【鋼構知識】高強度螺栓與普通螺栓的區别(bié)？

鋼結(jié)構設計

高強度螺栓是(shì)鋼結構(gòu)施工中最普遍常見的(de)施工内容，所有鋼結構(gòu)工程師都會覺得(dé)熟悉得不能(néng)再熟悉了。然而事(shì)實可能并(bìng)非如此，今(jīn)天我們從最基(jī)本的概念的入手，帶你重新認識高(gāo)強度螺栓，可能會颠(diān)覆你(nǐ)最基(jī)本的認識(shí)。

▌一、什麽是高強度螺栓

高強度螺栓（High-Strength Friction Grip Bolt），英文直譯爲：高強度摩擦預緊螺(luó)栓，英(yīng)文簡稱：HSFG。可見，我們中文施工中所說的(de)高強度螺(luó)栓是高強度摩擦預緊螺栓的簡稱。在日常溝通中(zhōng)，僅僅是簡略了“摩擦（Friction）”“預緊（Grip）”兩個詞，卻造成了許多工程技術人員對高強(qiáng)度螺栓基本定義的理解，産生(shēng)了誤區。

 

▌誤區一：

材料等級超過(guò)8.8級的螺栓(shuān)，就是“高強度螺栓(shuān)”？

 

高強度螺栓(shuān)和普通螺栓的核心(xīn)區别并不在于使用(yòng)材料的強度，而是受力的形式。本質(zhì)是是否施加預緊力，并利用靜摩擦力抗剪。

實際上在英标規範，美标規(guī)範中提到的高強度螺栓（HSFG BOLT）隻有8.8級和10.9級兩種（BS EN 14399 / ASTM-A325&ASTM-490），而普通螺栓(shuān)卻有包含有4.6，5.6，8.8，10.9，12.9等(děng)（BS 3692 11款表(biǎo)2）；由此可見，材料(liào)強度高低并不是區别高強度螺(luó)栓與普通螺栓(shuān)的關鍵。

▌二、正确理(lǐ)解“高強”，強在何處

 

 

按(àn)照GB50017，計算單個普(pǔ)通螺栓（B類）8.8級和高強度螺栓8.8級抗拉及(jí)抗剪強度。

通過計(jì)算我們可以看到，相同等級的(de)情況下，普通螺栓的抗拉強度和抗剪強度(dù)的設計值都(dōu)要高于高強度螺栓。

 

那麽高強度螺栓，“強”在哪裏？

爲回答這一個問(wèn)題，必須從兩種螺栓(shuān)的設(shè)計工作狀态入手，研究其彈塑性變形的(de)規律，并理解到(dào)設計破壞時的極限狀态(tài)。

 

 

普通(tōng)螺栓和高強度螺栓工(gōng)作狀态下應力應變曲(qǔ)線

設計破壞時的極限狀态(tài)

普通螺栓：螺杆本(běn)身發生超(chāo)過設(shè)計允許的塑性變形，螺杆(gǎn)被剪壞。

普通螺栓連接，開始承受剪力前連接闆間(jiān)就會發生(shēng)相對(duì)滑移，繼而螺栓杆和連接闆接觸，發生彈塑性形變(biàn)，承(chéng)受(shòu)剪力。

高強度螺(luó)栓：有(yǒu)效摩擦面間(jiān)的靜摩擦(cā)力被攻(gōng)克，兩塊鋼闆發生相(xiàng)對位移，設(shè)計考量上即爲破壞。

高強度螺栓連接，摩(mó)擦力首先承受剪力，當荷載增大到(dào)摩擦力不足以(yǐ)抵抗剪力，靜摩擦力被攻克，連(lián)接闆發生相對滑移（極限狀态）。但此時雖然(rán)破壞，但螺栓杆與連接闆發生接觸，依(yī)然可以利用其本身的彈塑性形(xíng)變，承受剪力。

 

▌誤區二：

 

高強度螺栓的承載能力高于普通螺栓，是爲“高強(qiáng)”？

 

由單個螺栓的計算(suàn)可知(zhī)，高強度螺栓抗拉和抗剪的設計強度均低于普通螺栓。其高強(qiáng)實質是：正常(cháng)工作時，節點不允(yǔn)許發生任何相對滑移，即：彈塑性變形小，節點剛度大。

 

