扭剪螺栓检测中扭矩系数与紧固轴力的测试方法

发布时间：2026-09-07 10:38:36

最近更新：2026-09-07 10:38:36

发布来源：微析技术研究院

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扭剪螺栓是钢结构连接的核心部件，其连接可靠性直接取决于扭矩系数与紧固轴力的准确性。在扭剪螺栓检测中，这两个指标是评价预紧力是否达标的关键——扭矩系数反映摩擦力对扭矩的消耗，紧固轴力则是螺栓对被连接件的实际夹紧力。若测试方法不规范，可能导致预紧力不足或过紧，引发连接松动或螺栓断裂。因此，掌握科学的扭矩系数与紧固轴力测试方法，是保证钢结构工程安全的重要环节。

扭矩系数与紧固轴力的基本概念

扭矩系数（k）是扭剪螺栓连接副的核心特性参数，计算公式为k=T/(P×d)（T为拧紧扭矩，单位N·m；P为紧固轴力，单位N；d为螺栓公称直径，单位m）。它本质是螺纹副、螺母支承面与被连接件间摩擦力的总和——摩擦力越大，扭矩系数越高，相同扭矩下产生的紧固轴力越小。例如，10.9级M20螺栓若扭矩系数为0.1，施加300N·m扭矩时，紧固轴力约为150kN（P=T/(k×d)=300/(0.1×0.02)=150000N）。

紧固轴力是螺栓拧紧后产生的轴向拉力，直接决定连接的预紧力。根据GB 50017-2017《钢结构设计标准》，扭剪螺栓的预紧力需达到材料屈服强度的60%-70%——如10.9级M16螺栓的预紧力约为100kN，M24则需225kN。若紧固轴力不足，连接易受振动松动；若过大，螺栓可能发生塑性变形甚至断裂。

两者的关系是“扭矩决定轴力，系数反映效率”：扭矩是输入的拧紧力，扭矩系数是“转换效率”，最终输出的紧固轴力需满足设计要求。因此，测试的核心是准确测量这两个参数，确保“输入-转换-输出”的一致性。

测试前的准备工作

试样选取需遵循GB/T 3632-2008《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副》：每个批次随机抽取不少于8套螺栓副（含螺栓、螺母、垫圈），表面不得有锈蚀、油污或损伤——这些缺陷会改变摩擦力，导致扭矩系数偏差。若试样有轻微锈蚀，需用细砂纸打磨至金属光泽，但不得破坏表面处理层（如镀锌层）。

设备准备包括：扭矩扳手（或扭矩试验机，精度±1%）——用于施加和测量扭矩；轴力传感器（精度±0.5%）——直接测量轴力；应变仪（可选，用于间接测量）；夹持装置——固定螺栓副，确保拧紧时轴线不偏移。所有设备需在检定有效期内，测试前需检查扭矩扳手零点（空转显示0），轴力传感器需预加载10%额定力，确认信号稳定。

环境控制：测试需在20±5℃、相对湿度≤75%的环境中进行——温度变化会影响螺栓材料的弹性模量（如温度升高10℃，弹性模量下降约1%），湿度大会导致螺栓表面生锈。若在现场测试，需用遮挡棚避免阳光直射或雨水侵蚀。

扭矩系数的规范测试步骤

第一步是预紧：将螺栓穿入模拟试件（厚度与实际工程一致的钢板），套上垫圈和螺母，用扭矩扳手缓慢预紧，预紧力控制在最终预紧力的5%-10%。预紧的目的是消除螺纹间隙和垫圈的弹性变形，避免后续加载时数据突变——若跳过预紧，第一次加载的扭矩系数可能比实际值高20%以上。

第二步是正式加载：保持拧紧速度在10-30N·m/s（或按设备说明书），匀速施加扭矩，直到扭矩和轴力稳定（3秒内变化≤1%）。例如，测试M20螺栓时，从预紧的15kN开始，每秒增加20N·m扭矩，直到轴力达到150kN，记录此时的扭矩值（约300N·m）。

第三步是重复与统计：每个试样需重复3次加载，取平均值作为该试样的扭矩系数；同批次8套试样测试完成后，计算总平均值和标准差——标准差需≤平均值的10%，否则需重新测试。例如，8套试样的扭矩系数分别为0.098、0.102、0.100、0.099、0.101、0.097、0.103、0.100，平均值为0.100，标准差为0.002，符合要求。

紧固轴力的两种常用测试方法

直接法是最准确的测试方式，核心是轴力传感器。操作时，将传感器安装在螺栓头部与试件之间（或螺母与试件之间），确保传感器与螺栓轴线同轴——若偏心1mm，测量值可能偏大5%。拧紧螺栓时，传感器将轴向力转换为电信号，显示器实时显示轴力值。这种方法适用于实验室测试，优点是直观，缺点是传感器需与螺栓规格匹配（如M16螺栓需用M16传感器），成本较高。

