淺談改良型直接壓力指示墊圈在鋼結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用

范小龍 袁亞南

【摘 ?要】本文在對直接壓力指示墊圈及改良型直接壓力指示墊圈的發(fā)展過程、優(yōu)點(diǎn)對比及標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)等方面進(jìn)行簡介的基礎(chǔ)上，探討了改良型直接壓力指示墊圈在鋼結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用前景。經(jīng)過與傳統(tǒng)高強(qiáng)螺栓緊固方法的對比，充分展示了改良型直接壓力指示墊圈在大型鋼結(jié)構(gòu)工程施工中的優(yōu)勢，為今后大型鋼結(jié)構(gòu)工程施工提供良好的參考。

【關(guān)鍵詞】直接壓力指示墊圈;鋼結(jié)構(gòu);DTI

一、前言

現(xiàn)代建筑施工中鋼結(jié)構(gòu)變得越來越常用，大型及特大型建筑采用鋼結(jié)構(gòu)形式越來越普遍。而螺栓連接由于其靈活、快速、高效等特征成為鋼結(jié)構(gòu)工程施工中最常用的連接形式。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，螺栓預(yù)緊力才是夾緊鋼構(gòu)件的有效力量。施工中出于對便于測量的考慮，不對螺栓拉力進(jìn)行測量，而是通過試驗(yàn)或計(jì)算將規(guī)定拉力值轉(zhuǎn)換為螺栓的扭矩值，通過測量螺栓的扭矩值對螺栓緊固情況進(jìn)行控制。但使用扭矩值作為評價(jià)螺栓是否正確緊固的依據(jù)又受到諸多因素的影響而不能在實(shí)際執(zhí)行中達(dá)到高質(zhì)量的預(yù)期效果，例如：器械的精度、工人技術(shù)水平的差異以及污垢、鐵銹、濕氣、螺紋精度不佳或受損等環(huán)境因素的影響。使用直接壓力指示墊圈可以很好的避免外界因素對螺栓緊固情況的干擾，保證比較高的緊固精度。

二、直接壓力指示墊圈的產(chǎn)生及應(yīng)用

直接壓力指示墊圈，又名直接張力指示器，英文名為DTI，是Direct Tension Indicator的縮寫，直譯為直接拉力指示器。其基本原理是通過墊圈上的凸塊來抵抗和指示螺栓的壓緊力，通過觀測凸塊變化情況來控制緊固組件安裝過程中的預(yù)緊力。每一個(gè)DTI就像一個(gè)獨(dú)立的壓力指示器，使用時(shí)將DTI如同墊圈一樣置于螺栓或螺母支承面，擰緊直到DTI面上的凸塊被壓平（用厚度規(guī)探入深度為1/2半徑處）。該原理的提出早在1962年，后由TurnaSure公司進(jìn)行重新設(shè)計(jì)改良。改良型SquirterTM DTI，在凸塊處注入了帶有顏色的硅樹脂，擰緊到位時(shí)可直觀的看到硅樹脂濺出，通過肉眼即可判定緊固件的緊固情況。

DTI的應(yīng)用使得螺栓緊固的整體精度大幅提高，可以有效避免螺栓未緊固及過緊固的情況。近年DTI在許多工程項(xiàng)目中得以應(yīng)用，其中包含了很多著名的工程，如上海金茂大廈、迪拜國際機(jī)場、馬來西亞雙子塔、香港中國銀行大廈、紐約時(shí)代廣場等。

三、傳統(tǒng)緊固方法與使用改良DTI緊固對比

傳統(tǒng)螺栓緊固大體可以分為三種方法：扭矩法、轉(zhuǎn)角法和使用扭剪型高強(qiáng)螺栓。下面將上述三種方法的特點(diǎn)與改良型DTI方法進(jìn)行對比。

扭矩法：使用校準(zhǔn)過的扭矩扳手，按照規(guī)定扭矩值緊固。缺點(diǎn)：扭矩扳手需要定期進(jìn)行檢驗(yàn)及校準(zhǔn)，以保證使用時(shí)的精度。實(shí)際施工中螺栓組受污垢、鐵銹、濕氣、螺栓位置不佳及螺紋精度不佳或損壞等因素影響，會造成螺栓未必能夠正確緊固，達(dá)不到設(shè)計(jì)所需的螺栓預(yù)緊力。

轉(zhuǎn)角法：先使用短扳手等工具使螺栓組初緊到“密貼”（snug tight）狀態(tài)，然后依據(jù)試驗(yàn)所得角度值進(jìn)行緊固。缺點(diǎn)：需要工人熟練掌握該技術(shù)要點(diǎn)，而且不同工人對“密貼”狀態(tài)的定義會存在一定差異。螺栓最終緊固無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，需人工逐個(gè)核實(shí)，效率比較低。

