张天雄 王元清 陈志华 卜宜都 何 伟 衡月昆
(1.天津大学建筑工程学院， 天津 300072；
2.清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室， 北京 100084；
3.北京工业大学土木工程系， 北京 100124；
4.中国科学院高能物理研究所， 北京 100049)
不锈钢材料因其具备良好的耐腐蚀性与耐久性，优良的力学性能与加工性能，较低的全寿命周期成本等优点，现已广泛应用于建筑结构领域[1-2]。目前，国内外关于不锈钢结构的研究仍不完善，主要集中在材料力学性能与构件稳定性能等方面，关于不锈钢结构连接方面的研究较少。高强度螺栓摩擦型连接是一种装配便捷、安全可靠的节点连接方式，常用于钢结构的连接，在某些严苛的腐蚀环境下，采用不锈钢高强度螺栓连接比焊接更加可靠。
然而，我国CECS 410—2015《不锈钢结构技术规程》[3]尚不推荐在不锈钢结构中使用高强度螺栓摩擦型连接，欧洲[4]、美国[5]与澳大利亚/新西兰[6]的不锈钢结构设计规范也均不包含高强度螺栓摩擦型连接的条文。同时，我国不锈钢螺栓产品标准[7]中尚未含有不锈钢高强度螺栓，而日本的不锈钢结构设计规范[8]则规定了10.9级F10 T不锈钢螺栓的强度等级与预紧力数值。由于没有统一的标准，国内外学者开展的不锈钢螺栓连接的有关研究中使用的螺栓均为企业自主研发的不锈钢螺栓或碳钢用高强度螺栓。其中，王元清等对使用A4-70、A4-80不锈钢螺栓及10.9级高强度镀锌螺栓连接的不锈钢板件进行了抗滑移系数试验，发现不锈钢表面的抗滑移系数较低[9-10]。Afzali等[11-12]和Tendo等[13]分别对奥氏体不锈钢螺栓(Bumax 88、Bumax 109)、双相型不锈钢螺栓(Bumax DX、Bumax LDX)及使用沉淀硬化型不锈钢17-4PH制成的高强度螺栓进行了预紧力松弛试验。除产品不完善外，不锈钢螺栓施拧时还易发生“螺纹咬死”现象，严重影响其施拧机制。为此，文献[14-17]探究了不锈钢螺纹咬死的机理，提出了润滑和降温等防螺纹咬死的措施。郑宝锋等[18-19]针对DG、TEI等多种不锈钢螺栓采用多种润滑机制开展了紧固性能试验，发现不锈钢螺栓预紧力的施加将会加剧螺纹咬死的现象，故合理的润滑必不可少。
综上，我国现有的不锈钢螺栓产品的机械性能无法满足钢结构用10.9级高强度螺栓的标准[20-21]，且咬死现象会导致其预紧力达不到设计值，不能满足结构安全使用的要求，这严重阻碍了高强度螺栓连接在不锈钢结构中的应用。不锈钢高强度螺栓的产品规格更是不够完善，缺乏统一标准，亟需开展相关研究。因此，本文针对研发的两种10.9级不锈钢高强度螺栓，进行了机械性能试验，获得其抗拉强度、硬度等机械性能参数，确定了预紧力设计值，并开展了两种润滑措施下的紧固性能试验，探究螺栓的施拧工艺，保证预紧力在螺栓上的有效施加，给出了施工预紧力、扭矩系数及施工扭矩的建议值。
本文选择高强度的沉淀硬化型不锈钢作为螺栓的加工材料，对不锈钢高强度螺栓进行研发。根据GB/T 20878—2007《不锈钢和耐热钢 牌号及化学成分》[22]，选取的沉淀硬化型不锈钢牌号为05Cr17Ni4Cu4Nb，统一数字代号为S51740，化学成分如表1所示。
表1 不锈钢S51740的化学成分Table 1 Chemical composition of stainless steel S51740 %
本文试验所使用的螺栓试件主要包括两种：1)由国产沉淀硬化型不锈钢S51740制成的新型10.9级不锈钢高强度螺栓；
2)经QPQ处理后的10.9级不锈钢高强度螺栓，所有螺栓的规格均为M20×80，如图1所示，二者的加工过程均进行了热处理，以提高其强度与硬度。其中，QPQ处理是QPQ盐浴复合处理技术(又称氮碳氧复合处理技术)的简称[23]，它可以显著提高金属零件表面的耐磨性、耐疲劳性和耐腐蚀性，并有效降低摩擦系数[24-25]。此外，对第1种螺栓同时使用了两个厂家的产品进行试验。
