ASME B18.21.3-2008 (2013)——木结构用双圈螺旋弹簧锁紧垫圈

🌲 ASME B18.21.3-2008 是 ASME B18 垫圈标准家族中专为木结构连接设计的双圈螺旋弹簧锁紧垫圈标准。该标准规定了双圈螺旋弹簧锁紧垫圈的尺寸、物理性能与试验方法，适用于木材与木构件上的螺栓、螺钉连接。标准由 ASME B18 委员会第 21 分委员会（锁紧垫圈）制定，2008 年 3 月 28 日获 ANSI 批准，2013 年复审确认。有意思的是，该标准最初是应”高压电杆”（high voltage wood structures）的连接需求提出的，后来委员会决定删去”高压”二字，使其可用于任何木结构场合。

一、标准概述与适用范围 📌

本标准适用于木结构用双圈螺旋弹簧锁紧垫圈，核心内容包括：

• 尺寸要求：给出标准行程与加长行程（Extended Travel）两种系列的双圈垫圈尺寸表（表 1、表 2）。
• 物理性能：规定材料硬度、脱碳限值（表 3）与行程限值（表 4、表 5）。
• 试验方法：规定垫圈扭曲试验（图 1）等验证方法。
• 单位制：全部尺寸以英寸表示，且适用于未镀覆、未涂层的产品。
• 与 ISO 的关系：无对应的 ISO 标准。

标准引用了 ASME B18.12（紧固件术语表）、B18.18.1（通用紧固件检验与质量保证）、B18.21.1（英寸系列锁紧垫圈）、B18.24（B18 紧固件零件标识号体系），以及 ASTM B117（盐雾试验）、ASTM E140（硬度换算）、SAE J403/J411（碳钢化学成分）、SAE J419（脱碳层测量方法）等标准。

二、双圈结构原理与型式 🔩

双圈螺旋弹簧锁紧垫圈由弹簧钢丝绕制成两圈螺旋结构，两端呈开口状。与传统单圈弹簧垫圈相比，它具有以下特点：

• 弹性行程更大：两圈结构提供更长的压缩行程，可在木材压缩、干缩过程中持续维持预紧力。
• 承压面积更均匀：线圈展开后形成环形承压面，降低木材局部压溃风险。
• 双系列可选：标准行程型用于常规木构件；加长行程型（Extended Travel）适用于厚木材、软木或预期压缩量大的连接。

标准对两种型式分别给出行程限值（表 4 标准行程限值、表 5 加长行程限值），行程不足的垫圈无法在木材变形时维持夹紧力，行程过大的垫圈则可能在安装时被压溃或失去弹性。

三、尺寸与公差 📏

表 1 与表 2 分别给出标准行程与加长行程双圈垫圈的关键尺寸，包括：内径（ID）、外径（OD）、自由高度、线材直径、圈数等。尺寸均以英寸计，且指镀前状态。选购时应根据配套螺栓/螺钉的公称直径、木构件厚度与预期压缩量确定型号，并按 B18.24 PIN 编码体系统一采购标识。

四、材料、硬度与脱碳控制 🧪

• 材料：通常采用碳素弹簧钢丝制造，符合 SAE J403/J411 的化学成分要求。
• 硬度：经淬火回火达到规定硬度范围，保证弹性与抗永久变形能力。
• 脱碳限值：按表 3 控制表面脱碳深度。脱碳层会显著降低表面硬度与疲劳寿命，是户外木结构垫圈失效的常见隐患。
• 防腐：户外或电杆用垫圈通常需镀锌或热浸镀锌，并按 ASTM B117 进行盐雾试验验证耐蚀性。

五、试验方法与验收 🛠️

标准规定的核心试验为垫圈扭曲试验（Washer Twist Test，图 1）：将垫圈装入试验装置，施加规定载荷，测量其抵抗扭曲、张开或永久变形的能力。该试验用于验证垫圈的弹性行程与抗压溃性能，是区别于普通平垫圈的关键验收项目。此外，还应按 B18.18.1 进行通用紧固件检验，包括尺寸、外观、硬度与镀层检查。

六、工程实践要点 🛠️

• 🔍 选型：先按螺栓公称直径选定内径，再按木材种类（软木/硬木）与厚度选择标准或加长行程系列。
• 🔧 安装：垫圈应平贴木构件表面，螺栓垂直拧入，避免斜向受力导致垫圈单边压溃。
• 📊 预紧控制：木结构连接宜采用扭矩控制或拉力控制，避免过拧压溃木材；必要时使用带限位垫圈的组合件。
• 📋 防腐维护：户外结构应定期检查垫圈锈蚀与松动情况，发现严重锈蚀应及时更换。

七、常见问题解答 ❓