从事紧固件这么久,你真的明白高强度螺栓与普通螺栓的区别?

标准件之窗v2019-05-13 04:37:16

高强度螺栓是钢结构施工中最普遍常见的施工内容,所有钢结构工程师都会觉得熟悉得不能再熟悉了。然而事实可能并非如此,今天我们从最基本的概念的入手,带你重新认识高强度螺栓,可能会颠覆你最基本的认识。

一、什么是高强度螺栓

高强度螺栓(High-Strength Friction Grip Bolt),英文直译为:高强度摩擦预紧螺栓,英文简称:HSFG。可见,我们中文施工中所说的高强度螺栓是高强度摩擦预紧螺栓的简称。在日常沟通中,仅仅是简略了“摩擦(Friction)”“预紧(Grip)”两个词,却造成了许多工程技术人员对高强度螺栓基本定义的理解,产生了误区。

误区一:

材料等级超过8.8级的螺栓,就是“高强度螺栓”?

高强度螺栓和普通螺栓的核心区别并不在于使用材料的强度,而是受力的形式。本质是是否施加预紧力,并利用静摩擦力抗剪。(1)*

 

实际上在英标规范,美标规范中提到的高强度螺栓(HSFG BOLT)只有8.8级和10.9级两种(BS EN 14399 / ASTM-A325&ASTM-490),而普通螺栓却有包含有4.65.68.810.912.9等(BS 3692 11款表2);由此可见,材料强度高低并不是区别高强度螺栓与普通螺栓的关键。


二、正确理解“高强”,强在何处

按照GB50017,计算单个普通螺栓(B类)8.8级和高强度螺栓8.8级抗拉及抗剪强度。


通过计算我们可以看到,相同等级的情况下,普通螺栓的抗拉强度和抗剪强度的设计值都要高于高强度螺栓。(2)*

 

那么高强度螺栓,“强”在哪里?

 

为回答这一个问题,必须从两种螺栓的设计工作状态入手,研究其弹塑性变形的规律,并理解到设计破坏时的极限状态。

 

普通螺栓和高强螺栓工作状态下应力应变曲线


设计破坏时的极限状态

普通螺栓:螺杆本身发生超过设计允许的塑性变形,螺杆被剪坏。


普通螺栓连接,开始承受剪力前连接板间就会发生相对滑移,继而螺栓杆和连接板接触,发生弹塑性形变,承受剪力。

 

高强螺栓:有效摩擦面间的静摩擦力被攻克,两块钢板发生相对位移,设计考量上即为破坏。


高强螺栓连接,摩擦力首先承受剪力,当荷载增大到摩擦力不足以抵抗剪力,静摩擦力被攻克,连接板发生相对滑移(极限状态)。但此时虽然破坏,但螺栓杆与连接板发生接触,依然可以利用其本身的弹塑性形变,承受剪力。(3)*

误区二:

高强螺栓的承载能力高于普通螺栓,是为“高强”?

 

由单个螺栓的计算可知,高强度螺栓抗拉和抗剪的设计强度均低于普通螺栓。其高强实质是:正常工作时,节点不允许发生任何相对滑移,即:弹塑性变形小,节点刚度大。

 

可见:在给定设计节点荷载的情况下,用高强度螺栓设计的节点并不一定能节省螺栓使用数量,但是其变形小,刚度大,安全储备高。适合用主梁,等要求节点刚度较大的位置,符合“强节点,弱杆件”的基本抗震设计原理。

高强螺栓之强,并非在于其本身的承载能力设计值,而是表现于其设计节点的刚度大,安全性能高,抗破坏的能力强。

三、高强度螺栓与普通螺栓的对比


普通螺栓和高强螺栓由于其设计的受力原理不同,其在施工检验方法上有极大的区别。


同等级普通螺栓各项机械性能要求均比高强螺栓略高,但高强螺栓较普通螺栓多一项冲击功的验收要求。

 

标识样式对比


普通螺栓和高强度螺栓的标示是对同等级螺栓现场识别的基本方法。由于英美标准中对于高强度螺栓扭矩值计算的取值并不相同,所以识别两种标准的螺栓也有必要。

 

价格对比

 

高强螺栓:(M24L608.8级)


普通螺栓:(M24L608.8级)

