高強(qiáng)度螺栓是鋼結(jié)構(gòu)施工中較常見的施工內(nèi)容，所有鋼結(jié)構(gòu)工程師都會(huì)感到熟悉。然而，事實(shí)可能并非如此。今天，我們將從較基本的概念開始，帶您重新理解高強(qiáng)度螺栓，這可能會(huì)逆轉(zhuǎn)您較基本的理解。01 什么是高強(qiáng)度螺栓

高強(qiáng)度螺栓（High-Strength Friction Grip Bolt），英文直譯為：高強(qiáng)度摩擦預(yù)緊螺栓，英文簡稱：HSFG。可以看出，我們在中文施工中所說的高強(qiáng)度螺栓是高強(qiáng)度摩擦預(yù)緊螺栓的縮寫。在日常溝通中，只有摩擦（Friction）”“預(yù)緊（Grip）這兩個(gè)詞引起了許多工程技術(shù)人員對高強(qiáng)度螺栓基本定義的理解和誤解。

誤解1：材料等級(jí)超過1：8.8等級(jí)螺栓是高強(qiáng)度螺栓？

高強(qiáng)度螺栓與普通螺栓的核心區(qū)別不在于材料的強(qiáng)度，而在于應(yīng)力的形式。本質(zhì)是預(yù)緊力是否施加，靜摩擦力是否用于剪切。

事實(shí)上，美國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中提到的高強(qiáng)度螺栓（HSFG BOLT）只有8.8級(jí)和10.9級(jí)兩種（BS EN 14399 / ASTM-A325&ASTM-490），但是普通螺栓包含4.6，5.6，8.8，10.9，12.9等（BS 3692 11表2)；由此可見，高強(qiáng)度螺栓與普通螺栓的區(qū)別并非關(guān)鍵。

誤區(qū)二:高強(qiáng)度螺栓的承載能力高于普通螺栓，是高強(qiáng)度嗎？

根據(jù)單個(gè)螺栓的計(jì)算，高強(qiáng)度螺栓的抗拉和剪切設(shè)計(jì)強(qiáng)度低于普通螺栓。其高強(qiáng)度本質(zhì)是：在正常工作中，節(jié)點(diǎn)不允許發(fā)生相對滑動(dòng)，即彈性變形小，節(jié)點(diǎn)剛度大。

可以看出，在給定設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷下，高強(qiáng)度螺栓設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)不一定能節(jié)省螺栓數(shù)量，但變形小、剛度大、安全儲(chǔ)備高。適用于節(jié)點(diǎn)剛度大的主梁，符合強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱桿的基本抗震設(shè)計(jì)原理。

高強(qiáng)度螺栓的強(qiáng)度不在于其自身的承載設(shè)計(jì)值，而在于其設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)剛度大、安全性高、抗破壞性強(qiáng)。

02高強(qiáng)度螺栓規(guī)格

國內(nèi)常用的高強(qiáng)度螺栓分為 ASTM 及 JIS 規(guī)格。通常使用 ASTM 高強(qiáng)度螺栓有 A325 及 A490 兩種，具體使用情況如表一所示。

表一 ASTM 通用高強(qiáng)度螺栓

A325 螺栓的主要成分是 TYPE1 及 TYPE3 兩種，TYPE1 用于一般結(jié)構(gòu)，必要時(shí)可熱浸鍍鋅，耐候鋼應(yīng)配合使用TYPE3 用于螺栓TYPE3 螺栓設(shè)計(jì)圖紙應(yīng)特別注明，A325 螺栓的機(jī)械性如表2所示。

表二 ASTM機(jī)械性能高強(qiáng)度螺栓

A490 螺栓的材料強(qiáng)度比 A325 高，但 A490 螺栓不得熱浸鍍鋅。A490 螺栓分為 3 TYPE 同樣的耐候鋼也用 TYPE3 型螺栓。A325 及 A490 螺栓的標(biāo)準(zhǔn)直徑以英尺為單位，以 1/8 英尺為單位，均介于 1 英尺至 1.5 英尺之間常用 1 英尺左右的直徑。

在某些特殊情況下，螺栓直徑超過 1.5， 可用于此時(shí)A490 螺栓。A490 螺栓使用情況如表一所示，材料強(qiáng)度如表二所示。ASTM 高強(qiáng)度螺栓的螺頭和螺帽均為六角形，其中螺帽必須為重型六角形螺帽。