新型10.9级不锈钢高强度螺栓的尺寸参照GB/T 1228—2006《钢结构用高强度大六角头螺栓》[26]进行加工，其配套的螺母和垫片的尺寸分别参照GB/T 1229—2006《钢结构用高强度大六角螺母》[27]和GB/T 1230—2006《钢结构用高强度垫圏》[28]进行加工。该类型螺栓为大六角头螺栓，与被紧固件有较大的接触面，能够更好地防止应变松弛，具有较好的紧固效果。
2.1 机械性能试验
2.1.1拉伸试验
根据GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》[20]，为得到不锈钢高强度螺栓的抗拉强度，进而确定螺栓的预紧力设计值，现对图1所示的螺栓进行实物拉伸试验。拉伸试验共设计24个试件，分为3种类型，分别命名为T-PH1、T-PH2和T-PHQ，其中，T-PH1-1～T-PH1-8为厂家1生产的不锈钢高强度螺栓，T-PH2-1～T-PH2-8为厂家2生产的不锈钢高强度螺栓，T-PHQ-1～T-PHQ-8为厂家1生产的QPQ处理后的不锈钢高强度螺栓。
拉伸试验在如图2所示的液压式万能试验机上进行，试验机的最大拉力为1 000 kN。试验采用位移加载，位移速率控制在1.0 mm/min。本文还设计了一套特殊的辅助夹具用以固定螺栓，如图3所示，试验时先将螺栓拧紧在夹具上，然后对夹具进行加载，拉伸荷载即可通过夹具传递至螺栓。加载过程中螺栓的变形反映了其刚度随荷载的变化，是试验中的关键信息。为获得完整的荷载-位移曲线，试验同时采用位移计与新型量测手段——摄影测量[29-30]，共同对螺栓的位移进行捕捉，标记点涂画在辅助夹具的正面。
2.1.2硬度试验
根据GB/T 230.1—2018《金属材料 洛氏硬度试验 第一部分：试验方法》[31]对不锈钢高强度螺栓进行硬度试验，分别测量螺杆横截面的芯部硬度、螺母及垫片的表面硬度。硬度试验共测量9个试件，分为3种类型，分别命名为H-PH1、H-PH2和H-PHQ，其中，H-PH1-1～H-PH1-3为厂家1生产的不锈钢高强度螺栓，H-PH2-1～H-PH2-3为厂家2生产的不锈钢高强度螺栓，H-PHQ-1～H-PHQ-3为厂家1生产的QPQ处理后的不锈钢高强度螺栓。
硬度试验在TH-320型数显洛氏硬度计上进行，采用HRC标尺自动加载后直接读数。每个试件取5个测点进行测量，去除5个测点读数的最大值和最小值后，取其余3个测点的平均值作为该试件的硬度。
2.2 紧固性能试验
不锈钢高强度螺栓的紧固性能试验基于GB/T 1231—2006《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件》[21]和GB 50205—2020《钢结构工程施工质量验收规范》[32]的有关规定，在一台轴力扭矩试验机上进行，如图4所示。该试验机型号为QBN2000-L，最大扭矩为2 000 N·m，最大轴力为500 kN，特殊情况可超量程50%使用。试验机可根据试验需要，设定轴力或扭矩进行加载，当达到预设轴力或扭矩时自动停止加载。试验时螺栓装入一个配套的工装，螺栓头被卡具卡紧不发生转动，扭矩通过套筒施加在螺母上。在螺栓的拧紧过程中，试验机可自动同步记录螺栓的轴力、扭矩和转角。本试验按照预设轴力进行控制，施拧时转速均匀，为1.0 rad/s。
我国CECS 410—2015[3]规定，不锈钢构件采用高强度螺栓摩擦型连接时，高强度螺栓预紧力P应根据高强度螺栓性能等级按GB 50017—2017《钢结构设计标准》[33]确定。即高强度螺栓预紧力P以螺栓的抗拉强度为准，再考虑必要的系数，采用螺栓的有效截面经计算确定，如式(1)所示：
(1)