可見：在給定設計節點(diǎn)荷載的情況下，用高(gāo)強度螺栓設計的節點并不一定(dìng)能節省螺栓使用(yòng)數量，但是其變(biàn)形小，剛度大，安全儲(chǔ)備高。适合用主(zhǔ)梁，等要求節點(diǎn)剛度(dù)較大的位置，符合“強節點(diǎn)，弱杆件”的(de)基本抗震設計原理。

 

高強度螺栓之強，并非在于其本身的承載(zǎi)能力設(shè)計值，而是表現于其設計(jì)節點的(de)剛(gāng)度大，安全性(xìng)能高，抗破壞的能力強(qiáng)。

 

 

▌三、高(gāo)強度(dù)螺栓與普通螺栓的對比(bǐ)

 

普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓由于其設(shè)計的受力原理不(bú)同(tóng)，其在施工檢驗方法上有極大的區别。

同等級普通螺栓各項(xiàng)機械性能要求均比高強(qiáng)度螺栓略高，但(dàn)高強度螺栓較普通(tōng)螺栓多一項沖擊功的驗收要求。

普通螺栓和高強度(dù)螺栓的标示是對同等級螺栓現場識别的基本(běn)方法。由于英美标準中對于高強度螺栓扭矩值計算(suàn)的取(qǔ)值并不相同，所以識别兩種(zhǒng)标準的螺(luó)栓也(yě)有必要(yào)。

 

價(jià)格對比

高強度螺栓：（M24，L60，8.8級）

普(pǔ)通螺栓：（M24，L60，8.8級）

可見普通螺栓大(dà)約爲高強度螺栓價格的70%，結合其驗(yàn)收(shōu)要求的對比，可以得出，其溢價部分就應該是(shì)爲了(le)保證材料的沖擊功（韌性）性能。

 

▌四、總(zǒng)結

對于一個看似簡單的問題，想要從本質上深入，全面，正确的理解，也(yě)并不(bú)是一件簡單的事情。高強度螺栓和普通螺栓的定(dìng)義、含義、深意的區别，是我們正(zhèng)确理解，運用高強度螺栓，并進行施工管理的基礎前提。

 

觀 點

 

（1）*：在有些鋼結構的書(shū)中确實有(yǒu)提出，高強度螺栓是指強度超過8.8級的螺栓。對于這種觀點，首(shǒu)先英美标準是不支持的，沒(méi)有針對某種特定強度等(děng)級來界定“強”與“弱”。其次，也并不符合我們工作中提及(jí)的“高強度(dù)螺栓”。

 

（2）*：爲便于對比，此處不考慮複雜(zá)螺栓群的受力情況。

 

（3）*：承壓型高強度(dù)螺栓在設計時也考慮了螺杆的承壓受力，将(jiāng)在(zài)後面(miàn)的“高(gāo)強度螺栓承(chéng)壓型和摩擦型(xíng)對比(bǐ)“中進行詳細介紹。

 

高強度螺栓，你了解多少？

 

高強度螺栓(shuān)在生産上全稱叫高強度螺栓連接副，一般不簡稱爲高強度螺栓(shuān)。

根(gēn)據安裝(zhuāng)特點分爲：大六(liù)角頭螺栓和扭剪型螺栓。其(qí)中扭剪型隻在10.9級中使用。

根據高(gāo)強(qiáng)度螺栓的性能等級(jí)分爲(wèi)：8.8級和10.9級。其中8.8級僅(jǐn)有大六角型高強度螺栓，在(zài)标示方法(fǎ)上，小(xiǎo)數(shù)點前數字表示熱處理後的抗拉強度；小數點後的數字表示(shì)屈強比即屈服強度實測值與(yǔ)極限抗拉(lā)強度實測(cè)值之比。8.8級的意思就是螺栓杆的抗拉強度不小(xiǎo)于800MPa，屈強比爲0.8；10.9級的意思就是螺栓杆的抗拉強度不小(xiǎo)于1000MPa，屈強比爲0.9。

結構設計中高強度螺栓(shuān)直徑一般有M16/M20/M22/M24/M27/M30，不過M22/M27爲第二選擇系(xì)列，正常情況下(xià)選用M16/M20 /M24/M30爲主。

高強度螺栓在抗剪設計上(shàng)根據設計要求分爲：高強度(dù)螺栓承壓型和高(gāo)強度螺栓摩(mó)擦型。

摩擦型的(de)承載能力取決(jué)于傳力摩擦(cā)面的抗滑移系數和摩擦面數量，噴砂（丸(wán)）後生赤鏽的摩擦系數最高，但從實際操作來看受施工水平影響很(hěn)大，很多監理單位都(dōu)提(tí)出能否降低标準來确保工程質(zhì)量。

