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

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

誤解1：材料等級超過1：8.8等級螺栓是高強度螺栓？

高強度螺栓與普通螺栓的核心區(qū)別不在于材料的強度，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。

事實上，美國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中提到的高強度螺栓（HSFG BOLT）只有8.8級和10.9級兩種（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，高強度螺栓與普通螺栓的區(qū)別并非關(guān)鍵。

誤區(qū)二:高強度螺栓的承載能力高于普通螺栓，是高強度嗎？

根據(jù)單個螺栓的計算，高強度螺栓的抗拉和剪切設(shè)計強度低于普通螺栓。其高強度本質(zhì)是：在正常工作中，節(jié)點不允許發(fā)生相對滑動，即彈性變形小，節(jié)點剛度大。

可以看出，在給定設(shè)計節(jié)點負荷下，高強度螺栓設(shè)計的節(jié)點不一定能節(jié)省螺栓數(shù)量，但變形小、剛度大、安全儲備高。適用于節(jié)點剛度大的主梁，符合強節(jié)點、弱桿的基本抗震設(shè)計原理。

高強度螺栓的強度不在于其自身的承載設(shè)計值，而在于其設(shè)計節(jié)點剛度大、安全性高、抗破壞性強。

02高強度螺栓規(guī)格

國內(nèi)常用的高強度螺栓分為 ASTM 及 JIS 規(guī)格。通常使用 ASTM 高強度螺栓有 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)計圖紙應(yīng)特別注明，A325 螺栓的機械性如表2所示。

表二 ASTM機械性能高強度螺栓

A490 螺栓的材料強度比 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A490 螺栓。A490 螺栓使用情況如表一所示，材料強度如表二所示。ASTM 高強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圓頭扭矩控制高強度螺栓

材料強度不同，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)，其材料強度如表3所示。

表三 JIS 高強度螺栓材料的強度

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，高強度螺栓在熱浸鍍鋅前的酸洗過程中會吸收氫氧，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，高強度螺栓緊固一段時間后突然斷裂的結(jié)果。

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

中國土木水利工程學(xué)會編制的《熱浸鍍鋅鋼橋設(shè)計施工手冊》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片的疲勞強度約低于黑漆母材 12kgf/mm2，因此，熱浸鍍鋅的高強度螺母 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)是使用一個特殊的扳手來擰緊螺栓的數(shù)圈，這是一個緊固狀態(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，然后線進入非線性階段，然后螺釘收縮，強度開始下降，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，臨界斷面發(fā)生在螺釘上。螺釘?shù)?大張力強度是材料的抗拉強度和張力表面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?，螺釘?shù)那窒抻诰植繀^(qū)域，螺栓軸向拉變形的關(guān)系曲線當(dāng)時不明確，螺栓屈服時的載荷為 proof load，等于螺栓材料的屈服強度和張力面積的乘積，A325 螺栓的 proof load 約為自身抗拉強度的 70%，A490 螺栓的 proof load 約為自身抗拉強度的 80%。

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

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

原則上，螺栓的預(yù)緊力越大越好，不會使螺栓永久塑性變形，不易松弛。

表八 A325 及 A490 螺栓*小預(yù)緊力

表九 JIS 螺栓*小預(yù)緊力

04與高強度螺栓對比

普通螺栓可重復(fù)使用，高強度螺栓不能重復(fù)使用。

高強度螺栓一般由高強度鋼制成(45號鋼)(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、4.8級、5.6級和8.8等級。高強度螺栓一般為8.8級和10.9級，其中10.9級居多。

普通螺栓的螺孔不一定大于高強度螺栓。事實上，普通螺栓的螺孔相對較小。

普通螺栓A、B級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到1.5～2.0mm。

承壓型高強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，與摩擦型高強度螺栓相同。當(dāng)荷載再次增加時，連接板之間會發(fā)生相對滑動。連接取決于螺釘?shù)募羟泻涂妆诘膲毫?，這與普通螺栓相同，因此螺釘與螺釘孔之間的差異略小1.0～1.5mm。

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

同級普通螺栓的機械性能要求略高于高強度螺栓，但高強度螺栓的驗收要求略高于普通螺栓。

對比標(biāo)識樣式

價格對比

高強度螺栓：（M24，L60，8.8級）

普通螺栓：（M24，L60，8.8級）

可以看出，普通螺栓的價格約為高強度螺栓的70%。結(jié)合驗收要求，可以得出結(jié)論，其溢價部分應(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。鎖緊時施加的力一般只需連接緊密即可。但由于鎖緊時沒有張力，螺母容易松動脫落。為了防止松動，可以使用彈簧墊圈或雙螺母將內(nèi)螺母壓緊，以防止兩個螺母同步旋轉(zhuǎn)和松動。

使用雙螺母時，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，高強度螺栓，無論是承載型還是阻力型，預(yù)緊后都會有張力。預(yù)緊力引起的接觸面正應(yīng)力會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)摩擦阻力，因此螺母不會松動，因此無需添加防脫裝置。

圖 九

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

圖 十

06結(jié)語

目前，高強度螺栓廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，主要用于汽車強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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