螺帽锁紧法介绍

垫圈型式 F436 TYPE 1 F436 TYPE 1 F436 TYPE 3 F436 TYPE 1 F436 TYPE 3 F436 TYPE 1 F436 TYPE 1 F436 TYPE 1
~1 ~1 ~1 ~1 ~1 ~15 81 Nhomakorabea2
A325
TYPE 1 （热浸镀锌） TYPE 3
1 1 1 1 1
圖三 校正扳手示意圖
扳手所施加的扭力并不是全部转换成螺栓拉力， 有一部份的扭力需用来克服螺帽或螺栓头 旋转时与垫圈之间的摩擦力， 以及螺帽与螺牙间的摩擦力。 在相同的扭力下， 垫圈、 螺栓头、 螺帽及螺牙的表面状况会影响所施加之预拉力， 因此螺帽锁紧施工时须注意旋转面的表面情 况， 当表面过于粗糙时摩擦力会过大而导致预拉力会不足， 当表面有油污时摩擦力会过小而 导致预拉力过大。 一般为让旋转面能有较稳定的情况， 旋转端钢板与螺帽间应设置一经过硬 化处理之垫圈。 此外，当螺牙有损伤时，会产生额外阻力而导致螺栓预拉力不足，因此施工时也要注意， 螺栓安装过程不要伤及螺牙。由于螺栓预拉力不易准确掌控，且安装过程时有敲击动作，故 使用过的螺栓很可能螺牙已受损，建议避免重复使用。 2.2.2 螺帽旋转法 螺帽旋转法为先将螺栓锁至密接(snug tight)状态，然后再施加一螺帽旋转量(如图四所 示)，螺帽旋转等同于对螺栓施加一轴向伸长量，来对螺栓施加预拉力。螺帽旋转量越大螺 栓的轴向变形也越大，螺栓的拉力也就越大。
2 2 2 2 4
1 1 1 1 1
2 2 2 2 2
A490
TYPE 1 , 2 TYPE 3 TYPE 1 , 2
A449 TYPE 1 , 2 （热浸镀锌）
1
~3
1
4
~3
注: 螺帽除 A563-B 外，其余皆为重六角形
表三
JIS 高强度螺栓组 螺帽型式 F10 或 F8 F10 垫圈型式 F35 F35
圖七 直接張力指示器
圖八 直接張力指示器法
三、结语 螺帽之锁紧程度不易准确控制的问题一直困扰工程界， 螺帽若锁紧程度不足， 则无法产生 预期之张力及摩阻力，容易产生滑动现象，或导致被接合之结构物变形较大；若所施加之预 张力超量， 则很可能导致螺杆及螺牙部位之应力超过弹性界限， 致螺栓之塑性变形能力降低 而易产生松弛现象。 因此选用适当的螺帽锁紧方法并配合妥善控制锁紧部位之阻力条件， 才 能使螺栓发挥正常之功能。 【参考数据】 〔1〕“钢结构建筑物钢结构技术设计规范(二)钢结构极限设计法及容许应力设计法规范及 解说”，内政部营建署。 〔2〕“钢结构设计讲义”国立台湾科技大学营建系，陈正诚教授。 〔3〕AI SC“Specification for StructuralJoints Using ASTM Bolts”。 A325 or A490
螺帽锁紧法介绍 陈正平 技师 一、前言 常用的机械式连结物分普通螺栓及高强度螺栓二种。 另一种机械式连结物称为铆栓， 铆栓 因强度及夹紧效率较差，施工时会产生打击噪音，且须由专业技术工人施作，目前已甚少使 用而不易购得，已被高强度螺栓取代。 二、螺帽锁紧方法 2.1 普通螺栓 普通螺栓之锁紧程度并无明确的规定， 锁紧时所施加之力一般只要达密接状态即可。 但因 锁紧时未施加预拉力，因此容易出现螺帽松脱之现象。防止松脱之方法可用弹簧垫圈；或采 用双螺帽由外螺帽将内螺帽迫紧以防二螺帽同步旋转而松脱。 采用双螺帽时， 内螺帽须为重 型六角螺帽，外螺帽可用一般六角螺帽或钢板冲压成型之简易螺帽。 2.2 高强度螺栓 螺栓的外观如图一所示，一般只需指定螺栓标称直径(d)及螺栓长度(L)，螺栓各部尺寸 即确定。螺栓所需长度为锁紧物厚度(夹距)与 L1(约相当于 1.5 倍螺栓直径 d 再加上垫圈厚 度)之和，如图二及表一所示。螺栓需配合螺帽及垫圈使用，螺栓、螺帽加上垫圈称为螺栓 组，表二及三分别为 ASTM（美国材料试验协会）及 JIS（日本工业标准）高强度螺栓组之 组合。耐候钢材应该配合耐候型螺栓、螺帽及垫圈使用。垫圈可以避免螺栓或螺帽锁紧过程 中因旋转而伤及钢板，此外将垫圈垫在旋转端（螺栓头端或螺帽端）可以降低旋转面的摩擦 力，亦可保护钢板表面及分散螺帽所传来之压力，所以垫圈应置于旋转端。 高强度螺栓不论承压型或摩阻型均须施加预拉力， 由于此预拉力的存在使螺帽与垫圈存在 有正压力， 此正压力所产生之抗扭转摩擦阻力可使螺帽不易产生松脱现象， 所以高强度螺栓 除用于捷运车体等较重要结构有采用特殊夹头防止螺帽松脱外， 一般情况不需采用防止螺帽 松脱措施。 施加预拉力的方法有校正扳手法（calibrated wrench）、螺帽旋转法（turn-of-nut）、断 尾扭力控制型（torque control bolts）或直接拉力指示器（direct tension indicator）。兹说 明如下：
