扭剪型高強度螺栓的尾巴斷了,預力就到了嗎:同規格 M22,9 °C 以下平均 220.5 kN,31 °C 以上 235.1 kN
2012 年有人在 Yahoo!知恵袋問:扭剪型高強度螺栓只要把梅花尾(ピンテール)扭斷,需要的張力就會進去嗎?最佳解答說到了規定扭矩尾巴會自己斷,所以不用管扭矩。這句話對了一半。日本鐵道・運輸機構與 6 家橋梁廠在 2018 年統計了 10,385 支 S10T M22,發現在工地,同一種螺栓 9 °C 以下量到的平均軸力是 220.5 kN,31 °C 以上是 235.1 kN。尾巴斷在扭矩,軸力還隔著一層潤滑劑。閱讀約 9 分鐘。
知恵袋的那一題
提問貼在 2012 年 2 月 8 日 Yahoo!知恵袋的工學分類,到存檔時有 19,474 次瀏覽。問題只有兩句: 扭剪型高強度螺栓(日文寫トルシア型)是不是「ピンテールを破断すると」必要的張力就會作用?機構看不懂,請懂的人說明。
唯一的回答被選為最佳解答。它說高強度螺栓的鎖緊是用扭矩管理;六角頭的 F10T 用扭力扳手量, 扭剪型(標示 S10T)是圓頭,用一種叫剪力扳手(シャーレンチ)的工具鎖,鎖到規定扭矩,梅花尾會自動斷掉,所以「不需要管扭矩」。 另外提到扭剪型頭側不放墊圈,同樣板厚選的螺栓長度會略有不同。
2019 年另一題問的是更細的地方:鎖的時候螺栓本體明明被固定住沒轉,梅花尾為什麼會斷? 那一題的最佳解答只有一句:鎖的時候螺帽和梅花尾上都套著套筒。
兩題的回答都停在「扭矩到了就斷」。提問者真正想知道的是張力,而扭矩和張力之間還隔著什麼,沒有人回答。
斷尾的是扭矩,軸力要經過摩擦換算
兩題回答能確定的只有:鎖的時候螺帽和梅花尾上都套著套筒,到了所定扭矩梅花尾會自己斷。 以下是這類工具的一般構造,由本站補充,引用的來源沒有細寫:剪力扳手有兩層套筒,外套筒套在螺帽上轉,內套筒抓住螺栓末端的梅花尾、承受反方向的力, 所以螺栓本體不跟著轉。梅花尾和螺紋之間有一道破斷溝,扭矩超過這道溝能承受的程度,梅花尾就從溝那裡扭斷。
所以斷尾是一個扭矩訊號:斷的那一刻,扭矩到了這道溝的破斷條件。論文沒有給斷尾扭矩值,每支斷在多少扭矩,這份資料確認不了。 接下來這段也是本站補充的一般背景,論文沒有寫:扭矩變成螺栓軸力,要經過螺紋面和螺帽座面的摩擦。常用的近似式是 T=k·d·N(T 是扭矩、d 是公稱直徑、N 是軸力、k 是扭矩係數), k 主要由這兩處的摩擦決定。同樣的 T,k 變大,N 就變小。論文本身只提到「トルク係数値」(扭矩係數)的離散。 摩擦怎麼左右扭矩的意義,本站在另一頁整理過。
所以扭剪型螺栓本質上還是扭矩法,只是把「量扭矩」這一步做進螺栓本身。 論文作者在解釋溫度效應時也是這樣定位的:螺栓上塗的潤滑劑,是用扭矩法鎖緊時讓軸力穩定所不可缺的東西。
這篇統計怎麼做
論文是南邦明等 7 人 2018 年發表在土木學會論文集 A1 的〈トルシア形ボルトS10T (M22)の導入軸力および機械的性質の統計調査〉。 作者來自鐵道建設・運輸施設整備支援機構與 6 家橋梁製作公司。動機寫在第 1 節:扭剪型以 230 kN 為目標斷尾, 但實際導入多少軸力、離散多大,「沒有統計資料」。
先交代幾個基準數字。設計軸力是 205 kN;道路橋示方書與鐵道設計標準對扭矩法規定鎖到設計軸力加 10%,也就是標準軸力 226 kN; 扭剪型的斷尾目標是加 12%,約 230 kN。扭剪型螺栓沒有 JIS 規格,道路橋用日本道路協會、鐵道橋用鐵道總研、建築鋼構用日本鋼構造協會(JSS II 09)的規格。
| 規格 | 常溫(10–30 °C)5 支平均 | 常溫 5 支標準偏差 | 常溫以外 5 支平均 |
|---|---|---|---|
| 道路橋、鐵道橋 | 212–249 | 11.5 以下 | 207–261 |