承壓型的承載(zǎi)能力取決于螺栓抗剪能力和栓杆(gǎn)承壓能力的最小(xiǎo)值。在隻有一個連接面的情況下，M16摩(mó)擦型抗剪承載力爲21.6~45.0kN，而M16承壓型抗剪(jiǎn)承載力爲 39.2~48.6 kN，性能(néng)要優于摩擦型。

在安(ān)裝上，承壓型工藝要簡單一些，連接(jiē)面僅需清除油污及浮鏽。沿軸杆方向抗拉承載力，在鋼結構規範中寫(xiě)的很有意思，摩擦型設計值等于0.8倍預拉力，承壓型設計值等于螺(luó)杆有效面積乘(chéng)以材料抗拉強度設計值，看起來似乎有很大(dà)區别，實際(jì)上兩個值基本一緻。

在同時(shí)承受剪力和杆軸方(fāng)向拉力時，摩擦型要求是螺(luó)栓承受的剪力與受剪承載力之比加上螺杆承受軸力與受拉承載力(lì)應力比之和小(xiǎo)于(yú)1.0，承壓型要求是螺栓承受的剪力與受剪承載力(lì)之比的平方加上螺杆(gǎn)承受軸力與受拉(lā)承載力比的平方之和小于1.0，也就是(shì)說在同種荷載組(zǔ)合情況下，相同直(zhí)徑的承壓(yā)型高強度螺栓在設計上(shàng)的安全儲備要高于摩擦型高強度螺栓的。

考(kǎo)慮到在強震反複作用下(xià)，連接摩擦面可能會失效，這時候的抗剪承(chéng)載力還是要取決于螺栓抗(kàng)剪能(néng)力和闆件承壓能力，因此抗震規範規定了高強度螺栓極限受剪(jiǎn)的承載力計算(suàn)公式。

盡管承壓型在設計數值上占有優勢，但(dàn)由于其屬(shǔ)于剪(jiǎn)壓破壞型式，螺栓孔爲類似普(pǔ)通螺(luó)栓的孔隙型螺栓孔，在承受荷載作用時的變形(xíng)遠大于摩擦型，所以高強度螺栓承壓型主要用于非(fēi)抗震構件連接、非承受動荷載構件(jiàn)連(lián)接、非反複作用構件連接。

這(zhè)兩種(zhǒng)型式的正常使用極限狀态也是有(yǒu)區别的：

摩擦型連接是指(zhǐ)在荷載基本組合作用下連接摩擦面發生相(xiàng)對滑移；

 

普通螺栓(shuān)

1. 普通螺栓分A、B、C三種。前兩種是精制(zhì)螺栓，較少用。一般(bān)說的普通螺栓，均指C級普通螺栓(shuān)。

2. 在一(yī)些臨時連接及需拆卸的連接中，常(cháng)用到C級普通螺(luó)栓。建築結構常(cháng)用的普通螺栓有M16、M20、M24。某些機械工(gōng)業粗(cū)制螺栓直徑可能(néng)比較大，用途特殊。

高強(qiáng)度螺栓

3.高強度(dù)螺栓的材料與(yǔ)普通(tōng)螺栓不同。高強度(dù)螺栓一般用于永久連接。常用的有M16~M30。超大規格的高強度螺栓(shuān)性能不穩定(dìng)，應慎重(zhòng)使(shǐ)用。

4.建築結構的主構(gòu)件(jiàn)的螺栓連接，一般均采用高強度螺栓連接。

5.工廠(chǎng)出廠的高強度螺栓并不分承(chéng)壓型還是摩擦型。

6. 究(jiū)竟是摩(mó)擦型高強度(dù)螺栓(shuān)或者是承壓型高強度螺(luó)栓？實際上(shàng)是(shì)設計計算方法上有區别：

（1） 摩擦型高強(qiáng)度螺(luó)栓以闆(pǎn)層間(jiān)出(chū)現滑動作爲承載能力極限狀态。

（2）承壓型高強(qiáng)度螺(luó)栓以闆層間出現滑動作爲正(zhèng)常(cháng)使用極限狀态，而(ér)以連接破壞作爲承載能力極限狀态。

7.摩擦型高強度螺栓并不能充分發揮螺栓(shuān)的潛能。在實際應用中，對十分重(zhòng)要的結構或承受動力荷載(zǎi)的結構，尤其是荷載引起反向應(yīng)力時，應該用摩擦型高強度(dù)螺拴，此時可把未發(fā)揮的螺栓潛能作爲(wèi)安全儲備。除此(cǐ)以外(wài)的地方應采用承(chéng)壓型高強度螺栓(shuān)連接以降(jiàng)低造價。

