高强度螺栓抗剪测试的试样制备与加载速率要求说明

高强度螺栓是钢结构连接的核心部件，其抗剪性能直接决定结构的安全性与可靠性。抗剪测试作为评估螺栓力学性能的关键手段，试样制备的规范性与加载速率的精准控制，是确保测试结果真实反映螺栓实际性能的前提。本文围绕高强度螺栓抗剪测试的试样制备要点与加载速率要求展开详细说明，为测试人员提供可操作的技术指引。

高强度螺栓抗剪测试的试样类型与尺寸规范

高强度螺栓抗剪测试常见试样类型为单剪试样与双剪试样，二者均模拟工程中螺栓受剪的实际工况。单剪试样由2块钢板与1根螺栓组成，形成1个抗剪面；双剪试样由3块钢板与1根螺栓组成，形成2个抗剪面。实际测试中，双剪试样因受力更均匀，结果重复性更好，更常用于标准测试。

试样尺寸需严格匹配螺栓规格，以GB/T 3098.1-2010为例，螺栓直径d（单位：mm）对应的试样孔直径应为d+0.2mm，孔壁公差需控制在±0.1mm内，避免孔壁与螺栓杆之间产生额外挤压应力。钢板厚度需根据螺栓公称直径确定：对于M10-M16螺栓，单剪试样钢板厚度为8-12mm，双剪试样为6-10mm；M18-M24螺栓对应的厚度分别为12-16mm与10-14mm，确保钢板强度足以支撑螺栓达到抗剪极限而不先发生屈服。

试样的平面尺寸也需满足要求，比如单剪试样的钢板长度应至少为螺栓直径的5倍，宽度为3倍直径，避免加载时钢板发生翘曲或侧翻。双剪试样的中间钢板长度需比上下钢板长20mm，以便于试验机夹具夹持，保证加载轴线与螺栓轴线重合。

此外，试样的边角需进行倒圆处理，半径为2-3mm，防止测试过程中边角应力集中导致钢板提前破坏，影响螺栓抗剪性能的真实反映。

试样材料的选取与预处理要求

试样所用钢板需与工程中螺栓连接的基材匹配，通常选取Q235B或Q345B碳素结构钢，其抗拉强度应符合GB/T 700或GB/T 1591的规定。钢板的屈服强度需低于螺栓的抗剪强度，确保测试中螺栓先于钢板破坏，避免钢板失效干扰螺栓性能评估。

钢板预处理需重点关注表面状态：首先用砂纸或打磨机去除表面氧化皮、锈蚀与油污，露出金属光泽，避免这些杂质影响螺栓与钢板之间的摩擦力，进而改变抗剪受力状态。其次，钢板需进行平整处理，用校平机或压力机矫正弯曲变形，平面度公差控制在0.1mm/m以内，确保加载时钢板均匀受力。

螺栓的预处理同样关键：测试前需去除螺栓表面的防锈油或涂层，用干净纱布擦拭干净；检查螺栓杆是否有划痕、凹陷等损伤，若存在需更换试样，因为损伤会导致局部应力集中，降低抗剪强度。螺纹部分需用保护套包裹，避免测试过程中螺纹与钢板孔壁接触，产生额外的扭转应力。

对于批量测试的试样，需对钢板与螺栓进行材料复验：钢板需截取试样进行拉伸试验，验证抗拉强度与屈服强度；螺栓需进行硬度测试（如洛氏硬度HRC），确保其硬度符合GB/T 3098.1的要求（如8.8级螺栓硬度为22-32HRC），避免因材料性能不达标导致测试结果偏差。

试样的装配精度控制要点

试样装配的核心要求是保证螺栓轴线与加载轴线重合，避免偏心加载。单剪试样装配时，需将两块钢板的孔对齐，用定位销临时固定后再穿入螺栓，确保螺栓杆与孔壁四周间隙均匀，间隙差不超过0.05mm。双剪试样需将中间钢板与上下钢板的孔完全对齐，中间钢板的中心与上下钢板的中心偏差不超过0.1mm。

螺栓的预紧力控制是装配的关键环节。对于需要预紧的测试（如模拟实际连接中的预紧状态），需使用扭矩扳手按照GB/T 3098.1规定的扭矩值预紧，例如M16螺栓（8.8级）的预紧扭矩为200-250N·m，M20螺栓为350-400N·m。预紧时需分三次均匀施加扭矩，避免一次拧紧导致螺栓杆扭曲或预紧力分布不均。

试样装配后需进行轴向偏差检查：用百分表测量螺栓杆两端的径向跳动，跳动量不超过0.1mm；用直角尺检查钢板表面与螺栓轴线的垂直度，垂直度公差不超过0.5°。若偏差超过要求，需重新调整装配，否则会导致测试中螺栓承受附加弯矩，使抗剪强度测试结果偏高。

试样的固定需匹配试验机夹具：单剪试样需用平口夹具夹持钢板两端，确保夹具的夹持面与钢板表面完全接触，夹持力均匀；双剪试样需用专用夹具固定中间钢板，上下钢板自由端与试验机加载头连接，避免夹具对钢板产生额外约束。

抗剪面的加工质量标准

抗剪面是螺栓受剪的关键区域，其加工质量直接影响测试结果的准确性。钢板的孔加工需采用钻孔或铣孔工艺，严禁气割或等离子切割，因为热切割会导致孔边产生热影响区（宽度约1-2mm），使孔边材料硬化变脆，增加螺栓抗剪时的撕裂风险。