式中：fu为螺栓抗拉强度；
Ae为螺纹处有效应力面积。本试验中螺栓的设计预紧力采用式(1)进行计算，考虑到实际应用中螺栓的应力松弛会导致预紧力的损失，故高强度螺栓的施工预紧力Pc应在设计预紧力P的基础上乘以一个超张拉系数1.1[34]，因此试验中的预紧力均采用施工预紧力Pc。
紧固性能试验分为两部分进行，在第一部分试验中，全部不锈钢高强度螺栓均不采取任何减摩润滑措施，直接对厂家1生产的两种不锈钢高强度螺栓的扭矩系数进行测量，并与一组10.9级普通钢高强度螺栓的扭矩系数结果进行比较，此3种类型的试件标记如表2所示，每组设计8个试件，共计24个螺栓试件。在第二部分试验中，分别使用Molykote D-321R和Molykote 1000 Paste两种润滑剂对不锈钢高强度螺栓进行减摩润滑，根据螺栓与润滑剂之间的不同组合，共得到4种类型的试件，标记如表2所示，每组设计8个试件，共计32个螺栓试件。
3.1 机械性能试验结果
3.1.1拉伸试验结果
3类螺栓拉伸试件的荷载-位移曲线如图5所示。表3具体列出了每个试件的各项机械性能参数，其中，K为螺栓的刚度，fu为极限抗拉强度，Af为螺栓实物的断后伸长率。根据GB/T 3098.1—2010[20]，fu和Af的计算方法如下：
fu=Fu/Ae
(2a)
Af=ΔLP/(1.2d)
(2b)
式中：Fu为试验过程中测量的极限拉力;Ae为螺纹处有效应力面积，对于M20螺栓，Ae取245 mm2；
ΔLP为螺栓的塑性伸长，是通过断裂点画一条平行于荷载-位移曲线中弹性阶段的直线，该直线与位移坐标(横坐标)交点的横坐标值即为ΔLP。
从表3中可以发现：试验测得的每类试件的各项参数离散程度很小，证明了试验结果的可靠性。T-PH2类与T-PH1类试件相比，fu减少3.1%，K增加1.8%，Af减少8.1%，各项参数均比较接近，这表明不同厂家生产的不锈钢高强度螺栓的机械性能相差不大；
T-PHQ类与T-PH1类试件相比，fu减少2.6%，K增加0.9%，Af减少59.9%，这表明不锈钢高强度螺栓经QPQ处理后，强度参数变化不大，塑性参数大幅下降。
T-PH1、T-PH2、T-PHQ的fu分别达到1 311，1 271，1 277 MPa，均满足GB/T 3098.1—2010[20]中对于10.9级高强度螺栓抗拉强度的要求，这表明新型10.9级不锈钢高强度螺栓及其经QPQ处理后的螺栓均达到10.9级高强度螺栓的强度等级，偏安全起见，可将其抗拉强度fu规定为1 040 MPa，与10.9级高强度螺栓保持一致，并采用式(1)对其预紧力进行计算，得到不锈钢高强度螺栓的预紧力设计值与施工值，如表4所示。同时，T-PH1、T-PH2与T-PHQ的Af分别为27.8%、25.6%与11.2%，其中，T-PH1、T-PH2的Af均满足规范[20]中10.9级高强度螺栓实物断后伸长率应达到13%的要求，而T-PHQ的Af则略低于13%，这表明经QPQ处理后会大幅降低不锈钢高强度螺栓的塑性变形能力，在实际使用时应特别注意。此外，仍需说明的是，试验未将不锈钢高强度螺栓的屈服强度与规范[20]中10.9级高强度螺栓的限值进行对比，这是因为规范[20]并未规定10.9级高强度螺栓实物的屈服强度，仅给出了其机械加工试件的屈服强度限值，而通过观察不锈钢高强度螺栓的荷载-位移曲线发现，材料具有明显的非线性特征，应使用名义屈服强度f0.2表示其屈服强度。因此，后续应进一步对不锈钢高强度螺栓的机械加工试件进行试验研究，以获得其名义屈服强度f0.2。
表4 10.9级不锈钢高强度螺栓的预紧力设计值与施工值Table 4 Design values and construction values of the preload of class 10.9 stainless steel high-strength bolts
3.1.2硬度试验结果