| 建築鋼構 | 212–256 | 16.0 以下 | 205–268 |
管理單位是同一製造批(ロット)抽 5 支,看平均與標準偏差;常溫以外只管平均。常溫以外的適用溫度是 0–60 °C(鐵道橋 0–50 °C)。 規格本身就把溫度分成兩檔,下限差 5 kN,這是後面數據的伏筆。
資料有三種來源,合計 2,077 筆,每筆 5 支,共 10,385 支:
| 資料 | 筆數 | 在哪裡量 | 平均軸力 |
|---|---|---|---|
| 製品檢查證明書 | 1,171 | 螺栓廠出廠檢查(能彙整的證明書來自 3 家),5 支平均 | 231.5 kN(217–248) |
| 立會試驗 | 281 | 螺栓廠試驗場,製品檢查立會時從證明書所列螺栓抽代表性 1 批 5 支;室溫平均 21.8 °C | 230.1 kN |
| 現場試驗 | 625 | 架設工地,油壓式軸力計,每天開工前 1 批 5 支 | 226.8 kN(全溫度) |
在恆溫的試驗場,斷尾目標大致做到了:證明書平均 231.5 kN,88% 高於標準軸力 226 kN;立會試驗平均 230.1 kN,與證明書的差平均只有 −1.1 kN。 但即使溫度穩定,同一批 5 支裡最大與最小的差,最多到 26 kN,平均 14.1 kN。 螺栓長度從 50 到 180 mm,與軸力的相關係數只有 0.130,論文寫的是看不出明確相關。
到了工地,溫度把平均值拉開 15 kN
現場試驗的 625 筆依試驗當時的氣溫分三組:常溫 10–30 °C 有 402 筆,低溫 9 °C 以下 169 筆,高溫 31 °C 以上 54 筆。 工地的確認試驗基本上都用 80 mm 長的螺栓。
| 項目 | 低溫(≤9 °C) | 常溫(10–30 °C) | 高溫(≥31 °C) |
|---|---|---|---|
| 筆數 | 169 | 402 | 54 |
| 平均軸力 | 220.5 | 228.3 | 235.1 |
| 5 支平均的最小~最大 | 208–235 | 213–244 | 222–249 |
| 個別螺栓的最小~最大 | 200–246 | 200–258 | 217–260 |
| 5 支平均高於 226 的比例 | 20% | 70% | 91% |
| 與證明書值的差(平均) | −8.1 | −3.8 | −1.1 |
| 5 支最大最小差(平均) | 9.9 | 10.9 | 11.1 |
三件事可以從表上直接讀出來。第一,平均軸力高溫>常溫>低溫,低溫與高溫差 15 kN。 第二,低溫組 5 支平均的最低值是 208 kN,常溫以外的下限是 207 kN,只差 1 kN;常溫組最低 213 kN,對下限 212 kN 也只差 1 kN。 論文結論寫的是「規定下限值附近的情況是有的」,上限附近則沒有出現。 第三,冬天量到的值比出廠證明書平均低 8.1 kN,夏天只低 1.1 kN。論文把證明書與立會試驗都歸為室溫一定的試驗場數據(JIS 規定 23±5 °C,立會資料平均 21.8 °C);證明書每一筆的試驗溫度,論文沒有列。
作者把 625 筆對溫度做迴歸。5 支平均是 Y=0.4733X+218.4,相關係數 0.615;個別螺栓是 Y=0.4730X+218.7,相關係數 0.529。 換成本站的說法,在觀測到的溫度範圍內,氣溫每差 10 °C,平均軸力約差 4.7 kN;低溫組與高溫組的平均相差約 6.6%。 代入立會試驗的平均室溫 21.8 °C,迴歸推估 228.7 kN,和立會試驗實測的 230.1 kN 差 1.4 kN,兩組資料對得上。