间接法主要用应变片测量，适用于现场测试。步骤：在螺栓杆中部沿轴向粘贴2片应变片（对称布置，消除弯曲影响），用导线连接到应变仪；拧紧螺栓时，螺栓杆受拉产生应变，应变仪显示应变值ε，根据胡克定律P=ε×E×A（E为螺栓材料弹性模量，约206GPa；A为螺栓杆横截面积）计算轴力。例如，M20螺栓杆面积约245mm²，应变ε=700με（微应变），则轴力P=700×10^-6×206×10^3×245≈35kN？不对，等一下，单位转换：E=206GPa=206×10^9Pa，A=245mm²=245×10^-6m²，ε=700×10^-6，则P=ε×E×A=700e-6×206e9×245e-6=700×206×245×10^-3=700×49470×10^-3=34629N≈34.6kN，对，这样计算才准确。

间接法的注意事项：应变片需贴在螺栓杆的光滑部位，避免螺纹或倒角影响；粘贴后需用绝缘胶带覆盖，防止拧紧时螺母擦伤；测试前需用标准砝码校准应变仪的灵敏度（如挂100kg砝码，应变应显示约500με）。

测试过程中的影响因素控制

润滑状况是影响扭矩系数的关键。若螺栓表面有过多防锈油，摩擦力降低，扭矩系数偏小；若表面有灰尘或铁锈，摩擦力增加，扭矩系数偏大。因此，测试前需保持润滑一致性：若螺栓副自带润滑（如涂覆二硫化钼），不得额外擦拭；若需人工润滑，需用统一品牌的润滑脂，均匀涂抹在螺纹和螺母支承面，涂抹量以覆盖表面为宜（约0.1g/cm²）。

拧紧速度过快会导致摩擦热增加，润滑剂失效。例如，拧紧速度超过50N·m/s时，螺纹副温度可升高10℃以上，扭矩系数可能下降5%-10%。因此，需用扭矩试验机的“匀速模式”或手动控制速度，确保每秒扭矩增量稳定。

试件厚度也会影响结果。若模拟试件的厚度比实际工程薄，螺栓的受拉长度缩短，相同扭矩下轴力会偏大。因此，试件厚度需与工程中被连接件的总厚度一致（如钢梁与钢柱连接的总厚度为40mm，试件厚度也需40mm）。

测试设备的校准要求

扭矩扳手的校准：需用扭矩校准仪，校准点选择常用范围的20%、50%、80%（如扭矩范围0-500N·m的扳手，校准点为100、250、400N·m），每个点测试3次，误差≤±1%。校准周期：日常使用的扳手每6个月校准1次，频繁使用（每天超过4小时）的每3个月校准1次。

轴力传感器的校准：需送计量机构，用标准力源（如万能试验机）进行“拉向校准”，校准点覆盖0-100%额定力（如100kN传感器，校准点为20、50、80、100kN），误差≤±0.5%。校准周期为1年，若传感器受碰撞或过载，需立即重新校准。

应变仪的校准：用标准应变模拟仪（如产生1000με的模拟信号）检查，若应变仪显示值与模拟值偏差超过±2%，需调整灵敏度系数。例如，模拟仪输出1000με，应变仪显示980με，需将灵敏度系数从2.0调整为2.04（2.0×1000/980≈2.04）。

数据处理的关键要点

单位统一是数据处理的核心。扭矩系数公式中的单位需一致：T用N·m，P用N，d用m。例如，M20螺栓（d=0.02m），扭矩T=300N·m，轴力P=150000N（150kN），则k=300/(150000×0.02)=0.1，正确。若误将d用mm（20mm），则k=300/(150×20)=0.1，结果虽对，但逻辑错误——因为公式中的d是“力臂”，需用米作为单位。

异常值处理：若某试样的扭矩系数与平均值偏差超过10%，需先检查原因：试样是否有锈蚀？拧紧时是否偏心？设备是否正常？例如，某试样的扭矩系数为0.12，而平均值为0.10，偏差20%，检查发现试样表面有油污，清洁后重新测试，结果为0.105，符合要求。若原因不明，可剔除该异常值，但剔除数量不得超过总试样的10%（8套试样最多剔除1套）。

结果报告需包含：试样批次、规格、材料等级、测试设备、环境条件、每个试样的扭矩值、轴力值、扭矩系数、平均值、标准差。报告需由检测人员签字，并加盖检测机构公章——这是工程验收的重要依据。

常见测试问题及解决策略

问题1：数据离散性大（标准差超过10%）。原因：试样清洁度不一致、拧紧速度波动、设备未校准。解决：用无水乙醇清洁所有试样，去除油污和灰尘；用计时器控制拧紧速度（每秒增加20N·m）；重新校准扭矩扳手和轴力传感器。

问题2：轴力测量值偏低。原因：轴力传感器安装偏心、应变片粘贴位置错误、螺栓杆有裂纹。解决：检查传感器安装——用直角尺测量传感器与螺栓轴线的垂直度，偏差≤0.5°；应变片需贴在螺栓杆中部（远离螺纹的1/3长度处）；用超声波探伤仪检查螺栓杆是否有裂纹。

问题3：扭矩系数持续升高。原因：拧紧过程中摩擦热增加、润滑剂失效。解决：降低拧紧速度（从30N·m/s降至15N·m/s）；每测试3套试样，暂停5分钟，让设备和试样降温；若润滑剂失效，需更换新的螺栓副重新测试。