可见普通螺栓大约为高强度螺栓价格的70%,结合其验收要求的对比,可以得出,其溢价部分就应该是为了保证材料的冲击功(韧性)性能

四、总结

对于一个看似简单的问题,想要从本质上深入,全面,正确的理解,也并不是一件简单的事情。高强度螺栓和普通螺栓的定义、含义、深意的区别,是我们正确理解,运用高强度螺栓,并进行施工管理的基础前提。

观 点


(1)*:在有些钢结构的书中确实有提出,高强度螺栓是指强度超过8.8级的螺栓。对于这种观点,首先英美标准是不支持的,没有针对某种特定强度等级来界定“强”与“弱”。其次,也并不符合我们工作中提及的“高强度螺栓”。

 

(2)*:为便于对比,此处不考虑复杂螺栓群的受力情况。

 

(3)*:承压型高强度螺栓在设计时也考虑了螺杆的承压受力,将在后面的“高强度螺栓承压型和摩擦型对比“中进行详细介绍。

高强度螺栓,你了解多少?

高强度螺栓在生产上全称叫高强度螺栓连接副,一般不简称为高强度螺栓。


根据安装特点分为:大六角头螺栓和扭剪型螺栓。其中扭剪型只在10.9级中使用。


根据高强度螺栓的性能等级分为:8.8级和10.9级。其中8.8级仅有大六角型高强度螺栓,在标示方法上,小数点前数字表示热处理后的抗拉强度;小数点后的数字表示屈强比即屈服强度实测值与极限抗拉强度实测值之比。8.8级的意思就是螺栓杆的抗拉强度不小于800MPa,屈强比为0.8;10.9级的意思就是螺栓杆的抗拉强度不小于1000MPa,屈强比为0.9。


结构设计中高强度螺栓直径一般有M16/M20/M22/M24/M27/M30,不过M22/M27为第二选择系列,正常情况下选用M16/M20 /M24/M30为主。


高强度螺栓在抗剪设计上根据设计要求分为:高强度螺栓承压型和高强度螺栓摩擦型。


摩擦型的承载能力取决于传力摩擦面的抗滑移系数和摩擦面数量,喷砂(丸)后生赤锈的摩擦系数最高,但从实际操作来看受施工水平影响很大,很多监理单位都提出能否降低标准来确保工程质量。


承压型的承载能力取决于螺栓抗剪能力和栓杆承压能力的最小值。在只有一个连接面的情况下,M16摩擦型抗剪承载力为21.6~45.0kN,而M16承压型抗剪承载力为 39.2~48.6 kN,性能要优于摩擦型。


在安装上,承压型工艺要简单一些,连接面仅需清除油污及浮锈。沿轴杆方向抗拉承载力,在钢结构规范中写的很有意思,摩擦型设计值等于0.8倍预拉力,承压型设计值等于螺杆有效面积乘以材料抗拉强度设计值,看起来似乎有很大区别,实际上两个值基本一致。


在同时承受剪力和杆轴方向拉力时,摩擦型要求是螺栓承受的剪力与受剪承载力之比加上螺杆承受轴力与受拉承载力应力比之和小于1.0,承压型要求是螺栓承受的剪力与受剪承载力之比的平方加上螺杆承受轴力与受拉承载力比的平方之和小于1.0,也就是说在同种荷载组合情况下,相同直径的承压型高强度螺栓在设计上的安全储备要高于摩擦型高强度螺栓的。


考虑到在强震反复作用下,连接摩擦面可能会失效,这时候的抗剪承载力还是要取决于螺栓抗剪能力和板件承压能力,因此抗震规范规定了高强度螺栓极限受剪的承载力计算公式。


尽管承压型在设计数值上占有优势,但由于其属于剪压破坏型式,螺栓孔为类似普通螺栓的孔隙型螺栓孔,在承受荷载作用时的变形远大于摩擦型,所以高强度螺栓承压型主要用于非抗震构件连接、非承受动荷载构件连接、非反复作用构件连接。


这两种型式的正常使用极限状态也是有区别的:


摩擦型连接是指在荷载基本组合作用下连接摩擦面发生相对滑移;


承压型连接是指在荷载标准组合作用下连接件之间发生相对滑移;


