1 引言
高强度螺栓通常用于钢结构中构件的连接、固定、定位等，利用高强度螺栓的紧固轴力将两个被连接件紧密夹紧。工程上高强度螺栓大部分处于摩擦型连接状态，通过对高强度螺栓施加紧固轴力（也称预拉力或预载荷），将被连接的钢板压紧，并产生摩擦效应。当连接节点受外力作用时，外力靠连接板层接触面间的摩擦来传递，应力流通过接触面平滑传递，无应力集中现象。所以，摩擦型高强度螺栓连接要求对构件表面进行粗糙处理，而且对螺栓紧固轴力有要求。螺栓的紧固轴力、摩擦面的抗滑移系数直接决定摩擦型高强度螺栓连接的承载力大小。
钢结构连接用高强度螺栓的紧固方法有两种：扭矩法和转角法[1]。扭矩法是通过控制施工扭矩值来对高强度螺栓连接副进行紧固，而转角法则是通过控制螺栓与螺母的相对转角值来紧固高强度螺栓连接副。对两种类型的高强度螺栓的施工，大六角头高强度螺栓连接副可以使用扭矩法或转角法，扭剪型高强度螺栓连接副实质上使用的也是扭矩法，紧固轴力的获取不是用扭矩扳手，而是由工厂在制造中转换成切口直径控制。
钢结构中应用的高强度螺栓数量庞大，施工方法的可靠和方便具有重要价值。由于转角法的使用相对麻烦，于是国外研究使用“直接拉力指示器”来控制高强度螺栓的紧固轴力，并已逐步应用于建筑钢结构、桥梁、电站、风电设备、石化设备和体育会展场馆等方面。在我国，上海金茂大厦、香港中国银行大厦也应用了“直接拉力指示器”（金茂大厦：规格1 1/2"，8 万套；中国银行大厦：规格1 1/8"，20 万套）[2]。
2 直接拉力指示器及测量方法
2.1 直接拉力指示器
直接拉力指示器（Direct-Tension-Indicator，简称DTI）是一种特殊的垫圈，在垫圈的一个平面上有一系列与孔同心的凸出物，如图1 所示。国外已有相关的DTI 标准[3-5]。
在高强度螺栓连接副中应用DTI 控制紧固轴力的原理示意如图2。拧紧螺母，预拉力通过配套的平垫圈压缩DTI 上的凸出物，逐渐增大的预拉力不断压缩凸出物，DTI 平面与平垫圈之间的间隙也越来越小。利用应力与应变的相应关系，可根据间隙值来判断紧固轴力是否达到设计要求。
与DTI 配套使用的平垫圈是一个高强度螺栓连接副垫圈，除原有作用外，又新增两个作用：① 确保DTI 的所有凸出物都能被完整地压缩到；② 它的硬度高于DTI，以确保间隙的减小是由于凸出物被压缩，而不是与凸出物接触处的平垫圈被压出凹坑。利用应力～应变关系，以凸出物被压缩的程度来指示高强度螺栓的紧固轴力，这是DTI 的工作原理；而如何知道间隙的大小，这是DTI 的施工方法。常用的DTI 施工方法有两种：间隙测量法和彩胶目测法。
2.2 间隙测量法
间隙测量法采用塞尺来测量间隙的大小。DTI 的圆周上有缺口（见图1 和图3），用于指示塞尺插入的位置。
试验证明，由于制造偏差（形式、尺寸、硬度等），即使规格相同，不同批次DTI 的间隙与螺栓预拉力的关系也不尽相同。所以，每批DTI 使用前，必须预先验证该批DTI 压缩后的间隙与螺栓预拉力之间的关系。施工时，根据测量到的间隙大小，对照预先得到的“螺栓预拉力～间隙距离”的试验数据，就可以知道螺栓连接副的预拉力。显然，在用塞尺测量间隙时必须停止加载。如果间隙大，那么继续加载；如果间隙已小于规定值，那么还要用不同厚度的塞尺测出具体的间隙大小，以判断是否超拧，这种断断续续的施工过程难以被接受，降低了其实用性。这是“间隙测量法”迄今没有在高强度螺栓上大规模推广应用的主要原因。
2.2 彩胶目测法
针对间隙测量法的缺陷，国外某公司对DTI 作了改进，其主要点是：①在DTI 凸出物的背侧、与凸出物对应的位置上设置凹穴；②在凹穴旁压制放射状的凹槽，使凹穴与DTI 的边缘相通；③在凹穴内填充彩色胶状物（见图4a）。当拧紧螺母压缩凸出物时，把凹穴内的彩色胶状物通过放射状的凹槽从DTI 的边缘挤出，当挤出量达到一定规模（见图4b），表示螺栓的预拉力已经符合要求。
这种方法同样预先要在实验室内试验彩胶挤出量与螺栓预拉力的关系，而且施工人员必须参与试验，以便让他们记住达到螺栓设计预拉力时彩胶的挤出量。这种方法虽然免去了中途测量间隙的麻烦，但它仅凭施工人员目测，显得不很靠谱。施工质量完全依靠施工人员的记忆力、观察力、判断力、责任心。另外，它同样受制于制造误差，以及有色胶状物的填充量。此外，放射状的凹槽还是潜在的裂纹源。美国一实验室的试验数据说明，有色胶状物的挤出量与螺栓预拉力间存在比较大的误差。实际上，彩胶目测法在美国是一种存在争议的方法，还没有得到ASTM 的正式认可，不过此法已取得美国等国的专利。
