高強(qiáng)度螺栓與普通螺栓誤區(qū)
發(fā)布時(shí)間：2020-07-07
高強(qiáng)度螺栓是鋼結(jié)構(gòu)施工中最普遍常見的施工內(nèi)容，所有鋼結(jié)構(gòu)工程師都會(huì)覺得熟悉得不能再熟悉了。然而事實(shí)可能并非如此，今天我們從最基本的概念的入手，帶你重新認(rèn)識(shí)高強(qiáng)度螺栓，可能會(huì)顛覆你最基本的認(rèn)識(shí)。
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。可見，我們中文施工中所說的高強(qiáng)度螺栓是高強(qiáng)度摩擦預(yù)緊螺栓的簡稱。在日常溝通中，僅僅是簡略了“摩擦（Friction）”“預(yù)緊（Grip）”兩個(gè)詞，卻造成了許多工程技術(shù)人員對(duì)高強(qiáng)度螺栓基本定義的理解，產(chǎn)生了誤區(qū)。
材料等級(jí)超過8.8級(jí)的螺栓，就是“高強(qiáng)度螺栓”？
高強(qiáng)度螺栓和普通螺栓的核心區(qū)別并不在于使用材料的強(qiáng)度，而是受力的形式。本質(zhì)是是否施加預(yù)緊力，并利用靜摩擦力抗剪。
實(shí)際上在英標(biāo)規(guī)范，美標(biāo)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），而普通螺栓卻有包含有4.6，5.6，8.8，10.9，12.9等（BS 3692 11款表2）；由此可見，材料強(qiáng)度高低并不是區(qū)別高強(qiáng)度螺栓與普通螺栓的關(guān)鍵。
二、正確理解“高強(qiáng)”，強(qiáng)在何處
按照GB50017，計(jì)算單個(gè)普通螺栓（B類）8.8級(jí)和高強(qiáng)度螺栓8.8級(jí)抗拉及抗剪強(qiáng)度。
通過計(jì)算我們可以看到，相同等級(jí)的情況下，普通螺栓的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值都要高于高強(qiáng)度螺栓。
那么高強(qiáng)度螺栓，“強(qiáng)”在哪里？
為回答這一個(gè)問題，必須從兩種螺栓的設(shè)計(jì)工作狀態(tài)入手，研究其彈塑性變形的規(guī)律，并理解到設(shè)計(jì)破壞時(shí)的極限狀態(tài)。
普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓工作狀態(tài)下應(yīng)力應(yīng)變曲線
設(shè)計(jì)破壞時(shí)的極限狀態(tài)
普通螺栓：螺桿本身發(fā)生超過設(shè)計(jì)允許的塑性變形，螺桿被剪壞。
普通螺栓連接，開始承受剪力前連接板間就會(huì)發(fā)生相對(duì)滑移，繼而螺栓桿和連接板接觸，發(fā)生彈塑性形變，承受剪力。
高強(qiáng)度螺栓：有效摩擦面間的靜摩擦力被攻克，兩塊鋼板發(fā)生相對(duì)位移，設(shè)計(jì)考量上即為破壞。
高強(qiáng)度螺栓連接，摩擦力首先承受剪力，當(dāng)荷載增大到摩擦力不足以抵抗剪力，靜摩擦力被攻克，連接板發(fā)生相對(duì)滑移（極限狀態(tài)）。但此時(shí)雖然破壞，但螺栓桿與連接板發(fā)生接觸，依然可以利用其本身的彈塑性形變，承受剪力。
誤區(qū)二：
高強(qiáng)度螺栓的承載能力高于普通螺栓，是為“高強(qiáng)”？
由單個(gè)螺栓的計(jì)算可知，高強(qiáng)度螺栓抗拉和抗剪的設(shè)計(jì)強(qiáng)度均低于普通螺栓。其高強(qiáng)實(shí)質(zhì)是：正常工作時(shí)，節(jié)點(diǎn)不允許發(fā)生任何相對(duì)滑移，即：彈塑性變形小，節(jié)點(diǎn)剛度大。