普通螺栓


1. 普通螺栓分A、B、C三种。前两种是精制螺栓,较少用。一般说的普通螺栓,均指C级普通螺栓。


2. 在一些临时连接及需拆卸的连接中,常用到C级普通螺栓。建筑结构常用的普通螺栓有M16、M20、M24。某些机械工业粗制螺栓直径可能比较大,用途特殊。

高强度螺栓


3.高强度螺栓的材料与普通螺栓不同。高强度螺栓一般用于永久连接。常用的有M16~M30。超大规格的高强度螺栓性能不稳定,应慎重使用。


4.建筑结构的主构件的螺栓连接,一般均采用高强度螺栓连接。


5.工厂出厂的高强度螺栓并不分承压型还是摩擦型。


6. 究竟是摩擦型高强度螺栓或者是承压型高强度螺栓?实际上是设计计算方法上有区别:


(1) 摩擦型高强度螺栓以板层间出现滑动作为承载能力极限状态。


(2)承压型高强度螺栓以板层间出现滑动作为正常使用极限状态,而以连接破坏作为承载能力极限状态。


7.摩擦型高强度螺栓并不能充分发挥螺栓的潜能。在实际应用中,对十分重要的结构或承受动力荷载的结构,尤其是荷载引起反向应力时,应该用摩擦型高强度螺拴,此时可把未发挥的螺栓潜能作为安全储备。除此以外的地方应采用承压型高强度螺栓连接以降低造价。


普通螺栓与高强螺栓区别


8.普通螺栓可重复使用,高强度螺栓不可重复使用。


9.高强度螺栓一般由高强钢材制成(45号钢(8.8s),20MmTiB(10.9S),是预应力螺栓,摩擦型用扭矩扳手施加规定预应力,承压型拧掉梅花头。普通螺栓一般由普通钢材(Q235)制成,只需拧紧即可。


10.普通螺栓一般为4.4级、4.8级、5.6级和8.8级。高强度螺栓一般为8.8级和10.9级,其中10.9级居多。


11.普通螺栓的螺孔不一定比高强度螺栓大。实际上,普通螺栓螺孔比较小。


12.普通螺栓A、B级螺孔一般只比螺栓大0.3~0.5mm。C级螺孔一般比螺栓大1.0~1.5mm。


13.摩擦型高强度螺栓靠摩擦力传递荷载,所以螺杆与螺孔之差可达1.5~2.0mm。


14.承压型高强度螺栓传力特性是保证在正常使用情况下,剪力不超过摩擦力,与摩擦型高强度螺栓相同。当荷载再增大时,连接板间将发生相对滑移,连接依靠螺杆抗剪和孔壁承压来传力,与普通螺栓相同,所以螺杆与螺孔之差略小些,为1.0~1.5mm。


柱脚锚栓


15. 锚栓没有等级,只有材料之分:Q235和Q345。建筑结构上用锚栓最多的就是柱脚锚栓。


16.柱脚锚栓既不属于普通螺栓也不属于高强度螺栓。严格来说,它不属于螺栓。柱脚锚栓一般采用M20或M24。


17. 柱脚锚栓的制造标准应该同普通螺栓的制造标准。柱脚锚栓埋入的长度应该与其与混凝土之间的摩擦力,还有就是锚栓的形式有关。


膨胀螺栓和化学螺栓


18. 不管是膨胀锚栓还是化学锚栓,均非国标规范中的连接形式,应避免使用这类连接,尤其是重要的连接中。均应采用事先预埋件。


19. 膨胀锚栓主要靠膨胀管的张开与砼产生摩擦力来抗拔的。抗拔力的大小与施工工艺关系较大,人为因素较大,抽检做抗拉实验也没用。


20. 化学锚栓是采用打孔机打孔成型,然后灌入化学浆料,将栓杆放入,以成锚固作用。


21. 膨胀螺栓和化学螺栓,其实都属于锚栓性质。在某些情况下,因为没有事先预埋,就需要用到膨胀螺栓或化学锚栓了。但这种情形应该在设计中努力避免。因为锚栓都应该预埋。例如柱脚锚栓。因为只有这样,才能保证最佳的粘接和受力。而且事后打孔,常常会对砼中的受力钢筋以及砼本身造成损伤。


22. 砼规范中,对于预埋在混凝土中的构件,都称之为预埋件。根据建设部文件,膨胀螺栓不得用于幕墙。一般新建工程,严禁采用膨胀锚栓,都应该采用预埋。