3 自动控制垫圈
为满足我国高强度螺栓连接副向大规格、高防腐能力发展的需要，我们对国外的DTI 及其施工方法进行了分析研究，经过多次试验改进，试制成功了具有自主知识产权的“自动控制垫圈”（Automatic Control Washer，简称ACW），专利号ZL201320888851.5。试验数据表明，它可以使高强度螺栓的安装基本达到正确、可靠、简单、方便，可以说是DTI 的升级版。
3.1 控制原理
ACW 的形式、尺寸和控制螺栓预拉力的原理与DTI 基本相同，但是ACW 的控制方法与DTI的原有方法有本质上的差别：不管是采用“间隙测量法”还是“彩胶目测法”，DTI 都是依靠人工控制；而ACW 采用了全新的“以力控制力”的控制原理，可以自动控制高强度螺栓的预拉力。以下结合图5 对它的控制原理加以简单说明。
图5 中假设一个ACW 只有三个凸出物，形式、尺寸、机械性能均符合标准要求。凸出物原始高度是h1，先用预压力F 把点B（称“基准点”）的高度压缩到h2，那么，再把点A 和点C（称“控制点”）同时压缩到点B 同样的高度h2，所需要的力一定是2 F。这就是自动控制垫圈“以力控制力”的基本原理。
每个产品之间可能存在制造误差，如硬度、凸出物尺寸有差异，这只是使h1 和h2 产生一些微小变化，但前后两个力必定会保持一定的比例关系。
3.2 超薄传感器
那么，如何知道“控制点”（点A 和点C）被压缩至与“基准点”（点B）同样的高度了呢？我们在一个“基准点”平面上黏贴一条检测条（超薄传感器），为了使黏贴的检测条的触点不高出基准点的压制平面，在黏贴检测条的“基准点”平面上同时压有一条与检测条尺寸相称的浅浅的凹槽，检测条就黏贴在这凹槽中（图6）。当“控制点”被压缩到“基准点”同样高度时，检测条捕捉到这个信号，并输出到拧紧螺母的施工机具的控制电路，施工机具停止工作。
3.3 紧固过程
ACW 的紧固示意图见图7。旋紧螺母，ACW 的控制点被压缩，直至平垫圈与检测条（超薄传感器）接触；传感器捕捉到信号，通过导线输出到施工机具的控制电路，切断施工机具的电源，使其停止工作。
使用ACW，只要求施工机具（不管是液压扳手还是电动扳手）的输出扭矩足够大，对输出扭矩的精度没有任何要求。以前，电动扳手的输出扭矩不够大，需要使用倍力器，而倍力器的精度又不高，所以大规格螺栓很少使用电动扳手安装。用了ACW，扳手只要“保证不欠拧”而不需要考虑“超拧”（因为它不会超拧）。
实际上，可以把ACW 看作是一种简单的、定量的压力传感器，一旦它制作完成，那么使用它的螺栓的预拉力就已经确定。施工时，操作人员只要按照一般规程把高强度螺栓连接副和ACW 一起安装在结构上，启动施工机具，达到规定的预拉力，施工机具便自动停止。可以说，ACW 使制造商参与了高强度螺栓的安装程序，与施工方共同来控制高强度螺栓的紧固轴力，共同来保证施工质量。
3.4 组合结构
施工完成后，DTI 与平垫圈之间必然会留有间隙(在凸出物之间)，间隙虽然微小，但在户外应用时，雨水等还会从缝隙渗入内部，所以国外规范要求，必须在DTI 周围涂丁腈橡胶涂料，密封间隙。为了省略这一步骤，同时使安装更为方便，我们还试验了ACW 与平垫圈的组合结构（图8），把高强度螺栓连接副中的平垫圈与ACW 组合在一起，两者之间增加了非金属密封垫，以替代涂刷丁腈橡胶涂料。
4 试验数据
4.1 紧固轴力及标准偏差
以M30 高强度螺栓连接副和ACW 组成试样测试紧固轴力，得到的几组试验数据见表1。
对高强度螺栓连接副的紧固轴力，我国国家标准GB3632-2008[6]有规定：对规格为M30 的，紧固轴力平均值的公称值、最小值、最大值分别为391 kN、355 kN、430 kN，紧固轴力的标准偏差≤35.5kN。由表1 可知，紧固轴力的平均值处于391～426 kN 范围内，紧固轴力的标准偏差处于13.7～18.6kN之间，符合国家标准的要求。
对高强度螺栓连接副紧固轴力的变异系数，老版的行业标准JGJ82-91[7]有规定：对规格为M16～M24 的，紧固轴力的变异系数不大于10%。由表1 可知，变异系数在3～5%之间，≤10%。
4.2 紧固轴力随时间的变化