JIS高強(qiáng)度螺栓的規(guī)格分為 F 是為減少材料用量和美觀需求而開發(fā)的圓螺栓頭S 系列(見圖1)安裝后很難拆卸圓螺栓頭。

圖一 JIS F10T圓頭扭矩控制高強(qiáng)度螺栓

材料強(qiáng)度不同，F(xiàn)又分為 系列F8t、F10t 及 F11t 三種，s該系列分為 s8t 及 s10t 兩種，其中 F11t 由于質(zhì)量難以控制，只有一些制造商具有制造資質(zhì)，其材料強(qiáng)度如表3所示。

表三 JIS 高強(qiáng)度螺栓材料的強(qiáng)度

JIS 螺栓直徑為 mm 為單位，常用的直徑規(guī)格為 12mm 至 24mm 之間。根據(jù)過去的熱浸鍍鋅經(jīng)驗(yàn)，高強(qiáng)度螺栓在熱浸鍍鋅前的酸洗過程中會(huì)吸收氫氧，導(dǎo)致延遲損壞。延遲損壞是由于金屬結(jié)晶中氫氧壓力過大，高強(qiáng)度螺栓緊固一段時(shí)間后突然斷裂的結(jié)果。

延遲損壞F10t 會(huì)發(fā)生上述高強(qiáng)度螺栓，F(xiàn)8t 以下不會(huì)發(fā)生，所以熱浸鍍鋅高強(qiáng)度螺栓只能使用 F8t 以下。

中國土木水利工程學(xué)會(huì)編制的《熱浸鍍鋅鋼橋設(shè)計(jì)施工手冊》明確規(guī)定建筑使用 F8t 螺栓、F10 螺帽、F35 華司組合和鍍鋅試驗(yàn)片的疲勞強(qiáng)度約低于黑漆母材 12kgf/mm2，因此，熱浸鍍鋅的高強(qiáng)度螺母 F8t 應(yīng)根據(jù)情況考慮增加螺栓用量。

螺栓的外觀如圖2所示，螺栓的類型將在螺栓頭上標(biāo)記，如圖3、4所示，便于使用和施工管理。

螺栓應(yīng)與螺帽和墊圈配合使用。螺栓組由螺栓、螺帽和墊圈組成。表四和表五分別為 ASTM 及 JIS 高強(qiáng)度螺栓組的組合。耐候鋼應(yīng)配合耐候螺栓、螺帽和墊圈。

表四 ASTM 高強(qiáng)度螺栓組

注：螺帽除A563-B其余為重型六角形螺栓。

表五 JIS 高強(qiáng)度螺栓組

此外，墊圈可以避免螺栓或螺母鎖緊過程中因旋轉(zhuǎn)而損壞鋼板，也可以分散螺栓頂部的壓力過于集中。此外，在旋轉(zhuǎn)端（螺栓頭或螺母端）墊圈可以減少旋轉(zhuǎn)表面的摩擦。

03 螺栓軸拉力-軸向變形曲線

螺栓緊固過程將首先鎖定在緊固狀態(tài)，所謂的緊固狀態(tài)是使用一個(gè)特殊的扳手來擰緊螺栓的數(shù)圈，這是一個(gè)緊固狀態(tài)。緊密狀態(tài)下的螺栓已經(jīng)承受了部分預(yù)拉力。

圖8為螺栓自緊固情況開始，螺栓軸拉軸向變形曲線關(guān)系，橫坐標(biāo)為螺帽旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，相當(dāng)于軸向變形，縱坐標(biāo)為螺栓張力，曲線至緊固狀態(tài)開始呈線性關(guān)系，然后線進(jìn)入非線性階段，然后螺釘收縮，強(qiáng)度開始下降，最后螺釘斷裂。

圖8 螺栓的軸拉力-軸向變形關(guān)系曲線

當(dāng)螺栓張力時(shí)，臨界斷面發(fā)生在螺釘上。螺釘?shù)妮^大張力強(qiáng)度是材料的抗拉強(qiáng)度和張力表面As的乘積

其中，

=0.75 至 0.79Ab n = 每厘米螺齒數(shù) d= 螺栓的標(biāo)準(zhǔn)直徑Ab=螺栓標(biāo)準(zhǔn)斷面積（cm2）=πd/4 材料的屈服發(fā)生在螺釘?shù)陌己厶帲葆數(shù)那窒抻诰植繀^(qū)域，螺栓軸向拉變形的關(guān)系曲線當(dāng)時(shí)不明確，螺栓屈服時(shí)的載荷為 proof load，等于螺栓材料的屈服強(qiáng)度和張力面積的乘積，A325 螺栓的 proof load 約為自身抗拉強(qiáng)度的 70%，A490 螺栓的 proof load 約為自身抗拉強(qiáng)度的 80%。

因此，安裝高強(qiáng)度螺栓時(shí)需要增加預(yù)緊力 Tb，這種預(yù)緊力是80%的螺栓抗拉強(qiáng)度表8 A325 與 A490 螺栓較小預(yù)緊力為 JIS 螺栓較小預(yù)緊力。

