【技术前沿】钢结构螺栓连接中垫圈啃伤螺纹的问题探讨

一、垫圈啃伤螺纹的问题分析
在试验室做扭矩系数试验或在现场更换高强螺栓时，经常发现钢结构用高强垫圈（GB/T 1230）存在卡螺纹和挤螺纹的问题导致螺纹啃伤，如图1所示：

分析原因有两种：
一是若垫圈内倒角过大，垫圈内缘厚度将小于螺栓螺距，垫圈就会卡在螺纹内，施拧时会啃伤螺纹。螺栓水平安装时如果操作者不注意用手指托住垫圈对中，更容易发生。在试验室做扭矩系数试验时，如果仔细观察加载过程，就会发现加载到某个阶段时，经常出现扭矩上升、轴力不动的现象，该阶段就是垫圈正在啃伤螺纹。实际施工时，如果啃伤时的扭矩值小于施工的终拧值，那么螺栓的预紧力将大大小于设计值，从而导致高栓连接失效。需要说明的是钢结构扭剪螺栓（GB/T 3632）也会发生卡垫圈的问题。
二是为克服施拧过程中的反力矩，目前广泛使用的电动扳手都会有一个反力臂，将反力克服在临近螺栓上，在拧紧过程中，扳手因为偏载就会在施拧的螺栓副上产生一个径向的力，对垫圈产生挤压，个别情况下也会略微挤伤螺纹。图2~图3可以看见目前钢结构普遍使用的定扭矩电动扳手都有一个克服反力的装置——套筒外的耳朵部分，图3是施拧时反力臂靠在临近螺栓上扳手的受力情况。

这种因为偏载导致垫圈挤伤螺纹的情况，一般不会影响螺栓的预紧力，在国内钢结构行业中，因为有冲钉，也不会引起栓接板偏转和位移，一般可以不处理。
二、针对垫圈卡螺纹的解决办法
垫圈卡螺纹是所有螺纹受伤中比较严重的一种工况。针对上述垫圈啃伤螺纹的问题，  解决方案有两种：
第一种方案是螺母下垫圈取消内倒角，螺栓头下垫圈保留内倒角，并且螺栓头下垫圈可以不采用磷皂化工艺处理，这样两种垫圈可以用颜色来区分，并且螺栓头下垫圈摩擦系数大还能有效防止“跟转“。但这种方案缺点是一套连接副配两种垫圈，增加了制造厂、现场的管理难度。在讨论新的GB/T 1231标准时，最初的方案就是螺母下垫圈取消内倒角，螺栓下垫圈保留内倒角。为了区分这两种垫圈，采取在螺栓头下垫圈外侧刷红漆的方案。
后期垫圈厂家建议将刷漆改为三耳垫圈，如图4所示。

这种带耳垫圈和英国标准BS 4395-1，以及澳大利亚/新西兰标准AS /NZS 1252.1相似（图5），但耳朵形状不同，功能不同，英标及澳标耳朵用来标识垫圈的级别，并且没有外倒角。

第二种方案是将垫圈加厚，国铁集团企业标准《铁路桥梁钢结构用高强度大六角螺栓连接副》(Q/CR 701-2019)就是采用这种方案。
需要说明的是，在发现大六角头高栓垫圈啃螺纹后，我们在扭剪型螺栓试验时，同样发现有此问题，见图6。

三、垫圈卡螺纹解决之后的刮螺纹问题
在分析垫圈卡螺纹的原因时，我们采取了去掉内倒角、加厚垫圈，甚至采用专门的试验设备来消除反力臂偏载。但试验中，发现在螺栓水平安装时，垫圈仍然会刮伤螺纹，刮伤的位置仍然在垫圈处，且在正上方。分析原因是垫圈内缘落在螺纹上，拧紧时移动造成的，虽然是不如卡伤厉害，但依然有隐患，不够完美。
对于垫圈刮螺纹问题的解决方案，首先想到的是在套筒上加一个垫圈定位装置，见图7。

通过试验发现问题基本解决，但又出现新问题：套筒和垫圈会发生相对位移，相互摩擦，会损伤套筒或垫圈，且消耗一定扭矩，造成预紧力偏小。但这个方案对于手动工具预紧方式效果不错，并基本解决了扭剪型螺栓垫圈伤螺纹的问题。
接下来的改进方案，是在反力臂上加垫圈定位装置。因为反力臂在加载中基本不转动，不存在与垫圈的附加摩擦，反力臂定位方案基本完美解决了垫圈啃伤和刮伤的问题，但因为现有产品标准中，螺母的最大外径大于垫圈最大外径，定位装置需要考虑拧紧时对位问题和拧紧后干涉脱离的问题，结构比较复杂，后续建议修改标准，稍微加大垫圈的外径。最终定位装置及加上垫圈的效果如图8：