高强度螺栓连接副的紧固轴力在紧固后一定时间范围内会有微弱的下降，通称紧固轴力损失。宝钢无缝钢管厂对高强度螺栓预拉力的松弛进行了实测[8]，结果示于图9，图中的紧固轴力是10 个螺栓的平均值。从图9 可看出，在起始的30 天内紧固轴力的下降较快，其后变得缓慢，最终趋于稳定。紧固轴力的初始值为287.7kN，1 天后下降到284.8 kN（下降1.0%），32 天后下降到279.7kN（下降2.8%），49 天后下降到278.7 kN（下降3.1%），354 天后下降到276.5kN（下降3.8%）。在79 天后（下降到278.0 kN，下降3.4%）紧固轴力的下降已很缓慢，最后趋于稳定。
使用ACW 的M30 高强度螺栓连接副，其紧固轴力的损失如图10 所示。紧固轴力的初始值为412.5kN（2015 年4 月19 日13:40 测试）；当天15 点和17 点，紧固轴力分别下降为411.5kN 和410.7kN。从2015 年4 月20 日开始，都是上午8 点读取紧固轴力值（4 月30 日、5 月1 日、23 日、24 日、6月6 日、7 日休息无记录）。2015 年4 月20 日的紧固轴力为408.1kN，图中最后一点是2015 年6月9 日的紧固轴力值402.6 kN。目前试验还在继续进行中。
由图10 可知，使用ACW 的高强度螺栓连接副的紧固轴力在起始的10 天内下降较快，其后变得缓慢，并有趋于稳定的趋势。紧固轴力在起始的18 小时内下降了1.1%，在从4 月20 日起的25天内下降了0.99%，在从5 月15 日起的25 天内下降了0.33%，说明紧固轴力的下降越来越慢。在已经进行的51 天试验中，紧固轴力的损失总共为2.4%（图9 中，49 天后紧固轴力的损失为3.1%）。对比图10 与图9 的数据可看出，使用ACW 的高强度螺栓连接副的紧固轴力损失与常规高强度螺栓连接副的紧固轴力损失相当。
5 结语
研究的具有自主知识产权的自动控制垫圈ACW，采用“以力控制力”的控制原理和使用“超薄传感器”的施工方法，使高强度螺栓连接副的施工基本达到正确、可靠、简单、方便。试验结果表明，螺栓紧固轴力的平均值、标准偏差或变异系数均满足和优于标准要求，螺栓紧固轴力随时间的变化小。
目前，我们还在做进一步试验，比如增加检测条的数量，适当改变凸出物的形状，使得螺栓预拉力更准确，施工更方便。
总之，ACW 的应用不单是增加一种我国高强度螺栓连接副的新的施工方法，也能促进我国大规格高强度螺栓连接副和热浸锌高强度螺栓连接副的发展和应用。
致谢：上海申光高强度螺栓公司提供了试验条件，并协助进行试验，作者表示衷心感谢。
参考文献
[1] JGJ82-2011《钢结构高强度螺栓连接技术规程》．北京：中国建筑工业出版社，2011
[2] TurnaSure 公司网站，http://www.turnasure.com/bolting-technology-bolting-applications.shtml
[3] ASTM F959M – 13《Standard Specification for Compressible-Washer-Type Direct Tension Indicators for Use With Structural Fasteners (Metric)》
[4] ASTM F2437-14《Standard Specification for Carbon and Alloy Steel Compressible-Washer-Type Direct Tension Indicators for Use with Cap Screws, Bolts, Anchors and Studs》
[5] EN 14399-9-2009《System HR or HV-Direct tension indicators for bolt and nut assemblies》
[6] GB3632-2008《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副》．北京：中国标准出版社，2008
[7] JGJ82-91《钢结构高强度螺栓连接的设计施工及验收规程》．北京：中国建筑工业出版社，1991
[8] 曾元和．20MnTiB 扭剪型高强度螺栓预拉力的松弛—宝钢无缝钢管厂屋架连接实测．工业建筑， 1993 (4)：21-26