在之前的文章：钢结构高栓改进的若干方向，部分探讨了垫圈啃伤螺纹的问题，今天的文章将和大家分享最新的研究过程和成果，并顺便对起草中的GB/T1231提一点个人的看法。
一、垫圈卡螺纹的解决办法
垫圈卡螺纹是所有螺纹受伤中比较严重的一种工况。
解决方案两种，一种是螺母下垫圈取消内倒角，螺栓头下垫圈保留内倒角，并且螺栓头下垫圈可以不采用磷皂化工艺处理，这样两种垫圈可以用颜色来区分，并且螺栓头下垫圈摩擦系数大还能有效防止“跟转“。但这种方案缺点是一套连接副配两种垫圈，增加了制造厂、现场的管理难度。
在讨论新的GB/T1231标准时，最初的方案就是螺母下垫圈取消内倒角，螺栓下垫圈保留内倒角。为了区分这两种垫圈，采取在螺栓头下垫圈外侧刷红漆的方案。
后期垫圈厂家建议将刷漆改为三耳垫圈如下图。
这种带耳垫圈和英国标准BS 4395-1，以及澳大利亚/新西兰标准AS /NZS 1252.1比较像如下图，但耳朵形状不同，功能不同，英标及澳标耳朵用来标识垫圈的级别，并且没有外倒角。
第二种方案是将垫圈加厚，国铁集团企业标准《铁路桥梁钢结构用高强度大六角螺栓连接副》(Q/CR 701—2019)，采用这种方案。
需要说明的是，在发现垫圈啃螺纹后，我们在扭剪型螺栓试验时，同样发现有此问题。
另外，为了防止垫圈放反，需要在现有GB/T
1230标准垫圈下加外倒角，以方便在安装后检查。
二、卡螺纹解决之后的刮螺纹问题
在分析垫圈卡螺纹的原因时，我们采取了去掉内倒角，加厚垫圈，甚至采用专门的试验设备来消除反力臂偏载。但试验中，发现在螺栓水平安装时，垫圈仍然会刮伤螺纹，刮伤的位置仍然在垫圈处，且在正上方。分析原因是垫圈内缘落在螺纹上，拧紧时移动造成的，虽然是不如卡伤厉害，但依然有隐患，不够完美。
解决方案，首先想到的是在套筒上加一个垫圈定位装置如下图，
通过试验，发现问题基本解决，但又出现新问题：套筒和垫圈会发生相对位移，相互摩擦，会损伤套筒或垫圈，且消耗一定扭矩，造成预紧力偏小。但这个方案在手动工具预紧上，效果不错，并基本解决了扭剪型螺栓垫圈伤螺纹的问题。
接下来的改进方案是在反力臂上加垫圈定位装置，因为反力臂在加载中基本不转动，不存在与垫圈的附加摩擦，反力臂定位方案基本完美解决了垫圈啃伤和刮伤的问题，但因为现有产品标准中，螺母的最大外径大于垫圈最大外径，定位装置需要考虑拧紧时对位问题和拧紧后干涉脱离的问题，结构比较复杂，后续建议修改标准，稍微加大垫圈的外径。最终定位装置及加上垫圈的效果如下图：
在反力臂上加垫圈定位装置后，因为垫圈居中不会卡螺纹也不会刮螺纹，因此螺母下垫圈不需要取消内倒角，也就没必要分A、B两种垫圈，也不存在三耳垫圈了！转了一圈又回到了原点。
三、三耳垫圈的意义及对GB/T1231修改的建议。
上文提到为了解决垫圈伤螺纹的问题，只要改进工具，其实可以不用三耳垫圈方案。那么三耳垫圈有没有优点呢，答案是有！
前期我们在做DTI垫圈试验时，发现欧美标准在检测DTI垫圈间隙时用到两种塞尺，需要区分DTI垫圈是否垫在转动部件下面，如果使用三耳垫圈代替普通垫圈放在DTI垫圈上，并使用专门的套筒，可确保三耳垫圈不转动，那么DTI垫圈的检测塞尺只需要一种！同时可以将反力克服在垫圈上，如果GB/T 1231采用这种垫圈，有如下三个优点：一是垫圈不跟转；二是正、反力同轴不偏载，螺栓不偏移；三是节点螺栓布置可以不考虑螺栓之间互为反力，有些接头可以采用单个螺栓，或者螺栓间距可以比较大。
但这种垫圈耳朵形状是矩形，和起草中的GB/T1231略有不同。
实物如下图：
这种垫圈配合专门的反力机构，也能起到自反力的作用，如下图，垫圈和扳手的反力臂管配合，可以取消反力臂，并保证反力同轴，还能解决垫圈伤螺纹的问题。当然三耳垫圈也有一个缺点，必须预拧紧，就是欧盟规范里面的“snug-tight”。试验时，我们一般使用工地常用的烟斗扳手预拧紧。其实这个也不算缺点，过去在工地现场培训时，为了防跟转，通常也要求工人用手动扳手预紧一遍螺栓，只不过国内所有施工规范都没有像欧标那样明确规定。
基于以上几点，对起草中的GB/T1231,我建议三耳垫圈可以考虑改半圆形为矩形。
对GB/T1231另外一个修改建议是适当提高螺母尺寸精度。目前带扭矩传感器采用伺服电机的工具已经开始在钢结构行业应用，扭矩的控制精度和稳定性相对电流型工具，提高了一大步。但是要进一步提高扭矩的控制精度，就需要提高螺母尺寸精度，最重要的螺母孔与螺母六角的同轴度，螺母孔与螺母支撑面的垂直度两项，其次是适当缩小六角的对边的公差。我们已经通过试验验证，在保持其他条件不变的情况下，仅仅通过每次原地转动螺母的60°，工具的控制精度就会发现周期性的波动，经过标识后，会发现在螺母某个边控制精度劣化，转6个60°回去，精度会依然劣化。
四、关于自反力螺栓
随着人口红利的消失，以及智能化的发展，钢结构螺栓使用机器人施拧是大势所趋，从目前其他行业的应用看，现有容易跟转需要卡游的螺栓连接副需要两个机器人协同作业，受空间和成本限制，肯定不适用，并且落座点法、斜率法等更好的施拧工艺，也需要螺栓不能跟转，因此自反力螺栓将是未来钢结构高栓的发展方向。
目前钢结构行业比较成熟的是美标ASTM
F3148-17a，在北美已经有不少案例，螺栓成品如下图：
外形和扭剪螺栓很像，只不过颈部没有刻槽。
其他行业目前已经广泛使用各种自反力螺栓，还有把自反力部位加工成外四方、外六方，甚至有内四角、内六角的。下图是汽车行业的减震器螺栓，反力部分是将螺栓头部圆形加工了两个边。
这种形式的螺栓也应用于汽车的其他部位：
还有其他类型的头型
：
需要说明的是，各种自反力螺栓，螺母下垫圈水平安装时，仍然要考虑螺纹的损伤问题，可以通过工具的定位机构解决。
五、总结
在钢结构中，后期会因为节点密封失效，雨水侵蚀，高栓极易在受伤处发生应力腐蚀断裂，收集现有服役桥梁断栓，也支持这一结论。目前铁科院有团队在解决长效密封的材料问题，桥科院有团队在解决螺纹损伤防腐涂层自修复问题。本文主要探讨的是如何通过施工工具的改进，来防止垫圈对螺纹的损伤。
在2023年某正在施工的桥梁，因各种原因需要拆除更换终拧后的高栓3100套，我们发现拆下的高栓中，在垫圈位置的螺纹损伤超过2000套！因此避免垫圈损伤螺纹有一定现实意义。
