欧美钢结构行业的垫圈，载荷指示垫圈（DTI）的相关探讨

教育 2024-11-15 18:11 上海

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来源：钢结构Cost-steelstructure 公众号
一、DTI经典型垫圈

DTI（Direct-Tension-Indicator）垫圈，一般翻译为载荷指示垫圈、压力指示垫圈或轴力指示垫圈，看文献最早1962年英国就有应用，目前在欧美钢结构市场应用得比较广泛，每次欧美钢结构、紧固件相关的展会，DTI类垫圈的产品都不少。DTI垫圈在国内一直有厂家生产供应海外市场，国内钢结构的设计、施工规范截止目前还没有DTI的内容，最近修订的JGJ82标准，加入了DTI垫圈的内容。2018年发布的GB/T32076.10在附录A中首次介绍了DTI垫圈，而全国紧固件标委会已经立项DTI垫圈的产品标准，并纳入GB/T32076系列。

从国外研究文献看，DTI垫圈主要解决的是高栓连接副终拧后的连接质量检测难题，这点和国内专家普遍认为DTI垫圈是为了施工中控制预紧力有所不同。从欧盟和美国的施工规范看，DTI垫圈也的确是为了方便施拧后的终拧检查，无论是RCSC2020还是欧盟的EN1090-2，DTI垫圈终拧都采用传统的扭矩法或转角法，终拧结束后才用塞尺检查DTI垫圈间隙。国内钢结构大六角头高栓普遍采用扭矩法施工，终拧扭矩检查可以通过紧扣法或松扣复位法检测连接副残余扭矩，所以体会不到欧美尤其是美国终拧检查遇到的问题，美国钢结构行业高栓普遍采用角度法施工，对终拧连接质量的检查极少考虑通过检测残余扭矩的方式进行。在美国，独立的第三方螺栓连接检测服务每小时收费 100 美元以上。使用DTI垫圈可以大大减少检查项目所需的时间，检查更容易、更快捷、更简单。此外，DTI检测可以由单个检查员处理，而欧盟使用校准后的扭矩扳手检查残余扭矩通常需要两人以上工作。欧美学者一般观点还认为，第三方检查比较耗时还会影响安装进度，因为现场检测需要施工方配合提供必要的支持（人工、场地、设备），会干扰施工方的正常施工，施工单位普遍认为第三方缓慢、昂贵或不准确的检查方法注定会造成工期不必要的延迟！

DTI大量应用后，也发现诸多不方便的地方，第一经典DTI垫圈无法实时指示预紧力，无论扭矩法还是转角法，经典的DTI垫圈无法在施拧过程中提供直观的预紧力合格信息，施工方无法一边施拧一边检测间隙，或者间歇中断施拧过程用塞尺检测。第二个缺陷是经典DTI垫圈能指示欠拧但无法指示超拧。当然欧美钢结构对高栓超拧的容忍程度比国内宽容多了，这个缺点在欧美行业内不会让人重视。而国内不同，这几年由于高栓防松厂家的过度炒作，人为制造焦虑，让对高栓一知半解的相关领导和普通民众对高栓延迟断裂缺乏科学的认知，几近零容忍，这已经远远超出了技术范畴。而超拧是高栓延迟断裂的主要原因，防止超拧在当下的国内是刚需。

二、针对经典DTI垫圈的改良

1、彩胶目测技术

这种技术在DTI凸点后的凹坑内填充彩胶，如图1所示：

图1 彩胶目测技术

改良后主要是方便施工中监测，当拧紧螺母压缩凸出物时，把凹坑内的彩色胶状物通过放射状的凹槽从DTI的边缘挤出，当挤出量达到一定规模，表示螺栓的预拉力已经符合要求。图2是我2018年在美国展会现场拍的，刚刚施拧完成的高栓。彩胶刚刚挤出。

图2 彩胶目测技术现场图

2、视觉自指示垫圈技术

该型垫圈如图3

图3 视觉自指示垫圈

在垫圈凸点的一面，另外均布几个马蹄铁型的凸起，马蹄铁型围起的内部填充绿色高分子弹性体，这种马鞍型的凸起高度经过特别计算和设计。

安装密贴后如图4，螺母工作面下垫一个淬硬的普通垫圈，初拧拧紧到密贴工况后，普通垫圈接触指示垫圈的凸点，但普通垫圈离马蹄铁形凸起还有一段距离。

图4 视觉自指示垫圈密贴拧紧后

当螺栓拧紧时，凸点被压缩，继续拧紧普通垫圈接触马蹄铁型凸起，螺栓达到适当的张力，弹性体被挤出，如图5

图5 视觉自指示垫圈终拧后

在指示器的多个侧面可清晰可见高分子弹性体挤出。如图6

图6 视觉自指示垫圈终拧后侧面

当看到绿色时，螺栓已正确张紧，可以停止拧紧准备拧下一颗螺栓。

图7是现场施拧完后的照片

图7 视觉自指示垫圈现场照片

这种弹性体含荧光类成分，在紫外线照射下可以反射出醒目的反光，特别适合在夜间或照明不良时检查。图8是紫外线灯照射下的指示垫圈。

图8 紫外线照射下的视觉自指示垫圈

这种垫圈创新点在通过精确的控制马蹄铁高度和定量控制高分子材料弹性体体积，可以比较精确的在施拧时指示预紧力。

三、ACW垫圈

关于ACW垫圈（自动控制垫圈）的详细介绍，文章链接如下，可以点击阅读https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg3MDY3NjQxNw==&mid=2247483718&idx=1&sn=4e020b41949afa8572607b6d3e4112ec&chksm=ce8b63e8f9fceafed87746cff0d5eaf0ccf610c6a7a09dddc062e3e3e0f7ae667271bf77630c#rd。这种DTI改进垫圈能实现施工中自动控制，这是革命性的改进！