作者的解釋是潤滑劑:螺栓上塗的潤滑劑有溫度依存性,所以溫度高時軸力也高,論文用的是「考えられる」(可以認為)。 這是作者的判斷,論文沒有拿潤滑劑單獨做試驗。他們也據此認為,工地資料比試驗場資料分布寬,主因是溫度,而不是工地的設備或機具。
這個方向不能推成「天熱軸力就高」的通則。本站同批的高強度螺栓下雨天能不能鎖引的網谷等 2023 年試驗, 六角 F10T M22 用扭力法、每個溫度先用乾燥螺栓重設扭力,40 °C 的平均軸力反而比 20 °C 低約 7%,每個條件只有 3 支。 兩篇的溫度趨勢不同,螺栓種類、潤滑劑、扭矩怎麼給、樣本數也都不同,不能合併成一條溫度規則。
溫度與平均值有相關,與同一次試驗內的離散沒有明確相關。5 支最大最小差與溫度的相關係數是 0.106,標準偏差是 0.106,變動係數是 0.064。 作者據此認為,同一次試驗裡的軸力離散受溫度影響小;資料沒有顯示批內離散會隨氣溫明顯變大。
回到那個問題:尾巴斷了,張力到了沒
照這份統計回答知恵袋的提問:尾巴斷了,代表扭矩到了。張力到多少,在這份資料裡會跟著試驗時的溫度變;作者推測原因是潤滑劑,但沒有直接比較不同的潤滑狀態。 在試驗場的室溫下,它大致落在設計目標 230 kN 上下;冬天的工地平均低了 10 kN 左右,有些批次的 5 支平均離下限只剩 1 kN。
最佳解答說「不需要管扭矩」,在操作層面沒錯,現場確實不用拿扭力扳手量每一支。 但「不需要管」不等於沒有管:這份論文所有的工地資料,都來自每天開工前用油壓式軸力計量 5 支的確認試驗,確認符合規定才開始鎖。 在這份論文調查的工程裡,扭剪型把扭矩檢查交給了螺栓,軸力檢查則交給了每天作業開始前那 5 支。
順帶一個量級:同一批證明書上,製品的引張荷重平均 328.4 kN(規定 303 kN 以上)。230 kN 的斷尾目標大約是製品引張荷重的 70%,這是本站換算。 論文量的是導入軸力。本站的說明是:低溫時軸力偏低,對摩擦接合來說是夾緊力變小;低溫對接頭承載力的影響,論文沒有做試驗。
工地與採購可以照做的事
第 1 到 4 點以論文的數據與調查程序為依據,但寫成現場做法是本站的解讀;第 5、6 點是本站的延伸建議,論文沒有驗證。
- 把每天的軸力確認試驗當成真正的驗收。斷尾只說明扭矩到了。論文的現場資料就是每天作業開始前 1 批 5 支、用油壓式軸力計量,確認符合規定才開始鎖的結果。
- 確認試驗時記下氣溫,用對那一檔的判定值。道路橋、鐵道橋常溫 10–30 °C 時 5 支平均要在 212–249 kN、標準偏差 11.5 kN 以下;常溫以外只看平均 207–261 kN。建築鋼構另有一組數字(表-2)。
- 冬季開工的那幾天,預期平均會偏低。9 °C 以下的 169 筆裡,只有 20% 的 5 支平均高於標準軸力 226 kN,最低一筆 208 kN。量到接近下限的值,對照那天的溫度來看,不要只看出廠證明書。
- 出廠證明書是室溫一定的試驗場數字。它和立會試驗平均只差 1.1 kN,論文認為可信;但冬天工地平均比它低 8.1 kN。本站的建議是不要拿證明書代替現場值。
- 早上冷、下午熱的工地,確認試驗的溫度不一定代表整天的作業溫度。本站建議在記錄上同時寫下作業時段的氣溫範圍;溫差大的日子要不要追加試驗,請依各自的施工規範與監造判斷。論文的資料是每天 1 次。
- 採購時保留螺栓的潤滑狀態。論文把溫度效應歸給出廠塗的潤滑劑。本站的推論是,任何改變這層潤滑劑的事(例如自行清洗或另外加油)都會讓扭矩與軸力的對應離開出廠時的狀態,這一點論文沒有測。
六角高強度螺栓在日本橋梁上另有一套扭矩管理與轉角法的規定,熱浸鍍鋅螺栓的情況可以看這一頁; 各種鎖緊方法的預力離散度比較在這一頁。
這一頁不能下的結論