可見：在給定設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)荷載的情況下，用高強(qiáng)度螺栓設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)并不一定能節(jié)省螺栓使用數(shù)量，但是其變形小，剛度大，安全儲(chǔ)備高。適合用主梁，等要求節(jié)點(diǎn)剛度較大的位置，符合“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱桿件”的基本抗震設(shè)計(jì)原理。
高強(qiáng)度螺栓之強(qiáng)，并非在于其本身的承載能力設(shè)計(jì)值，而是表現(xiàn)于其設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的剛度大，安全性能高，抗破壞的能力強(qiáng)。
三、高強(qiáng)度螺栓與普通螺栓的對(duì)比
普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓由于其設(shè)計(jì)的受力原理不同，其在施工檢驗(yàn)方法上有極大的區(qū)別。
同等級(jí)普通螺栓各項(xiàng)機(jī)械性能要求均比高強(qiáng)度螺栓略高，但高強(qiáng)度螺栓較普通螺栓多一項(xiàng)沖擊功的驗(yàn)收要求。
普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓的標(biāo)示是對(duì)同等級(jí)螺栓現(xiàn)場識(shí)別的基本方法。由于英美標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于高強(qiáng)度螺栓扭矩值計(jì)算的取值并不相同，所以識(shí)別兩種標(biāo)準(zhǔn)的螺栓也有必要。
高強(qiáng)度螺栓：（M24，L60，8.8級(jí)）
普通螺栓：（M24，L60，8.8級(jí)）
可見普通螺栓大約為高強(qiáng)度螺栓價(jià)格的70%，結(jié)合其驗(yàn)收要求的對(duì)比，可以得出，其溢價(jià)部分就應(yīng)該是為了保證材料的沖擊功（韌性）性能。
對(duì)于一個(gè)看似簡單的問題，想要從本質(zhì)上深入，全面，正確的理解，也并不是一件簡單的事情。高強(qiáng)度螺栓和普通螺栓的定義、含義、深意的區(qū)別，是我們正確理解，運(yùn)用高強(qiáng)度螺栓，并進(jìn)行施工管理的基礎(chǔ)前提。
觀 點(diǎn)
（1）在有些鋼結(jié)構(gòu)的書中確實(shí)有提出，高強(qiáng)度螺栓是指強(qiáng)度超過8.8級(jí)的螺栓。對(duì)于這種觀點(diǎn)，首先英美標(biāo)準(zhǔn)是不支持的，沒有針對(duì)某種特定強(qiáng)度等級(jí)來界定“強(qiáng)”與“弱”。其次，也并不符合我們工作中提及的“高強(qiáng)度螺栓”。
（2）為便于對(duì)比，此處不考慮復(fù)雜螺栓群的受力情況。
（3）承壓型高強(qiáng)度螺栓在設(shè)計(jì)時(shí)也考慮了螺桿的承壓受力，將在后面的“高強(qiáng)度螺栓承壓型和摩擦型對(duì)比“中進(jìn)行詳細(xì)介紹。
高強(qiáng)度螺栓在生產(chǎn)上全稱叫高強(qiáng)度螺栓連接副，一般不簡稱為高強(qiáng)度螺栓。根據(jù)安裝特點(diǎn)分為：大六角頭螺栓和扭剪型螺栓。其中扭剪型只在10.9級(jí)中使用。根據(jù)高強(qiáng)度螺栓的性能等級(jí)分為：8.8級(jí)和10.9級(jí)。其中8.8級(jí)僅有大六角型高強(qiáng)度螺栓，在標(biāo)示方法上，小數(shù)點(diǎn)前數(shù)字表示熱處理后的抗拉強(qiáng)度；小數(shù)點(diǎn)后的數(shù)字表示屈強(qiáng)比即屈服強(qiáng)度實(shí)測值與極限抗拉強(qiáng)度實(shí)測值之比。8.8級(jí)的意思就是螺栓桿的抗拉強(qiáng)度不小于800MPa，屈強(qiáng)比為0.8；10.9級(jí)的意思就是螺栓桿的抗拉強(qiáng)度不小于1000MPa，屈強(qiáng)比為0.9。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中高強(qiáng)度螺栓直徑一般有M16/M20/M22/M24/M27/M30，不過M22/M27為第二選擇系列，正常情況下選用M16/M20 /M24/M30為主。高強(qiáng)度螺栓在抗剪設(shè)計(jì)上根據(jù)設(shè)計(jì)要求分為：高強(qiáng)度螺栓承壓型和高強(qiáng)度螺栓摩擦型。摩擦型的承載能力取決于傳力摩擦面的抗滑移系數(shù)和摩擦面數(shù)量，噴砂（丸）后生赤銹的摩擦系數(shù)最高，但從實(shí)際操作來看受施工水平影響很大，很多監(jiān)理單位都提出能否降低標(biāo)準(zhǔn)來確保工程質(zhì)量。承壓型的承載能力取決于螺栓抗剪能力和栓桿承壓能力的最小值。在只有一個(gè)連接面的情況下，M16摩擦型抗剪承載力為21.6~45.0kN，而M16承壓型抗剪承載力為 39.2~48.6 kN，性能要優(yōu)于摩擦型。在安裝上，承壓型工藝要簡單一些，連接面僅需清除油污及浮銹。沿軸桿方向抗拉承載力，在鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中寫的很有意思，摩擦型設(shè)計(jì)值等于0.8倍預(yù)拉力，承壓型設(shè)計(jì)值等于螺桿有效面積乘以材料抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，看起來似乎有很大區(qū)別，實(shí)際上兩個(gè)值基本一致。在同時(shí)承受剪力和桿軸方向拉力時(shí)，摩擦型要求是螺栓承受的剪力與受剪承載力之比加上螺桿承受軸力與受拉承載力應(yīng)力比之和小于1.0，承壓型要求是螺栓承受的剪力與受剪承載力之比的平方加上螺桿承受軸力與受拉承載力比的平方之和小于1.0，也就是說在同種荷載組合情況下，相同直徑的承壓型高強(qiáng)度螺栓在設(shè)計(jì)上的安全儲(chǔ)備要高于摩擦型高強(qiáng)度螺栓的。考慮到在強(qiáng)震反復(fù)作用下，連接摩擦面可能會(huì)失效，這時(shí)候的抗剪承載力還是要取決于螺栓抗剪能力和板件承壓能力，因此抗震規(guī)范規(guī)定了高強(qiáng)度螺栓極限受剪的承載力計(jì)算公式。盡管承壓型在設(shè)計(jì)數(shù)值上占有優(yōu)勢，但由于其屬于剪壓破壞型式，螺栓孔為類似普通螺栓的孔隙型螺栓孔，在承受荷載作用時(shí)的變形遠(yuǎn)大于摩擦型，所以高強(qiáng)度螺栓承壓型主要用于非抗震構(gòu)件連接、非承受動(dòng)荷載構(gòu)件連接、非反復(fù)作用構(gòu)件連接。這兩種型式的正常使用極限狀態(tài)也是有區(qū)別的：摩擦型連接是指在荷載基本組合作用下連接摩擦面發(fā)生相對(duì)滑移；承壓型連接是指在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下連接件之間發(fā)生相對(duì)滑移；1. 普通螺栓分A、B、C三種。前兩種是精制螺栓，較少用。一般說的普通螺栓，均指C級(jí)普通螺栓。2. 在一些臨時(shí)連接及需拆卸的連接中，常用到C級(jí)普通螺栓。建筑結(jié)構(gòu)常用的普通螺栓有M16、M20、M24。某些機(jī)械工業(yè)粗制螺栓直徑可能比較大，用途特殊。3.高強(qiáng)度螺栓的材料與普通螺栓不同。高強(qiáng)度螺栓一般用于永久連接。常用的有M16~M30。超大規(guī)格的高強(qiáng)度螺栓性能不穩(wěn)定，應(yīng)慎重使用。4.建筑結(jié)構(gòu)的主構(gòu)件的螺栓連接，一般均采用高強(qiáng)度螺栓連接。5.工廠出廠的高強(qiáng)度螺栓并不分承壓型還是摩擦型。6. 究竟是摩擦型高強(qiáng)度螺栓或者是承壓型高強(qiáng)度螺栓？實(shí)際上是設(shè)計(jì)計(jì)算方法上有區(qū)別：（1） 摩擦型高強(qiáng)度螺栓以板層間出現(xiàn)滑動(dòng)作為承載能力極限狀態(tài)。