镀锌高强螺栓的工程应用

近年来，钢结构 高 强 度 螺 栓 连 接 已 广 泛 应 用 于 国 内 外 建 筑 钢 结 构 、桥 梁 、大 型 起 重 机 械 等 钢 结 构 紧 固件连接工程中。对钢结构在大气中的防腐处理， 国内一般采用两种 方 法，涂 防 腐 油 漆 和 进 行 热 浸 镀 锌。
热浸镀锌是一种耐久性好且耐蚀性良好的防腐 处理方法。由于锌 的 电 化 学 特 性，它 对 钢 基 体 具 有 “牺牲阳极”保护作 用；而 锌 层 在 大 气 中 的 腐 蚀 产 物 （碱 式 碳 酸 锌 ）比 较 致 密 ，附 着 良 好 且 不 溶 于 水 ，对 锌 层又有一定保护 作 用。 因 此，大 气 腐 蚀 较 严 重 的 区 域，热浸镀锌正被 广 泛 用 于 保 护 钢 材 及 其 制 件 免 受 大气腐蚀。国外已经大量应用热浸镀锌来保护钢结 构 构 件 及 螺 栓 ，国 内 在 化 工 、电 力 等 行 业 的 应 用 也 越 来越广。但国内规范对热浸镀锌高强螺栓的制作、 运输及安装等方面 的 规 定 极 少，国 内 也 很 少 有 文 献 详 细 谈 到 这 方 面 的 工 程 应 用 问 题 ，这 给 设 计 、安 装 工 作带来很多困难。
高强螺栓的热浸 镀 锌 具 有 以 下 的 优 点：１）可 获 得 厚 镀 层 ，厚 度 一 般 大 于 ８０μｍ，耐 腐 蚀 性 能 好 。２） 镀 层 附 着 性 好 ，且 方 便 进 行 焊 接 和 涂 装 等 加 工 处 理 。
高强螺栓的热浸 镀 锌 同 时 具 有 以 下 缺 点：１）镀 后螺纹拧合困难。热浸镀锌后余锌粘留在螺纹中不 易去除干净，且 锌 层 厚 薄 不 均 匀，影 响 螺 纹 件 的 配 合。２）热浸镀锌操 作 温 度 高，将 降 低 高 强 螺 栓 螺 纹 处的机械强 度。 根 据 资 料 介 绍，８８ 级 高 强 螺 栓 经 热 浸 镀 锌 后 少 部 分 螺 纹 处 的 强 度 低 于 标 准 要 求 ；９８ 级以上高强螺栓经 热 浸 镀 锌 后，相 当 部 分 螺 纹 处 的 强 度 无 法 达 到 要 求 。３）工 作 环 境 差 ，污 染 严 重 。
１ 问 题 的 提 出 在 一 个 钢 结 构 火 炬 塔 架 设 计 中，原 设 计 采 用 摩
擦 型 连 接 ８８ 级 高 强 度 大 六 角 头 螺 栓 。 考 虑 大 气 腐 蚀比较严重及火炬塔架顶部经常处于高温状态的特 殊 性 ，对 钢 构 件 和 高 强 螺 栓 采 用 热 浸 镀 锌 进 行 防 腐 。
９３～１１３
１００～１２０
１４２～１７７
１２５～１５０
１７２～２１５
１４０～１wenku.baidu.com０
２０６～２５０
１８５～２２５
２６５～３２４
２３０～２７５
３２５～３９０
注 ：每 组 ８ 套 连 接 副 扭 矩 系 数 的 平 均 值 应 为 ０１１０～０１５０，标 准 偏 差 小 于 或 等 于 ００１０。
但 在 现 场 施 工 时 出 现 了 许 多 问 题，当 这 些 镀 锌
高强螺栓送质检站 进 行 扭 矩 系 数 复 检 时，由 于 没 有 考虑加润滑 剂，试 验 结 果 不 合 格，造 成 工 程 停 止 施 工。主要情况为，试 验 时 所 有 检 测 螺 栓 需 要 的 扭 矩 都太大，无法测试。 例 如：Ｍ２４ 的 高 强 螺 栓，当 扭 矩 达到试验的 极 限 １１００ Ｎ·ｍ（扭 矩 系 数 为 ０４５８） 时，预紧力仅有 １００ｋＮ，远 小 于 规 范 要 求 的 预 紧 力 值范围（１４０～１７０ｋＮ）。 并 且 在 拉 力 试 验 中 发 现， 部分高强螺栓的强 度 不 能 满 足 规 范 要 求，不 得 不 增 加 试 验 的 检 测 量 。 最 后 ，根 据 工 程 实 际 情 况 ，将 摩 擦 型 ８８ 级 高 强 度 大 六 角 头 螺 栓 改 为 按 照 ８８ 级 的 普 通 螺 栓 进 行 施 工 ，取 得 了 较 好 的 效 果 。
扭矩法 和 转 角 法 是 国 标 ＧＢ５０２０５ －２００１《钢 结构工程施工质量验收规范》［３］中，针对高强度 大 六 角头螺栓推荐采 用 的 装 配 方 法。 同 时 规 定，当 扭 剪 型高强螺栓在终拧中有超过 ５％的 梅 花 头 不 能 被 拧 掉时，对所有梅花头 未 拧 掉 的 扭 剪 型 高 强 螺 栓 的 连 接副也需要采用扭矩法或转角法来进行终拧。扭矩 法由于施工方便成 为 最 常 采 用 的 装 配 方 法，为 本 文 讨论的重点。