孔的尺寸精度与粗糙度需符合要求：孔直径公差为H10（即孔直径上限为d+0.2mm，下限为d），孔的圆度公差不超过0.05mm，确保螺栓杆与孔壁之间的间隙均匀。孔壁的粗糙度Ra≤12.5μm，用粗糙度仪检测时，需在孔的圆周方向取3个点测量，平均值需满足要求，避免粗糙的孔壁导致螺栓杆局部磨损。

抗剪面的平行度控制：单剪试样的两块钢板接触面需平行，平行度公差不超过0.05mm；双剪试样的中间钢板与上下钢板的接触面平行度公差同样不超过0.05mm。平行度偏差过大会导致螺栓杆在抗剪时承受弯曲应力，使抗剪强度测试结果偏低。

抗剪面的清洁度：加工后的孔需用压缩空气吹净铁屑，用酒精擦拭孔壁，确保无残留杂质。装配前需再次检查抗剪面，若发现有划痕或毛刺，需用铰刀或砂纸修整，避免这些缺陷导致应力集中，影响螺栓的抗剪破坏模式（如从剪切破坏变为拉断破坏）。

加载速率对测试结果的影响机制

高强度螺栓的材料（如45钢、35CrMo钢）属于率敏感性材料，其力学性能随加载速率（应变率）的增加而变化。加载速率过快时，材料的塑性变形来不及充分发展，位错运动受到抑制，导致抗剪强度升高；加载速率过慢时，材料可能发生蠕变（即使在常温下，高强钢也会有轻微蠕变），导致抗剪强度降低。

具体来说，当加载速率从1mm/min增加到10mm/min时，8.8级螺栓的抗剪强度可能提高5%-10%；若加载速率超过20mm/min，抗剪强度的提升幅度会超过15%，这是因为高应变率下材料的应变硬化效应增强，螺栓杆的变形阻力增加。反之，若加载速率低于0.1mm/min，抗剪强度可能降低3%-5%，因为缓慢加载允许材料内部的缺陷（如微裂纹）缓慢扩展，导致提前破坏。

加载速率还会影响螺栓的破坏模式：快加载时，螺栓通常发生脆性剪切破坏，断口平整；慢加载时，螺栓发生塑性剪切破坏，断口有明显的剪切唇。破坏模式的变化会影响测试结果的判定，因此需通过控制加载速率，使破坏模式与工程实际一致（工程中螺栓受剪通常为中等加载速率下的塑性破坏）。

此外，加载速率的波动也会影响结果重复性：若加载过程中速率忽快忽慢，会导致材料的应变率不稳定，同一批次试样的测试结果偏差可能超过10%。因此，测试中需保持加载速率稳定，波动范围不超过设定值的±10%。

不同标准下的加载速率规定

各国标准对高强度螺栓抗剪测试的加载速率均有明确规定，需根据测试所依据的标准选择对应的速率。中国国家标准GB/T 3098.1-2010规定：当试样的抗剪面面积（A）乘以螺栓的屈服强度（Rel）≤100kN时，加载速率为0.5-2mm/min；当A×Rel>100kN时，加载速率为2-5mm/min。例如，M16螺栓（A=201mm²，Rel=640MPa，A×Rel=128.6kN），加载速率需选择2-5mm/min。

国际标准ISO 898-1:2013的规定更严格：对于抗剪载荷≤100kN的试样，加载速率为0.1-1mm/min；>100kN的试样为1-3mm/min。ISO标准强调慢加载，以减少率效应对结果的影响，确保测试结果的国际性可比性。

美国标准ASTM A325/A325M-21规定：抗剪测试的加载速率不得超过0.05英寸/分钟（约1.27mm/min），且需保持恒定。美国标准更关注模拟实际工程中的加载情况（工程中螺栓连接的加载速率通常较慢），因此对加载速率的上限要求更严格。

日本标准JIS B 1186:2011的规定与GB/T 3098.1类似，但加载速率范围更窄：对于小载荷试样（≤100kN）为0.5-1.5mm/min，大载荷试样（>100kN）为1.5-3mm/min。此外，JIS标准要求加载速率需在测试前通过预试验校准，确保实际速率与设定值的偏差不超过±5%。

加载速率的实际控制方法

加载速率的控制需依赖高精度的试验机，电子万能试验机（如Instron、MTS系列）因采用伺服电机驱动，可实现0.001-500mm/min的精确速率控制，是抗剪测试的首选设备。液压试验机的速率控制精度较低（通常偏差±20%），除非配备高精度的流量控制阀，否则不推荐用于高强度螺栓抗剪测试。

测试前需校准试验机的加载速率：将位移传感器固定在试样上，设定试验机的加载速率为目标值（如2mm/min），启动试验机，记录位移传感器的测量值，计算实际速率与设定值的偏差。若偏差超过±10%，需调整试验机的控制参数（如伺服电机的转速、液压阀的开度），直至偏差符合要求。

加载过程中需保持连续加载，不得停顿或减速。若因设备故障或操作失误导致加载中断，需重新更换试样进行测试，因为中断会导致材料的塑性变形停滞，重新加载时的应力-应变曲线会发生变化，影响结果准确性。

对于不同规格的螺栓，需调整加载速率：例如，M12螺栓（A=113mm²，Rel=640MPa，A×Rel=72.3kN）属于小载荷试样，加载速率选择0.5-2mm/min；M30螺栓（A=561mm²，Rel=640MPa，A×Rel=359kN）属于大载荷试样，加载速率选择2-5mm/min。调整时需参考标准中的载荷阈值，避免因速率选择错误导致结果偏差。

此外，测试人员需在试验报告中记录加载速率的实际值，包括设定值、校准值与测试过程中的波动范围，以便后续结果分析与追溯。例如，试验报告中需注明：“加载速率设定为2mm/min，校准后实际速率为1.95mm/min，波动范围±3%”。