使用扭剪型高強(qiáng)螺栓：使用扭剪型高強(qiáng)螺栓連接鋼結(jié)構(gòu)，需要使用專用工具緊固。正常緊固完成后，螺栓尾部梅花頭會被扭掉以顯示達(dá)到了規(guī)定的扭矩。缺點(diǎn)：需使用專用的緊固工具，部分無法正常扭掉的螺栓要手工去除，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。緊固情況會受污垢、鐵銹、濕氣、螺栓位置不佳及螺紋精度不佳或損壞等因素影響。斷掉的尾部暴露出鋼材母材，需要采取嚴(yán)格防腐蝕措施避免發(fā)生銹蝕。

改良型DTI：直接壓力指示墊圈一直都是國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會及建設(shè)單位允許的施工方法，只不過標(biāo)準(zhǔn)的DTI需要使用厚度規(guī)進(jìn)行檢測，導(dǎo)致未能在鋼結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域盛行。改良型DTI的出現(xiàn)使得螺栓緊固狀況通過帶顏色硅樹脂變得直觀、易辨識，完全不需借助其他工具檢驗(yàn)。比較扭矩法、轉(zhuǎn)角法和使用扭剪型高強(qiáng)螺栓的方法，使用改良型DTI有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.不需定期檢查并校驗(yàn)扭矩扳手的精度。

2.不需標(biāo)記螺母轉(zhuǎn)角的度數(shù)。

3.不需使用專用緊固工具。

4.不存在螺栓尾部掉落可能造成的高空墜物風(fēng)險(xiǎn)。

5.大幅降低螺栓尾部發(fā)生銹蝕的問題。

6.改良型DTI直接指示預(yù)緊力，超長或超短螺栓均可正常指示預(yù)緊力。

7.避免螺栓發(fā)生過緊固。

8.緊固質(zhì)量易于控制，施工人員經(jīng)過簡單訓(xùn)練即可上手。

9.緊固判別時(shí)間短，提高了螺栓緊固及驗(yàn)收效率。

10.易于驗(yàn)收，通過目視即可判別，減少驗(yàn)收人員高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

四、DTI及改良型DTI參考的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)

DTI使用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要有以下幾個(gè)：

1.ASTM_F959 Standard Specification for Compressible-Washer-Type Direct Tension Indicators for Use with Structural Fasteners 結(jié)構(gòu)緊固件用可壓縮墊圈型直接張力計(jì)的規(guī)格

2.ASTM_F959M Standard Specification for Compressible-Washer-Type Direct Tension Indicators for Use with Structural Fasteners [Metric] 結(jié)構(gòu)緊固件用可壓縮墊圈型直接張力計(jì)的規(guī)格（米制）

3.BS 7644-1 Direct tension indicators 直接張力指示器.第1部分

4.ASTM F2437 Standard Specification for Carbon and Alloy Steel Compressible-Washer-Type Direct Tension Indicators for Use with Cap Screws，Bolts，Anchors，and Studs ?與有頭螺釘、螺栓、地腳螺栓和柱頭螺栓一起使用的碳鋼與合金鋼可壓縮墊圈型直接張力指示器的規(guī)格

5.EN 14399-9 High strength structural bolting for preloading ?預(yù)加負(fù)荷用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)螺栓組件 第9部分

五、總結(jié)

直接壓力指示墊圈一直都是國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會及設(shè)計(jì)單位允許的施工方法，傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的直接壓力指示墊圈由于沒有帶顏色的硅樹脂指示，需使用厚度規(guī)進(jìn)行檢驗(yàn)及驗(yàn)收導(dǎo)致施工上的不便，因?yàn)槲茨苁⑿?。改良型直接壓力指示墊圈很好的解決了緊固狀態(tài)判定及檢驗(yàn)驗(yàn)收的問題，已經(jīng)成為方便施工、便于檢驗(yàn)的實(shí)用產(chǎn)品。由于其施工簡單、作業(yè)效率高、便于檢驗(yàn)等特點(diǎn)，在國外電力、石化等行業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)工程已經(jīng)有多年的應(yīng)用業(yè)績。隨著國內(nèi)物流及制造業(yè)的逐步趨于成熟，改良型DTI的價(jià)格已經(jīng)接近普通墊圈的價(jià)格，在國內(nèi)的應(yīng)用潛力逐步提高。

在全球一體化的大背景下，國內(nèi)企業(yè)更多的參與到國際事務(wù)中，國內(nèi)市場改良型DTI墊圈供應(yīng)鏈也已經(jīng)愈加完善和規(guī)范化。在設(shè)計(jì)方面，由于其直接采用預(yù)緊力指示方式，最符合設(shè)計(jì)人員的計(jì)算需求，為其提供了一種全新的選擇。改良型DTI墊圈由于其眾多的優(yōu)勢，為重要、大型的鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目提供了一個(gè)優(yōu)良的螺栓緊固方案。

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