高強度螺栓與普通螺栓誤區
發布時間：2020-07-07
高強度螺栓是鋼結構施工中最普遍常見的施工內容，所有鋼結構工程師都會覺得熟悉得不能再熟悉了。然而事實可能并非如此，今天我們從最基本的概念的入手，帶你重新認識高強度螺栓，可能會顛覆你最基本的認識。
高強度螺栓（High-Strength Friction Grip Bolt），英文直譯為：高強度摩擦預緊螺栓，英文簡稱：HSFG?？梢?，我們中文施工中所說的高強度螺栓是高強度摩擦預緊螺栓的簡稱。在日常溝通中，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度螺栓基本定義的理解，產生了誤區。
高強度螺栓和普通螺栓的核心區別并不在于使用材料的強度，而是受力的形式。本質是是否施加預緊力，并利用靜摩擦力抗剪。
實際上在英標規范，美標規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），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，材料強度高低并不是區別高強度螺栓與普通螺栓的關鍵。
按照GB50017，計算單個普通螺栓（B類）8.8級和高強度螺栓8.8級抗拉及抗剪強度。
通過計算我們可以看到，相同等級的情況下，普通螺栓的抗拉強度和抗剪強度的設計值都要高于高強度螺栓。
為回答這一個問題，必須從兩種螺栓的設計工作狀態入手，研究其彈塑性變形的規律，并理解到設計破壞時的極限狀態。
設計破壞時的極限狀態
普通螺栓：螺桿本身發生超過設計允許的塑性變形，螺桿被剪壞。
普通螺栓連接，開始承受剪力前連接板間就會發生相對滑移，繼而螺栓桿和連接板接觸，發生彈塑性形變，承受剪力。
高強度螺栓：有效摩擦面間的靜摩擦力被攻克，兩塊鋼板發生相對位移，設計考量上即為破壞。
高強度螺栓連接，摩擦力首先承受剪力，當荷載增大到摩擦力不足以抵抗剪力，靜摩擦力被攻克，連接板發生相對滑移（極限狀態）。但此時雖然破壞，但螺栓桿與連接板發生接觸，依然可以利用其本身的彈塑性形變，承受剪力。
誤區二：
高強度螺栓的承載能力高于普通螺栓，是為“高強”？
由單個螺栓的計算可知，高強度螺栓抗拉和抗剪的設計強度均低于普通螺栓。其高強實質是：正常工作時，節點不允許發生任何相對滑移，即：彈塑性變形小，節點剛度大。
可見：在給定設計節點荷載的情況下，用高強度螺栓設計的節點并不一定能節省螺栓使用數量，但是其變形小，剛度大，安全儲備高。適合用主梁，等要求節點剛度較大的位置，符合“強節點，弱桿件”的基本抗震設計原理。
高強度螺栓之強，并非在于其本身的承載能力設計值，而是表現于其設計節點的剛度大，安全性能高，抗破壞的能力強。
普通螺栓和高強度螺栓由于其設計的受力原理不同，其在施工檢驗方法上有極大的區別。
同等級普通螺栓各項機械性能要求均比高強度螺栓略高，但高強度螺栓較普通螺栓多一項沖擊功的驗收要求。
普通螺栓和高強度螺栓的標示是對同等級螺栓現場識別的基本方法。由于英美標準中對于高強度螺栓扭矩值計算的取值并不相同，所以識別兩種標準的螺栓也有必要。
普通螺栓：（M24，L60，8.8級）
可見普通螺栓大約為高強度螺栓價格的70%，結合其驗收要求的對比，可以得出，其溢價部分就應該是為了保證材料的沖擊功（韌性）性能。
對于一個看似簡單的問題，想要從本質上深入，全面，正確的理解，也并不是一件簡單的事情。高強度螺栓和普通螺栓的定義、含義、深意的區別，是我們正確理解，運用高強度螺栓，并進行施工管理的基礎前提。
觀 點
（1）在有些鋼結構的書中確實有提出，高強度螺栓是指強度超過8.8級的螺栓。對于這種觀點，首先英美標準是不支持的，沒有針對某種特定強度等級來界定“強”與“弱”。其次，也并不符合我們工作中提及的“高強度螺栓”。
（2）為便于對比，此處不考慮復雜螺栓群的受力情況。
（3）承壓型高強度螺栓在設計時也考慮了螺桿的承壓受力，將在后面的“高強度螺栓承壓型和摩擦型對比“中進行詳細介紹。
高強度螺栓在生產上全稱叫高強度螺栓連接副，一般不簡稱為高強度螺栓。根據安裝特點分為：大六角頭螺栓和扭剪型螺栓。其中扭剪型只在10.9級中使用。根據高強度螺栓的性能等級分為：8.8級和10.9級。其中8.8級僅有大六角型高強度螺栓，在標示方法上，小數點前數字表示熱處理后的抗拉強度；小數點后的數字表示屈強比即屈服強度實測值與極限抗拉強度實測值之比。8.8級的意思就是螺栓桿的抗拉強度不小于800MPa，屈強比為0.8；10.9級的意思就是螺栓桿的抗拉強度不小于1000MPa，屈強比為0.9。結構設計中高強度螺栓直徑一般有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。高強度螺栓在抗剪設計上根據設計要求分為：高強度螺栓承壓型和高強度螺栓摩擦型。