10度）置于螺栓头下，楔垫的斜面向螺栓头方向。

   • 加载速率： 采用控制速率加载，速率应平稳，确保屈服阶段的应力速率在规定范围内（如GB/T 228.1规定）。

   • 数据记录： 连续记录或采集载荷-位移曲线，直至试样断裂。记录大载荷、断裂位置。

3. 保证载荷试验：

   • 将螺栓或螺母安装在专用夹具上。

   • 施加规定的保证载荷（如10.9级螺栓为载荷屈服强度的90%左右），并保持15秒。

   • 卸载后，使用螺纹通止规检查螺栓螺纹是否仍能顺利旋合，或测量螺母高度变化是否在允许范围内。

4. 硬度试验：

   • 通常在螺栓杆部无螺纹处、螺母支承面及垫圈表面进行。

   • 根据标准要求选用洛氏（HRC）、维氏（HV）或布氏（HB）硬度计。

   • 测试点应不少于3点，取平均值。

5. 脱碳层检验：

   • 金相法： 截取螺栓试样，经镶嵌、磨抛、腐蚀后，在金相显微镜下观察螺纹牙底至心部的组织变化，测量全脱碳层和部分脱碳层深度。

   • 硬度法： 在螺纹横截面上，从边缘向心部测量显微硬度，以硬度值达到心部硬度值低要求的位置作为脱碳层边界。

六、检测仪器

1. 万能材料试验机： 核心设备。需具备足够的载荷容量、精确的力值测量系统（精度不低于±1%）、可控的加载速度。应配备用于螺栓拉伸的专用螺纹夹具、楔负载试验装置。

2. 直接加载轴力计/传感器： 用于标定和验证螺栓的预紧力（轴力），是连接施工质量控制的关键设备。

3. 硬度计： 洛氏、维氏或布氏硬度计，用于快速检测螺栓、螺母、垫圈的硬度，确保其机械性能达标。

4. 金相显微镜： 用于脱碳层深度、显微组织分析等微观检验。需配备图像分析系统以进行精确测量。

5. 螺纹通止规： 用于保证载荷试验后快速检验螺栓螺纹的可旋合性。

6. 扭矩扳手（标定用）： 用于研究扭矩-轴力关系，虽非拉伸试验直接设备，但在连接副系统性研究中关联紧密。

七、结果分析

1. 强度指标评判：

   • 抗拉强度： 实测值不得低于标准规定的小抗拉强度值。断裂应发生在杆部或螺纹部分，而不应在螺栓头下。

   • 屈服强度： 实测值不得低于标准规定的小屈服强度值。对于没有明显屈服点的材料，采用规定非比例延伸强度（Rp0.2）。

   • 楔负载试验： 断裂应发生在螺栓杆部或螺纹部分，且螺栓头与杆部交接处不应发生断裂。载荷值应满足标准要求。

2. 塑性指标评判：

   • 断后伸长率与断面收缩率： 实测值不得低于标准规定的小值。过低表明材料脆性大，安全性差。

3. 保证载荷试验评判：

   • 试验后，螺栓螺纹应能用手顺利旋入通过螺纹通规；螺母高度变化量应在允许范围内（通常为极小值）。任何永久变形超标或螺纹损坏均判为不合格。

4. 硬度评判：

   • 螺栓、螺母、垫圈的硬度值应在标准规定的范围内。硬度过高可能导致脆性增加，过低则强度不足。螺母硬度通常略低于螺栓硬度，以保护螺栓螺纹。

5. 脱碳层评判：

   • 全脱碳层（铁素体层）深度和总脱碳层深度不得超过标准规定的限值。脱碳超标会严重削弱螺栓的疲劳寿命和承载能力。

6. 综合判定： 所有检测项目均符合标准要求时，方可判定该批扭剪型高强度螺栓连接副合格。任一项目不合格，则判该批产品不合格。检测报告应清晰列出各项实测数据、评判标准和终结论，为工程质量提供依据。