普通螺栓與高強度螺栓(shuān)區别

8普通螺栓可(kě)重(zhòng)複使用(yòng)，高強度螺栓不(bú)可重複使用。

9.材料上(shàng)：高(gāo)強度螺栓一般由(yóu)高強鋼材制成（45号鋼(8.8s)，20MmTiB(10.9S)，是預應(yīng)力螺栓，摩擦型用扭矩(jǔ)扳手施加規定預應力，承壓型擰掉(diào)梅花頭。普通螺栓一般由(yóu)普通鋼(gāng)材(cái)(Q235)制成，隻需擰緊即可(kě)。

10.強度等級上：普通螺栓一般爲4.4級、4.8級、5.6級和8.8級。高強度螺栓一般(bān)爲8.8級和10.9級，其中10.9級居多。

11.普通螺栓的螺孔不一定比高強度螺栓大。實際上，普通螺(luó)栓螺孔比較小。

12.普通(tōng)螺栓A、B級螺孔一般隻比螺栓大0.3~0.5mm。C級螺孔一般(bān)比螺(luó)栓大1.0~1.5mm。

13.摩擦型(xíng)高強度螺栓靠摩擦力傳(chuán)遞荷載，所以螺杆與螺孔(kǒng)之差可達1.5～2.0mm。

14.承壓型高強度螺栓(shuān)傳力特性是保證在正常使用情(qíng)況下，剪力不超過摩擦(cā)力，與摩擦型高強度螺栓相同。當荷載再增大(dà)時，連接闆(pǎn)間将發(fā)生(shēng)相對滑移，連接依靠螺杆(gǎn)抗剪和孔壁承壓來傳力(lì)，與(yǔ)普通螺栓相同，所以(yǐ)螺杆與螺孔之差略小些，爲(wèi)1.0～1.5mm。

柱腳錨栓

15. 錨栓沒有(yǒu)等級，隻有材料之分：Q235和Q345。建築結構上(shàng)用錨栓最多的就是柱腳(jiǎo)錨(máo)栓。

16.柱腳錨栓既不屬于普通螺栓也不屬于(yú)高強度螺栓。嚴格來說，它不屬于螺栓。柱腳錨栓一般采用M20或M24。

17. 柱腳錨栓的制造标準應該同普通螺栓的制造标準。柱腳錨(máo)栓埋入的長度應該與其與混凝土之間的摩擦力，還有(yǒu)就是錨栓的形式有關。

膨脹螺栓和化學螺栓

18. 不管(guǎn)是膨脹錨栓還是化學錨栓，均非國标規範中的連(lián)接(jiē)形(xíng)式，應避(bì)免使用這類連接，尤其是重要的連接中。均應采用事先(xiān)預埋件(jiàn)。

19. 膨脹錨栓主要靠膨(péng)脹管的張開與砼産(chǎn)生摩擦力(lì)來抗拔的。抗拔力的(de)大小與施工工(gōng)藝關系較大，人爲(wèi)因素(sù)較大，抽檢(jiǎn)做抗拉實驗也沒用。

20. 化學錨栓是采用打(dǎ)孔機打孔成型，然後灌入化學漿料(liào)，将栓杆放入，以成錨(máo)固作用。

21. 膨脹螺栓和化學螺栓，其實都屬于錨栓性質(zhì)。在某些情況下，因爲沒有事先預埋，就需要用到膨脹螺栓或化學錨栓了。但這種情形(xíng)應該在設計中努力避免。因(yīn)爲錨栓都應該預埋。例(lì)如柱腳錨栓。因爲隻(zhī)有這樣，才能保證最佳的(de)粘接和受(shòu)力。而且事後打孔，常(cháng)常會對砼(tóng)中的受力鋼筋以及砼(tóng)本身造成損傷。

 

22. 砼規範中，對(duì)于預埋在混凝土中的(de)構件，都稱之(zhī)爲預埋件。根據建設部文件(jiàn)，膨脹(zhàng)螺栓不得用于幕牆。一般新(xīn)建工程，嚴禁采用膨脹錨栓，都應該采用預埋。

 

-------------------《摘自微(wēi)信公衆号：無錫萬(wàn)千工品》