2012年上海申光厂的技术顾问陈纪平联系我，希望我能开发一种智能工具，可以识别拧紧曲线斜率的变化，我详细了解了技术要求后，认为可行，没想到至此开始了长达十年的ACW垫圈配套工具之路！联系后不久，我在上海申光厂，第一次见到了DTI经典垫圈及彩胶目测技术的DTI改进型样品，样品是上海申光厂总经理顾鸣一几年前从美国展会带回来的。随后几年，研发之路的曲折超过预想，顾总、陈总加上贺贤娟贺总三位年龄相加超过200岁，竟然一路坚持下来，这篇小文也是向三位紧固件行业的老兵致敬！

ACW最早的改进是将DTI经典垫圈的部分凸点在压力机上用精确的压力值压缩。举例说明，将DTI垫圈简化为3个凸点如图9，A、B、C三个凸点原始高度是h1，出厂前将B点以精确的力F压缩至h2，那么现场安装时，螺栓将A、C两个凸点压缩到h2时需要的预紧力就是2倍的F，所以可以通过出厂时的压力控制现场的预紧力，反过来也根据现场需要的预紧力调整出厂的压机压力。

图9 ACW垫圈原理

这种改良垫圈，使用的关键是施工时能否及时识别未压缩的凸点A、C到达h2。控制思路有两种。

第一种是在B点上加上检测装置，当A、C点和B点平行时发出信号。

第二种是拧紧工具具有拧紧曲线斜率判断功能，那么在A、C点压缩到达h2前后因为单位转角需要扭矩增量更大，拧紧曲线斜率会发生突变，工具捕捉到后即时停止拧紧。

第一种方案的预紧力靠垫圈自身控制，不依赖拧紧工具，产品样机如图10：

图10 ACW样机

相当于在B点上黏贴了一个导电条，当凸点上方的淬硬普通垫圈接触到B点后，电路导通发出停机信号，这种垫圈后期可以和淬硬普通垫圈制作成组合体如图11：

图11 ACW垫圈组合件样机

样机试验时，检测条手工黏贴，将来定型批量生产时，检测条可以制作成柔性印刷线路板，采用机器黏贴，直接成本几分钱。外露的部分也可以取消，直接在柔性印刷线路板上加工两个触点，反转黏贴在垫圈侧面，类似图12：

图12 印刷板触点

施拧工具通过磁吸接头类似图13，吸附在垫圈侧面的触点上，信号可以无线发射，磁吸接头和发射装置作为拧紧工具附件配套，重复使用。

图13 工具端磁吸接头

这种方案的缺陷是垫圈的样式、施工方式、检测和DTI经典垫圈完全不一样，结构设计、施工单位缺乏合理的法规依据，推广比较困难。但是这种依靠垫圈本身控制预紧力的方式让现场管控更简单，实际控制精度也非常高。这种垫圈样品在试验室轴力计上的拧紧视频链接如下，可以点击观看https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg3MDY3NjQxNw==&mid=2247483729&idx=1&sn=56979ee59d69095de46500d98c759bc9&chksm=ce8b63fff9fceae94d1f8e35f0f802cd689de659cfff29288e02397284e4af94173e4a715aad#rd。

第二种方案则和现有DTI垫圈完全兼容，可以完美符合相关的产品标准、设计规范、施工规范，但缺陷是依靠工具的算力和算法。目前方案二的工具已经研发成功，并且在试验室实际测试多年，预紧力控制的数据非常理想。

第二种方案有两种用法，一种是使用ACW垫圈直接控制最终预紧力，例如在钢结构行业（最大直径M36）；一种是使用ACW垫圈控制初拧（终拧的15%~75%），然后再用转角法。第二种用法可以克服现有转角法（组合法）的缺陷：初拧用扭矩法依然受摩擦系数影响，使用ACW控制初拧，完美的克服转角法的起点缺陷，终拧的预紧力散差更小！对超大直径的螺栓，可以用智能电动工具+ACW垫圈拧初拧，再用普通的液压工具定角度拧终拧，回避了大扭矩智能工具体积大笨重的缺陷和液压工具扭矩精度差的缺陷。第二种方案的垫圈演示视频链接如下，可以点击观看

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg3MDY3NjQxNw==&mid=2247483746&idx=1&sn=1ab13eb9da02fa5825cd51d156c48788&chksm=ce8b63ccf9fceada36d9c02ea1d899de9ddfbb9534272d288a6a052fd5ab6bd2f1c8f1cf219a#rd

四、结语

DTI垫圈在欧美使用超过60年，目前依然广泛应用，海外大量学者、设计师、工程师发表了各种研究成果，限于本人的英文水平，没法深入研究和验证。粗粗浏览国外的研究文献，很多结论和我对DTI垫圈的直觉大相径庭。欧美行业内普遍认为，DTI垫圈可加快安装和检查速度，降低项目成本，提高效率和可靠性。能有效减小长期的预紧力损失，防振、减震、防松！希望国内的工程技术人员对DTI垫圈多研究、多试验、多改进！

来源：钢结构Cost-steelstructure 公众号，如有侵权请联系我们。

END

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