螺栓种类 F8T & S8T F10T & S10T
2.2.1 校正扳手法 校正扳手法为以控制所施加之扭力大小来控制螺栓之预拉力，是一种以力量控制(force control)的螺帽锁紧法，其法为使用校正过之可以显示所施加扭力大小的扳手(如图三所示) 来锁紧螺栓。 校正扳手法之扳手对螺帽或螺栓头施加扭力的同时也对螺栓施加拉力， 所需施 加之扭力大小与螺栓强度有直接的关系， 直径越大或强度越高的螺栓所需施加之扭力也就越 大，施加的扭力越大螺栓拉力也就越大。校正扳手上的扭力指示器需要时常校正，以免指示 器显示错误致螺帽锁紧作业失败。 建议校正扳手上的扭力指示器至少每天要校正一次， 或扳 手连续锁紧的螺栓数量达一定数量时亦须重新校正。
圖六 斷尾扭力控制型螺栓
2.2.3 直接张力指示器 直接张力指示器（direct tension indicator）为经特别设计、具有突起的垫圈，并配合厚度 规或缝隙宽度规（feeler gage）使用，如图七所示。在锁紧的过程，螺栓的拉力逐渐增加， 而垫圈的突起处受到压力而逐渐变形（被压扁），当变形量达到一定值时表示螺栓的拉力即 达到所需之预拉力，如图八所示。变形量之量测以缝隙宽度规为之，当缝隙宽度规无法置入 螺栓头与垫片间之缝隙时， 表示垫圈突起处之变形达到所需之量， 亦即螺栓预拉力亦达到所 需之大小。直接张力指示器法是一种位移控制法，不会受到钢材表面及螺牙情况之影响， A325 螺栓使用 F959 TYPE 325 张力指示器， A490 螺栓使用 F959 TYPE 490 张力指示器。
圖四 螺帽旋轉量標記示
表四 螺帽旋转法之旋转量 螺栓长度 L (自螺栓 头内侧至螺栓尾) L 4d 4d < L 8d 8d < L 12d 钢板面性质 一面垂直螺栓轴， 另一 两面皆 垂直于 螺栓轴 1/3 圈 1/2 圈 2/3 圈 面倾斜度不超过 1 ： 20， 且不使用不等厚垫 圈 1/2 圈 2/3 圈 5/6 圈 两面倾斜度不 超过 1：20，且 不使用不等厚 垫圈 2/3 圈 5/6 圈
螺栓的伸长量除以螺栓夹握（grip）长度即为螺栓之平均应变，若欲对螺栓施加相同的应 变，则螺栓越长所需的伸长量也就越大，表四所示为螺帽旋转法所需施加之旋转量。当两个 钢板面皆垂直于螺栓轴时，如图五(a)所示，所需螺帽旋转量较小，当钢板面不垂直于螺栓 轴且未使用不等厚垫圈时，如图五(b)所示，螺帽或螺栓头与钢板间或垫圈间会产生一缝隙， 使所需螺帽旋转量增加。使用不等厚垫圈来填满上述之缝隙，则所需旋转量视同无缝隙者。 当螺栓长度超过 12 倍螺栓直径时，所需旋转量应该由与实际情况相同之试验决定之。 螺帽旋转法之旋转端可以是螺帽端或螺栓头端，螺栓在锁至密接时应做一记号划过螺头、 垫圈及钢板，如图四所示，方便锁紧时旋转量之量测或锁紧后旋转量之检查。螺帽旋转法是 一种位移控制的方法，其精确度不会受到钢材表面或螺牙情况之影响。
圖一 螺栓外觀及尺寸
表一
L1 长度 L1 (mm) 25 30 35 40 45 50 55
标称直 径 M12 M16 M20 M22 圖二 螺栓長度需求 M24 M27 M30
表二 螺栓 种类
ASTM 高强度螺栓组 型别 TYPE 1 标称直径 (in)
1 2
螺帽型式 A 563-C A 563-DH A 563-C3 A 563-DH A 563-DH3 A 563-B A 563-A A 563-DH
1圈
注：（1）螺帽或螺栓本身相对旋转皆可 （2）旋转量小于 1/2 圈，其最大容许误差为 30 。 （3）旋转量小于 2/3 圈，其最大容许误差为 45 。
圖五 鋼板面情況
2.2.3 断尾扭力控制型螺栓 断尾扭力控制型螺栓（torque control bolts 或 TC bolts）简称断尾螺栓，螺栓尾端有一特 别设计之突出物，如图六所示，当施加于螺栓之扭力达到所需值时，此突出物会断裂，突出 物成为一种扭力指示器。 断尾扭力控制型螺栓除方便施工外也方便螺栓是否锁紧之判断与检 查依据。此型螺栓需使用专用之电动扳手锁紧，旋转端都在螺帽端，因此垫圈置于螺帽端。 由于螺栓头不旋转因此可以使用圆头螺栓，S 系列(例如 S10T)螺栓为圆头螺栓，F 系列(例 如 F10T)螺栓为六角头螺栓。断尾螺栓为扭力控制型螺栓，钢板表面及螺牙情况会影响锁紧 作业的精确度，施工时应注意。