表１ 高强螺栓连接副施工预紧力标准值 Ｐ 及试验时变化范围
螺 栓 公 称 直 径／ｍｍ
１６ ２０ ２２ ２４ ２７ ３０
预 紧 力 标 准 值／ｋＮ
Ｓ８８
Ｓ１０９
７５
１１０
１２０
１７０
１５０
２１０
１７０
２５０
２２５
３２０
２７５
３９０
预 紧 力 标 准 值 变 化 范 围／ｋＮ
Ｓ８８
Ｓ１０９
６２～７８
总的 来 说，由 于 设 计 者 对 热 浸 镀 锌 螺 栓 的 性 能 不 了 解 ，给 工 程 进 度 造 成 较 大 的 影 响 ，并 造 成 一 定 的 经 济 损 失 。 因 此 ，有 必 要 对 高 强 螺 栓 镀 锌 的 原 理 、特 点及设计方法等进 行 探 讨，为 今 后 的 设 计 工 作 提 供 有益的指导意见和帮助。
没有从根本上解决问题。
３ 高 强 螺 栓 的 装 配 方 法 高强度螺栓常用材料为优质碳素钢或低合金
钢，我国目前生产的 有 高 强 度 大 六 角 头 螺 栓 和 扭 剪 型 高 强 度 螺 栓 ，后 者 的 造 价 略 高 ，且 必 须 采 用 专 门 的 电动扳手，前者 在 工 程 应 用 中 最 为 普 遍。 根 据 国 内 外的标准规范［１３］，高强螺栓 装 配 方 法 主 要 有 ４ 种： 扭矩法 （ＡＳＴＭ 中 称 为 标 定 扳 手 法 ）；螺 母 转 角 法 （包含弹性区域的扭 矩 ＋ 转 角 法 和 屈 服 （塑 性）区 域 的 扭 矩 ＋ 转 角 法 ２ 种 ，前 者 误 差 范 围 比 后 者 大 ，但 后 者施工麻烦，钢结构 工 程 中 均 指 前 者）；直 接 显 示 预 紧 力 法 （直 接 显 示 预 紧 力 的 装 置 有 ２ 种 ：扭 剪 型 高 强 螺栓和示力垫圈，示 力 垫 圈 是 美 国 ＲＣＳＣ 推 荐 的 一 种专利产品［２］）；伸 长 量 测 量 法 （由 于 缺 少 通 用 的 测 量 螺 栓 伸 长 量 的 仪 器 ，目 前 仅 应 用 于 试 验 室 研 究 ）。
常采用以下几种措施来解决螺纹配合件经热浸 镀 锌 后 出 现 的 拧 合 困 难 问 题 ，如 螺 纹 件 镀 后 的 回 攻 ， 预留较大配合间 隙，采 用 离 心 甩 等 方 法。 回 攻 法 容 易 破 坏 螺 纹 部 分 镀 层 ，甚 至 裸 露 钢 铁 基 体 ，造 成 高 强 螺栓锈蚀。 而 超 范 围 加 大 螺 母 孔 径 或 预 留 配 合 间 隙，加工的 精 度 很 难 达 到 要 求，很 容 易 降 低 配 合 强 度。国内目前以机 械 式 离 心 甩 去 余 锌 较 为 普 遍，但 效果并不理想。另 外，人 们 从 热 浸 镀 锌 工 艺 本 身 考 虑 ，调 整 热 镀 温 度 和 浸 镀 时 间 来 改 善 镀 层 质 量 ，但 都
ＤＥＳＩＧＮＩＮＧＡＮＤＡＳＳＥＭＢＬＩＮＧ ＯＦＧＡＬＶＡＮＩＺＥＤ ＨＩＧＨＳＴＲＥＮＧＴＨＢＯＬＴ
犢犻狀犵犉狌狕犺犪狅 （ＳＩＮＯＰＥＣＳｈａｎｇｈａｉＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏＬｔｄ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００１２０，Ｃｈｉｎａ）
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｚｉｎｃｃｏａｔｉｎｇ （ｈｏｔｄｉｐ）ｆｏｒｓｔｅｅｌｍｅｍｂｅｒｉｓａｇｏｏｄｍｅｔｈｏｄｔｏｍｉｔｉｇａｔｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎｉｎａｉｒ Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆ ｇａｌｖａｎｉｚａｔｉｏｎｆｏｒｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈ ｂｏｌｔｓ，ｔｈｅｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄｏｆｂｏｌｔｓａｎｄｅｘｉｓｔｉｎｇ ｑｕｅｓｔｉｏｎｓｉｎｓｔｅｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄＩｎａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｗｉｔｈ ＡＳＴＭ ｃｏｄｅｓ，ｓｏｍｅｑｕｅｓｔｉｏｎｓｔｈａｔｎｅｅｄｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｔｏｄｅｓｉｇｎｇａｌｖａｎｉｚｅｄｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈ ｂｏｌｔｓｗｅｒｅｐｏｉｎｔｅｄ ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ：ｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｂｏｌｔ；ａｎｔｉｃｏｒｒｏｓｉｏｎ；ｈｏｔｄｉｐｇａｌｖａｎｉｚｅｄ
在高强螺栓的连接中，由于拧紧扭矩 Ｔ（Ｎ·ｍ） 的作用，使螺栓连接 件 与 被 连 接 件 之 间 产 生 预 紧 力 Ｐ（ｋＮ），若螺栓公称 直 径 为 ｄ（ｍｍ），则 扭 矩 系 数 Ｋ 为：
Ｋ＝ＰＴｄ Ｋ 值反映螺栓连接副的施拧扭矩和预紧力的关 系。若设计的 Ｋ 值比实 际 小，将 达 不 到 预 期 的 预 紧 效果；若设计的 Ｋ 值比实际大，螺栓将可能被拉坏。 国标 ＧＢ５０２０５ －２００１中对高强螺栓连接副施 工 预 紧 力 的 规 定 详 见 表 １。
应 付 钊 ：镀 锌 高 强 螺 栓 的 工 程 应 用
镀锌高强螺栓的工程应用
应付钊
（中 石 化 上 海 工 程 公 司 ，上 海 ２００１２０）
摘 要：大气防腐中钢结构热浸镀锌是一种非常有 效 的 防 腐 方 法。 针 对 工 程 应 用 中 发 现 的 问 题，对 高 强 螺 栓 镀 锌 处理的 原 理、螺 栓 的 现 场 检 测 方 法 和 存 在 的 问 题 等 进 行 分 析 、探 讨。 并 参 考 ＡＳＴＭ 标 准 中 对 应 的 条 款，指 出 镀 锌 高 强 螺 栓 应 用 中 需 注 意 的 问 题 ，可 供 设 计 人 员 参 考 。 关 键 词 ：高 强 螺 栓 ；防 腐 ；热 浸 镀 锌
２ 镀 锌 高 强 螺 栓 的 原 理 及 特 点 高强 螺 栓 常 用 的 镀 锌 方 法 主 要 有 ２ 种 类 型：电
镀锌和热浸镀锌。 下 面 对 ２ 种 方 法 的 原 理、优 缺 点 及使用范围进行介绍。
作 者：应付钊，男，１９７３年出生，国家 一 级 注 册 结 构 工 程 师 ，高 级工程师。
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钢 结 构 ２０１０ 年 第 ２ 期 第 ２５ 卷 总 第 １３０ 期
应 付 钊 ：镀 锌 高 强 螺 栓 的 工 程 应 用
４ 设 计 中 应 注 意 的 问 题 热浸镀锌高强螺栓按照国家规范采用扭矩法来
热 浸 镀 锌 （或 简 称 为 热 镀 锌 ）是 将 被 镀 的 高 强 螺 栓浸入熔点较低的液态金属锌或其合金中进行镀覆 的方法。高强螺栓热浸镀锌多采用熔剂法。净化过 的钢件浸入镀锅之 前，为 防 止 氧 化 并 进 一 步 清 除 表 面 残 留 物 ，需 在 其 表 面 先 涂 １ 层 熔 剂 层 。 浸 镀 时 ，此 熔剂层受热挥发，使 新 鲜 的 钢 表 面 与 熔 融 金 属 直 接 接 触 ，发 生 浸 润 、溶 解 、扩 散 和 化 学 反 应 等 ，在 钢 件 表 面顺序形成γ 相、δ１ 相 和ζ 相 合 金 层 并 附 着 １ 层 熔 融金属锌，经冷却后形成η 相锌镀层。
Ｅｍａｉｌ：ｙｉｎｇｆｕｚｈａｏ＠ｓｓｅｃｃｏｍｃｎ 收 稿 日 期 ：２００９０６１８
ＳｔｅｅｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ２０１０ （２），Ｖｏｌ２５，Ｎｏ１３０
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工程设计
高 强 螺 栓 电 镀 锌 一 般 采 用 滚 镀 工 艺 ，其 优 点 为 ： １）镀层均匀、光亮，装 饰 效 果 好。２）成 本 低，操 作 简 单 。 其 缺 点 为 ：１）环 境 污 染 严 重 。２）易 产 生 氢 脆 ，驱 氢不彻底将造成高 强 螺 栓 连 接 的 失 效 （高 强 螺 栓 的 开 裂 、突 然 断 裂 等 现 象 ）。３）镀 层 薄 。 电 镀 锌 层 厚 度 一 般 小 于 １０μｍ，不 能 满 足 室 外 防 腐 的 要 求 。