摩擦型的承載能力取決于傳力摩擦面的抗滑移系數和摩擦面數量，噴砂（丸）后生赤銹的摩擦系數最高，但從實際操作來看受施工水平影響很大，很多監理單位都提出能否降低標準來確保工程質量。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，在鋼結構規范中寫的很有意思，摩擦型設計值等于0.8倍預拉力，承壓型設計值等于螺桿有效面積乘以材料抗拉強度設計值，看起來似乎有很大區別，實際上兩個值基本一致。在同時承受剪力和桿軸方向拉力時，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度螺栓在設計上的安全儲備要高于摩擦型高強度螺栓的。考慮到在強震反復作用下，連接摩擦面可能會失效，這時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，因此抗震規范規定了高強度螺栓極限受剪的承載力計算公式。盡管承壓型在設計數值上占有優勢，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，在承受荷載作用時的變形遠大于摩擦型，所以高強度螺栓承壓型主要用于非抗震構件連接、非承受動荷載構件連接、非反復作用構件連接。摩擦型連接是指在荷載基本組合作用下連接摩擦面發生相對滑移；承壓型連接是指在荷載標準組合作用下連接件之間發生相對滑移；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級普通螺栓。2. 在一些臨時連接及需拆卸的連接中，常用到C級普通螺栓。建筑結構常用的普通螺栓有M16、M20、M24。某些機械工業粗制螺栓直徑可能比較大，用途特殊。3.高強度螺栓的材料與普通螺栓不同。高強度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性能不穩定，應慎重使用。4.建筑結構的主構件的螺栓連接，一般均采用高強度螺栓連接。6. 究竟是摩擦型高強度螺栓或者是承壓型高強度螺栓？實際上是設計計算方法上有區別：（1） 摩擦型高強度螺栓以板層間出現滑動作為承載能力極限狀態。（2）承壓型高強度螺栓以板層間出現滑動作為正常使用極限狀態，而以連接破壞作為承載能力極限狀態。7.摩擦型高強度螺栓并不能充分發揮螺栓的潛能。在實際應用中，對十分重要的結構或承受動力荷載的結構，尤其是荷載引起反向應力時，應該用摩擦型高強度螺拴，此時可把未發揮的螺栓潛能作為安全儲備。除此以外的地方應采用承壓型高強度螺栓連接以降低造價。9.高強度螺栓一般由高強鋼材制成（45號鋼(8.8s)，20MmTiB(10.9S)，是預應力螺栓，摩擦型用扭矩扳手施加規定預應力，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、4.8級、5.6級和8.8級。高強度螺栓一般為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，普通螺栓螺孔比較小。12.普通螺栓A、B級螺孔一般只比螺栓大0.3~0.5mm。C級螺孔一般比螺栓大1.0~1.5mm。13.摩擦型高強度螺栓靠摩擦力傳遞荷載，所以螺桿與螺孔之差可達1.5～2.0mm。14.承壓型高強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，與摩擦型高強度螺栓相同。當荷載再增大時，連接板間將發生相對滑移，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，只有材料之分：Q235和Q345。建筑結構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. 柱腳錨栓的制造標準應該同普通螺栓的制造標準。柱腳錨栓埋入的長度應該與其與混凝土之間的摩擦力，還有就是錨栓的形式有關。18. 不管是膨脹錨栓還是化學錨栓，均非國標規范中的連接形式，應避免使用這類連接，尤其是重要的連接中。均應采用事先預埋件。19. 膨脹錨栓主要靠膨脹管的張開與砼產生摩擦力來抗拔的?？拱瘟Φ拇笮∨c施工工藝關系較大，人為因素較大，抽檢做抗拉實驗也沒用。20. 化學錨栓是采用打孔機打孔成型，然后灌入化學漿料，將栓桿放入，以成錨固作用。21. 膨脹螺栓和化學螺栓，其實都屬于錨栓性質。在某些情況下，因為沒有事先預埋，就需要用到膨脹螺栓或化學錨栓了。但這種情形應該在設計中努力避免。因為錨栓都應該預埋。例如柱腳錨栓。因為只有這樣，才能保證最佳的粘接和受力。而且事后打孔，常常會對砼中的受力鋼筋以及砼本身造成損傷。22. 砼規范中，對于預埋在混凝土中的構件，都稱之為預埋件。根據建設部文件，膨脹螺栓不得用于幕墻。一般新建工程，嚴禁采用膨脹錨栓，都應該采用預埋。
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