A572 螺栓的較小預(yù)拉力約等于 proof load，A490 螺栓較小預(yù)緊力也很接近其 proof load，預(yù)拉力在實(shí)際施工中會(huì)高于較小預(yù)緊力，因此螺栓在施加預(yù)緊力時(shí)基本屈服。

原則上，螺栓的預(yù)緊力越大越好，不會(huì)使螺栓永久塑性變形，不易松弛。

表八 A325 及 A490 螺栓較小預(yù)緊力

表九 JIS 螺栓較小預(yù)緊力

04與高強(qiáng)度螺栓對比

普通螺栓可重復(fù)使用，高強(qiáng)度螺栓不能重復(fù)使用。

高強(qiáng)度螺栓一般由高強(qiáng)度鋼制成(45號(hào)鋼)(8.8s)，20MmTiB(10.9S)，它是一種預(yù)應(yīng)力螺栓。摩擦型用扭矩扳手施加規(guī)定的預(yù)應(yīng)力，壓力型擰下梅花頭。普通螺栓一般由普通鋼制成(Q235)制作，只需擰緊即可。

普通螺栓一般為4.4級(jí)、4.8級(jí)、5.6級(jí)和8.8等級(jí)。高強(qiáng)度螺栓一般為8.8級(jí)和10.9級(jí)，其中10.9級(jí)居多。

普通螺栓的螺孔不一定大于高強(qiáng)度螺栓。事實(shí)上，普通螺栓的螺孔相對較小。

普通螺栓A、B級(jí)螺孔一般只比螺栓大0.3~0.5mm。C螺孔一般大于螺栓1.0~1.5mm。

摩擦型高強(qiáng)度螺栓通過摩擦力傳遞載荷，因此螺釘與螺孔之間的差異可以達(dá)到1.5～2.0mm。

承壓型高強(qiáng)度螺栓的傳力特性是保證剪力在正常使用下不超過摩擦力，與摩擦型高強(qiáng)度螺栓相同。當(dāng)荷載再次增加時(shí)，連接板之間會(huì)發(fā)生相對滑動(dòng)。連接取決于螺釘?shù)募羟泻涂妆诘膲毫Γ@與普通螺栓相同，因此螺釘與螺釘孔之間的差異略小1.0～1.5mm。

由于其設(shè)計(jì)受力原理不同，普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓在施工檢驗(yàn)方法上存在很大差異。

同級(jí)普通螺栓的機(jī)械性能要求略高于高強(qiáng)度螺栓，但高強(qiáng)度螺栓的驗(yàn)收要求略高于普通螺栓。

對比標(biāo)識(shí)樣式

價(jià)格對比

高強(qiáng)度螺栓：（M24，L60，8.8級(jí)）

普通螺栓：（M24，L60，8.8級(jí)）

可以看出，普通螺栓的價(jià)格約為高強(qiáng)度螺栓的70%。結(jié)合驗(yàn)收要求，可以得出結(jié)論，其溢價(jià)部分應(yīng)保證材料的沖擊功率（韌性）性能。

05螺栓緊固方法

普通螺栓的緊固程度沒有明確規(guī)定。鎖緊時(shí)施加的力一般只需連接緊密即可。但由于鎖緊時(shí)沒有張力，螺母容易松動(dòng)脫落。為了防止松動(dòng)，可以使用彈簧墊圈或雙螺母將內(nèi)螺母壓緊，以防止兩個(gè)螺母同步旋轉(zhuǎn)和松動(dòng)。

使用雙螺母時(shí)，內(nèi)螺母應(yīng)使用重型六角形螺母，外螺母可使用普通螺母（見圖9）。一般來說，高強(qiáng)度螺栓，無論是承載型還是阻力型，預(yù)緊后都會(huì)有張力。預(yù)緊力引起的接觸面正應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)摩擦阻力，因此螺母不會(huì)松動(dòng)，因此無需添加防脫裝置。

圖 九

但是，由于特殊用途（如振動(dòng)機(jī)械或車身重要結(jié)構(gòu)位置），必須使用特殊夾頭防止螺母松動(dòng)。螺栓夾頭決定螺栓和螺釘?shù)拈L度或形式，以防止松動(dòng)。螺母夾緊裝置的詳細(xì)信息見圖10。

圖 十

06結(jié)語

目前，高強(qiáng)度螺栓廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，主要用于汽車強(qiáng)度連接和汽車輪轂等重要部件，對汽車的安全穩(wěn)定駕駛起著不可替代的作用。

                                                                                                                                                                                               
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