資料只有 S10T M22,來自日本的橋梁工程;其中能彙整的檢查證明書來自 3 家螺栓廠。換成別的直徑、別的強度等級、別的潤滑劑,數字不能照搬。 這是既有證明書與現場確認試驗的觀察性統計,溫度與潤滑劑都沒有受控,相關不能單獨證明因果。製造廠用 X–R 管理圖做品質管理,論文提醒單一批 5 支的標準偏差只能當參考值。 溫度方向(越熱軸力越高)是這批扭剪型螺栓工地資料裡的趨勢,本站不把它推成其他扣件、其他潤滑劑或其他鎖緊法的通則。迴歸圖的橫軸畫到 0–40 °C,但論文沒有列出觀測溫度的最小、最大值,本頁不把迴歸式用到觀測範圍以外。 高溫組只有 54 筆,分布沒有明顯峰值。潤滑劑是作者的解釋,論文沒有單獨驗證。 「每 10 °C 約 4.7 kN」「低溫與高溫差約 6.6%」「斷尾目標約為引張荷重的 70%」是本站由論文數字換算。 論文沒有給斷尾時的扭矩值,本頁也沒有寫。冬季施工該不該採取額外措施,論文沒有討論。
這一篇不屬於六步中的任何一步。它橫跨各步,或者發生在組裝之後。導致它的那些決定是在哪裡做的,見指定一顆螺絲,那篇寫的是順序,以及為什麼順序做反了是重工。
常見問題
扭剪型螺栓的梅花尾斷了,是不是就代表軸力夠了?
斷尾代表扭矩到了梅花尾破斷溝的破斷條件,論文沒有給這個扭矩值。扭矩換成軸力還要經過螺紋與座面的摩擦。南ほか 2018 統計 S10T M22,工地 9 °C 以下平均 220.5 kN、31 °C 以上 235.1 kN;論文調查的工程是每天作業開始前用油壓式軸力計量 5 支,符合規定才開始鎖。
為什麼冬天扭剪型螺栓的軸力比較低?
論文作者認為是螺栓上塗的潤滑劑有溫度依存性,所以溫度低時軸力較低。625 筆工地資料的迴歸是 Y=0.4733X+218.4(5 支平均,相關係數 0.615),論文沒有單獨試驗潤滑劑。
扭剪型螺栓的軸力規定值是多少?
依日本道路協會與鐵道總研的規格,S10T M22 每批抽 5 支:常溫 10–30 °C 時平均 212–249 kN、標準偏差 11.5 kN 以下;常溫以外只管平均 207–261 kN。建築鋼構(日本鋼構造協會)是 212–256 kN、16.0 kN 以下與 205–268 kN。扭剪型螺栓沒有 JIS 規格。
出廠檢查證明書上的軸力可以直接當現場值嗎?
本站不建議。論文把證明書與立會試驗都歸為室溫一定的試驗場數據(JIS 規定 23±5 °C),兩者平均只差 1.1 kN;但在工地,低溫時平均比證明書低 8.1 kN,常溫低 3.8 kN,高溫低 1.1 kN。
參考資料
- 南邦明、遠藤輝好、小峰翔一、吉岡夏樹、宮井大輔、澁谷敦、内田大介(2018)—— トルシア形ボルトS10T (M22)の導入軸力および機械的性質の統計調査,土木学会論文集A1(構造・地震工学)74(2):280–289
- Yahoo!知恵袋(2012-02-08)—— トルシア型高力ボルトってピンテールを破断すると必要な張力が働くんですか?
- Yahoo!知恵袋(2019-01-30)—— トルシア型高力ボルトのピンテールは、回転させていないのに、なぜ破断するのですか?
- 一個扭力數字,背後假設了一組摩擦條件
- 熱浸鍍鋅高強度螺栓:扭力係數全在規定內,日本橋樑規範還是要求轉角法
- 你的鎖緊方法把預力控制得多差
- 最可靠的預拉方法,起算點是「一個鋼構工人使出全力」
論文全文由本站讀過,規定值、筆數、平均值與迴歸式照原文的表-1 到表-5、表-8 與圖-11 到圖-13。每 10 °C 約 4.7 kN、低溫與高溫差約 6.6%、斷尾目標約為引張荷重的 70% 是本站換算;T=k·d·N 與剪力扳手的雙套筒構造是本站補充的一般背景,論文沒有寫。「工地與採購可以照做的事」第 1–4 點的現場做法是本站依論文的解讀,第 5、6 點是本站建議,論文沒有驗證。
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