硬度试验的测量结果如表5所示，可以看出：H-PH1、H-PH2与H-PHQ三类试件的螺杆、螺母和垫片的硬度比较接近，QPQ处理后的螺栓硬度相比未处理的螺栓略有提高，新型10.9级不锈钢高强度螺栓及其经QPQ处理后的螺栓的硬度均满足GB/T 1231—2006[21]中对于10.9级高强度螺栓硬度的要求。
表5 不锈钢高强度螺栓的硬度Table 5 Hardness of stainless steel high-strength bolts
3.2 紧固性能试验结果
3.2.1未进行减摩润滑的试验结果
首先对PH1、PHQ和10.9CS共计3组螺栓试件进行了紧固性能试验，各组试件均未采取任何减摩润滑措施，分别得到各组螺栓试件在达到施工预紧力Pc时的施工扭矩Tc、紧固转角θ及扭矩系数k。预紧力螺栓连接中，施加于螺母上的扭矩与螺栓预紧力之间的比例系数称为扭矩系数[34]，如式(3)所示：
(3)
式中：k为扭矩系数;Tc为螺栓预紧力达到施工预紧力时的施工扭矩;Pc为施工预紧力;d为螺杆的公称直径。
3组螺栓试件的紧固性能试验曲线如图6所示，表6～表8详细列出了3组试件的各项紧固性能参数。观察图表可以发现：10.9CS组试件的扭矩系数平均值为0.142，满足GB/T 1231—2006[21]规定的0.11～0.15的限值要求，且其扭矩系数仅在施拧初期偏大，然后随螺栓预紧力的增加保持平稳不变。且其紧固转角的变异系数较小，表明在达到施工预紧力时，紧固转角的偏差不大。
对于PH1与PHQ组试件，有两个试件在达到规定的预紧力前出现咬死现象，导致螺杆被试验机扭断，其余大部分试件均测得了扭矩系数等有效数据，但这两组试件的扭矩系数极大，平均值分别达到0.637与0.420，远远超出规范[21]的限值要求。同时，PH1的扭矩系数在达到施拧初期的峰值后，随螺栓预紧力的增加不断变大，在螺栓预紧力达到施工预紧力时达到最大值，而PHQ的扭矩系数虽然在达到施拧初期的峰值后逐渐下降，且随螺栓预紧力的增加基本保持平稳，但其数值仍处于较高的水平。此外，两组试件紧固转角的变异系数均较大，很难保证螺栓预紧力的一致性。
表6 PH1紧固性能试验结果Table 6 Tightening test results of PH1
表7 PHQ紧固性能试验结果Table 7 Tightening test results of PHQ
表8 10.9CS紧固性能试验结果Table 8 Tightening test results of 10.9CS
这表明，不锈钢高强度螺栓的咬死伴随紧固过程而发生，一旦咬死现象出现，将不断加剧，直到螺纹间彻底卡住。这大大提高了不锈钢螺栓的扭矩系数，导致不锈钢螺栓的预紧力难以施加，更使其难以被拆卸，最终只能被试验机强行扭断。而QPQ处理虽然可以缓解这种现象，但仍无法降低不锈钢螺栓的扭矩系数至可接受的范围内。因此，需探寻合理的措施避免不锈钢螺栓的咬死现象，并降低扭矩系数至合理范围。
3.2.2减摩润滑后的试验结果
对PH1-D、PHQ-D、PH2-D和PH2-P共计4组螺栓试件进行了紧固性能试验，其中，PH1-D、PHQ-D、PH2-D采用润滑剂Molykote D-321R，PH2-P采用润滑剂Molykote 1000 Paste。试验分别得到各组螺栓试件在达到施工预紧力Pc时的施工扭矩Tc、紧固转角θ及扭矩系数k，扭矩系数的计算式见式(3)。4组涂润滑剂后的螺栓试件的紧固性能试验曲线如图7所示，表9～表12详细列出了4组试件的各项紧固性能参数。观察图表可以发现：
表9 PH1喷Molykote D-321R紧固性能试验结果Table 9 Tightening test results of PH1 lubricated with Molykote D-321R