（2）承壓型高強(qiáng)度螺栓以板層間出現(xiàn)滑動(dòng)作為正常使用極限狀態(tài)，而以連接破壞作為承載能力極限狀態(tài)。7.摩擦型高強(qiáng)度螺栓并不能充分發(fā)揮螺栓的潛能。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)十分重要的結(jié)構(gòu)或承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)，尤其是荷載引起反向應(yīng)力時(shí)，應(yīng)該用摩擦型高強(qiáng)度螺拴，此時(shí)可把未發(fā)揮的螺栓潛能作為安全儲(chǔ)備。除此以外的地方應(yīng)采用承壓型高強(qiáng)度螺栓連接以降低造價(jià)。8.普通螺栓可重復(fù)使用，高強(qiáng)度螺栓不可重復(fù)使用。9.高強(qiáng)度螺栓一般由高強(qiáng)鋼材制成（45號(hào)鋼(8.8s)，20MmTiB(10.9S)，是預(yù)應(yīng)力螺栓，摩擦型用扭矩扳手施加規(guī)定預(yù)應(yīng)力，承壓型擰掉梅花頭。普通螺栓一般由普通鋼材(Q235)制成，只需擰緊即可。10.普通螺栓一般為4.4級(jí)、4.8級(jí)、5.6級(jí)和8.8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。11.普通螺栓的螺孔不一定比高強(qiáng)度螺栓大。實(shí)際上，普通螺栓螺孔比較小。12.普通螺栓A、B級(jí)螺孔一般只比螺栓大0.3~0.5mm。C級(jí)螺孔一般比螺栓大1.0~1.5mm。13.摩擦型高強(qiáng)度螺栓靠摩擦力傳遞荷載，所以螺桿與螺孔之差可達(dá)1.5～2.0mm。14.承壓型高強(qiáng)度螺栓傳力特性是保證在正常使用情況下，剪力不超過摩擦力，與摩擦型高強(qiáng)度螺栓相同。當(dāng)荷載再增大時(shí)，連接板間將發(fā)生相對(duì)滑移，連接依靠螺桿抗剪和孔壁承壓來傳力，與普通螺栓相同，所以螺桿與螺孔之差略小些，為1.0～1.5mm。15. 錨栓沒有等級(jí)，只有材料之分：Q235和Q345。建筑結(jié)構(gòu)上用錨栓最多的就是柱腳錨栓。16.柱腳錨栓既不屬于普通螺栓也不屬于高強(qiáng)度螺栓。嚴(yán)格來說，它不屬于螺栓。柱腳錨栓一般采用M20或M24。17. 柱腳錨栓的制造標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該同普通螺栓的制造標(biāo)準(zhǔn)。柱腳錨栓埋入的長度應(yīng)該與其與混凝土之間的摩擦力，還有就是錨栓的形式有關(guān)。18. 不管是膨脹錨栓還是化學(xué)錨栓，均非國標(biāo)規(guī)范中的連接形式，應(yīng)避免使用這類連接，尤其是重要的連接中。均應(yīng)采用事先預(yù)埋件。19. 膨脹錨栓主要靠膨脹管的張開與砼產(chǎn)生摩擦力來抗拔的。抗拔力的大小與施工工藝關(guān)系較大，人為因素較大，抽檢做抗拉實(shí)驗(yàn)也沒用。20. 化學(xué)錨栓是采用打孔機(jī)打孔成型，然后灌入化學(xué)漿料，將栓桿放入，以成錨固作用。21. 膨脹螺栓和化學(xué)螺栓，其實(shí)都屬于錨栓性質(zhì)。在某些情況下，因?yàn)闆]有事先預(yù)埋，就需要用到膨脹螺栓或化學(xué)錨栓了。但這種情形應(yīng)該在設(shè)計(jì)中努力避免。因?yàn)殄^栓都應(yīng)該預(yù)埋。例如柱腳錨栓。因?yàn)橹挥羞@樣，才能保證最佳的粘接和受力。而且事后打孔，常常會(huì)對(duì)砼中的受力鋼筋以及砼本身造成損傷。22. 砼規(guī)范中，對(duì)于預(yù)埋在混凝土中的構(gòu)件，都稱之為預(yù)埋件。根據(jù)建設(shè)部文件，膨脹螺栓不得用于幕墻。一般新建工程，嚴(yán)禁采用膨脹錨栓，都應(yīng)該采用預(yù)埋。
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