在反力臂上加垫圈定位装置后，因为垫圈居中不会卡螺纹也不会刮螺纹，因此螺母下垫圈不需要取消内倒角，也就没必要分A、B两种垫圈，也不存在三耳垫圈了！转了一圈又回到了原点。
四、三耳垫圈的意义及对GB/T 1231的修改建议
上文提到为了解决垫圈伤螺纹的问题，只要改进工具，就可以不用三耳垫圈方案。那么三耳垫圈有没有优点呢，答案是有！
前期我们在做DTI（载荷指示垫圈）试验时，发现欧美标准在检测DTI垫圈间隙时用到两种塞尺，需要区分DTI垫圈是否垫在转动部件下面，如果使用三耳垫圈代替普通垫圈放在DTI垫圈上，并使用专门的套筒，可确保三耳垫圈不转动，那么DTI垫圈的检测塞尺只需要一种！同时可以将反力克服在垫圈上，如果GB/T 1231采用这种垫圈，有如下三个优点：一是垫圈不跟转；二是正、反力同轴不偏载，螺栓不偏移；三是节点螺栓布置可以不考虑螺栓之间互为反力，有些接头可以采用单个螺栓，或者螺栓间距可以比较大。
但这种垫圈耳朵形状是矩形（图9），和起草中的GB/T1231略有不同。

这种垫圈配合专门的反力机构，也能起到自反力的作用，见图10，垫圈和扳手的反力臂管配合，可以取消反力臂，并保证反力同轴，还能解决垫圈伤螺纹的问题。当然三耳垫圈也有一个缺点，必须预拧紧，就是欧盟规范里面的“snug-tight”。试验时，我们一般使用工地常用的烟斗扳手预拧紧。其实这个也不算缺点，过去在工地现场培训时，为了防跟转，通常也要求工人用手动扳手预紧一遍螺栓，只不过国内所有施工规范都没有像欧标那样明确规定。

基于以上几点，对起草中的GB/T1231,建议三耳垫圈可以考虑改半圆形为矩形。
对GB/T1231另外一个修改建议，是适当提高螺母尺寸精度。目前带扭矩传感器采用伺服电机的工具已经开始在钢结构行业应用，扭矩的控制精度和稳定性相对电流型工具，提高了一大步。但是要进一步提高扭矩的控制精度，就需要提高螺母尺寸精度，最重要的螺母孔与螺母六角的同轴度，螺母孔与螺母支撑面的垂直度两项，其次是适当缩小六角的对边的公差。我们已经通过试验验证，在保持其他条件不变的情况下，仅仅通过每次原地转动螺母的60°，工具的控制精度就会发现周期性的波动，经过标识后，会发现在螺母某个边控制精度劣化，转6个60°回去，精度会依然劣化。
五、关于自反力螺栓
随着人口红利的消失以及智能化的发展，钢结构螺栓使用机器人施拧是大势所趋。从目前其他行业的应用看，现有螺栓连接副由于容易跟转、需要卡游，导致需要两个机器人协同作业，受空间和成本限制，这种螺栓肯定不适用自动化发展，并且落座点法、斜率法等更好的施拧工艺，也需要螺栓不能跟转，因此自反力螺栓将是未来钢结构高栓的发展方向！
目前钢结构行业比较成熟的是美标ASTMF3148-17a，在北美已经有不少案例，外形和扭剪螺栓很像，只不过颈部没有刻槽。螺栓成品见图11：

其他行业目前已经广泛使用各种自反力螺栓，还有把自反力部位加工成外四方、外六方，甚至是内四角、内六角。
图12是汽车行业的减震器螺栓，反力部分是将螺栓头部圆形加工了两个边。

这种形式的螺栓也应用于汽车的其他部位（图13），此外还有其他类型的头型（图14）。

六、总结
在钢结构中，高强螺栓后期会因为节点密封失效、雨水侵蚀，极易在受伤处发生应力腐蚀断裂，现有服役桥梁收集到的断栓也支持这一结论。目前铁科院有团队在解决长效密封的材料问题，桥科院有团队在解决螺纹损伤防腐涂层自修复问题。本文主要探讨的是如何通过施工工具的改进，来防止垫圈对螺纹的损伤。
在2023年某正在施工的桥梁，因各种原因需要拆除更换终拧后的高栓3100套，我们发现拆下的高栓中，在垫圈位置的螺纹损伤超过2000套！因此避免垫圈损伤螺纹有重要工程价值与现实意义！

本文作者：分会“连接技术”专家组组长、山东中兴电动工具有限公司副总经理  何曙光先生
自动化专业,从事高强螺栓施拧专业三十年。长期从事桥梁钢结构、锅炉钢结构、建筑钢结构施工现场从事施拧机具、扭矩校准、高栓检测方面的工作。先后参与芜湖长江大桥等三十余座跨江、跨海大桥建设,主持研发成功了适合国内钢结构高强螺栓施拧的三代、四代工具,参与国家“八五”重点攻关项目并研发成功国内第一台拧紧机,打破了欧美发达国家对汽车行业螺栓装配机器人的垄断。