对于PH1-D与PHQ-D组试件，润滑剂D-321R的减摩润滑效果显著，使二者的扭矩系数平均值分别降低至0.136与0.123，较不涂润滑剂的工况有较大幅度改善。对于厂家2的PH2-D组试件，在经D-321R润滑后，其扭矩系数平均值也降低至0.134。同时，PH1-D、PHQ-D、PH2-D的扭矩系数在达到施拧初期的峰值后逐渐下降，然后随螺栓预紧力的增加保持平稳不变。这表明润滑剂D-321R对不锈钢高强度螺栓及其经QPQ处理后的螺栓均具有良好的减摩润滑效果，可使其扭矩系数降低至规范[21]规定的限值以内。
表10 PHQ喷Molykote D-321R紧固性能试验结果Table 10 Tightening test results of PHQ lubricated with Molykote D-321R
表11 PH2喷Molykote D-321R紧固性能试验结果Table 11 Tightening test results of PH2 lubricated with Molykote D-321R
表12 PH2喷Molykote 1000 Paste紧固性能试验结果Table 12 Tightening test results of PH2 lubricated with Molykote 1000 Paste
对于PH2-P组试件，在经1000 Paste润滑后，其扭矩系数平均值降低至0.207。同时，PH2-P的扭矩系数在达到施拧初期的峰值后逐渐下降，然后随螺栓预紧力的增加出现缓慢上涨趋势，但基本保持平稳。这表明润滑剂1000 Paste对不锈钢高强度螺栓的减摩润滑效果虽不及D-321R，但仍可解决不锈钢螺栓的螺纹咬死问题，使其扭矩系数降低至相对合理的范围之内。
试验还测量了使用润滑剂后螺栓达到施工预紧力时所需的紧固转角，以期对比转角法和扭矩法两种施加预紧力方法的优劣。试验结果显示，在达到相同的预紧力时，紧固转角的变异系数大于扭矩系数的变异系数，表明，紧固转角的偏差更大。为保证螺栓预紧力的一致性，推荐使用扭矩法。
3.2.3施工扭矩的确定
基于两种10.9级不锈钢高强度螺栓的施工预紧力(表4)和最佳润滑措施(表9～表12)，最终确定不锈钢高强度螺栓的施工扭矩如表13所示，其中，对厂家1与厂家2的不锈钢高强度螺栓润滑后的扭矩系数取平均值。
表13 不锈钢高强度螺栓的紧固性能参数建议值Table 13 Recommended tightening parameters of stainless steel high-strength bolts
本文通过开展不锈钢高强度螺栓的机械性能与紧固性能试验研究，主要得到以下结论：
1)新型10.9级不锈钢高强度螺栓及其经QPQ处理后的螺栓具有较高的强度，二者的抗拉强度均达到1 040 MPa以上，满足10.9级高强度螺栓机械性能的要求。
2)“螺纹咬死”是不锈钢螺栓拧紧过程中不可避免的问题，最有效的解决方法是使用润滑剂进行减摩润滑。润滑剂Molykote D-321R的减摩效果最好，可使扭矩系数降低到0.123～0.136，满足钢结构用高强度螺栓扭矩系数的限值要求。润滑剂Molykote 1000 Paste的减摩效果虽较差，但仍可使扭矩系数降低至合理范围。
3)对比扭矩法与转角法两种施加螺栓预紧力的方法后发现，扭矩法得到的螺栓预紧力一致性更高，建议使用扭矩法对不锈钢高强度螺栓进行施拧。
4)新型10.9级不锈钢高强度螺栓及其经QPQ处理后的螺栓的施工预紧力可取为170 kN，施工扭矩可分别取为460 N·m和420 N·m。
由于试验条件的限制，本文仅研究了M20不锈钢高强度螺栓的实物，后续还将对其机械加工试件的各项性能进行研究，并开展不同直径、不同牌号不锈钢螺栓的性能试验，为有关规范的完善提供数据支撑。
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