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高強度螺栓緊固與普通螺栓有什么區別?緊固方法有哪些?

  • 分類:新聞中心
  • 作者:佚名
  • 來源:智能制造資訊網
  • 發布時間:2023-09-13 08:41
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【概要描述】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。

高強度螺栓緊固與普通螺栓有什么區別?緊固方法有哪些?

【概要描述】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。

  • 分類:新聞中心
  • 作者:佚名
  • 來源:智能制造資訊網
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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。

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。

誤區一:材料等級超過8.8級的螺栓,就是“高強度螺栓”?

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。

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。

高強度螺栓規格

國內常用的高強度螺栓分為 ASTM 及 JIS 規格。通常用的 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 高強度螺栓通用情況

A325 螺栓主要成分為 TYPE1 及 TYPE3 兩種,TYPE1 為一般結構用,如需要時可以熱浸鍍鋅,耐候鋼材應配合使用TYPE3螺栓,采用 TYPE3 螺栓時設計圖上應特別標明,A325 螺栓的機械性如表二所示。

表二 ASTM高強度螺栓機械性能

A490 螺栓的材料強度比 A325 高,但是 A490 螺栓不可熱浸鍍鋅。A490 螺栓分為 3 種 TYPE 同樣耐候鋼材配合使用 TYPE3 型螺栓。A325 及 A490 螺栓標準直徑以英尺為單位,以 1/8 英尺為單位增量,且皆介于 1 英尺至 1.5 英尺之間,以 1 英尺左右的直徑較常用。

有些特殊的情況,所需螺栓直徑超過 1.5,此時可采用 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 高強度螺栓的螺頭及螺帽皆為六角形頭,其中螺帽必須為重型六角形螺帽。

JIS規格的高強度螺栓分為六角螺栓頭的 F 系列以及為減輕材料用量及美觀需求而發展之圓螺栓頭之 S 系列(見圖一),圓螺栓頭在安裝后拆卸較困難。

圖一 JIS F10T圓頭型扭矩控制高強度螺栓

材料強度不同,F系列又分為 F8t、F10t 及 F11t 三種,s系列則分成 s8t 及 s10t 二種,其中 F11t 材質因品質較不易控制,僅部分制造商有制造生產資質,其材料強度如表三所示。

表三 JIS 高強度螺栓材料強度

JIS 螺栓直徑以 mm 為單位,一般常用的直徑規格在 12mm 至 24mm 之間。有過去的熱浸鍍鋅經驗可知,高強度螺栓在熱浸鍍鋅前處理酸洗過程中會吸收氫氧,因此會產生延遲破壞現象,延遲破壞就是高強度螺栓緊固一段時間后發生突然斷裂現象,這是因為金屬結晶內蓄含的氫氧壓力過大的結果。

延遲破壞在 F10t 以上之高強度螺栓才會發生,F8t 以下不會發生,故摩擦結合所使用的熱浸鍍鋅高強度螺栓只能用 F8t 以下。

因為中國土木水利工程學會所編著的《熱浸鍍鋅鋼橋設計施工手冊》明確標明建筑使用 F8t 螺栓、F10 螺帽、F35 的華司組合及鍍鋅試驗片的疲勞強度約比黑漆母材低 12kgf/mm2,因此對熱浸鍍鋅的高強度螺母 F8t 應視情況考慮酌增螺栓用量。

螺栓的外觀如圖二所示,螺栓在螺栓頭會標識其種類,如圖三及四所示,以方便使用及施工管理。

圖二 螺栓外觀及尺寸

圖三 ASTM 高強度螺栓之標示

圖四 JIS 高強度螺栓之標示

螺栓需配合螺帽及墊圈使用,螺栓、螺帽加上墊圈組成螺栓組,表四及表五分別為 ASTM 及 JIS 高強度螺栓組的組合。耐候鋼材應該配合耐候型螺栓、螺帽及墊圈使用。

表四 ASTM 高強度螺栓組

注:螺帽除A563-B外,其余皆為重型六角形螺栓。

表五JIS 高強度螺栓組

另外墊圈可以避免螺栓或螺帽鎖緊過程因旋轉而傷及鋼板,亦可分散螺栓頂部壓力過于集中,此外,將墊圈在旋轉端(螺栓頭端或螺帽端)可以降低旋轉面的摩擦力。

3、螺栓軸拉力-軸向變形曲線

螺栓緊固過程會先鎖到緊貼狀態,所謂的緊貼狀態就是使用專用的扳手擰螺栓數圈是結合面貼合之緊固狀態。緊密狀態下的螺栓內已經承受了部分預拉力。

圖八為螺栓自貼緊情況開始,螺栓之軸拉軸向變形的曲線關系,橫坐標為螺帽旋轉圈數,等同于軸向變形,縱坐標為螺栓拉力,曲線至緊貼狀態開始呈線性關系,然后在螺牙處會先屈服,曲線進入非線性階段,緊接著螺牙處產生頸縮而強度開始下降,最后螺牙處斷裂。

圖八 螺栓之軸拉力-軸向變形關系曲線

螺栓受拉力時,臨界斷面發生在螺牙處,螺牙的最大拉力強度為材料抗拉強度與漲緊力面As的乘積

。其中,

=0.75 至 0.79Abn = 每公分螺牙數 d=螺栓標準直徑Ab=螺栓標準斷面積(cm2)=πd/4 材料的屈服發生在螺牙的凹痕處,螺牙的屈服會發生在局限在局部區域,而螺栓的軸向拉變形的關系曲線并沒明確的在那個時間點,螺栓在螺牙出屈服時的載重為 proof load,等于螺栓材料的屈服強度與張力面積的乘積,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%。

所以高強度螺栓在安裝時需要加一預緊力 Tb,此預緊力為螺栓抗拉強度80%表八為 A325 與 A490 螺栓最小預緊力,表九為 JIS 螺栓最小預緊力。

A572 螺栓的最小預拉力約等于其 proof load,A490 螺栓最小預緊力也很接近其 proof load,實際施工時預拉力會高出最小預緊力,因此螺栓在施加預緊力時基本上已經屈服。

原則上,在不使用螺栓破壞,且不至使螺栓產生永久塑性變形至易產生松弛前提下,螺栓的預緊力越大越好。

表八 A325 及 A490 螺栓最小預緊力

表九 JIS 螺栓最小預緊力

4、普通螺栓與高強度螺栓對比

普通螺栓可重復使用,高強度螺栓不可重復使用。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

標識樣式對比

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。

價格對比

高強度螺栓:(M24,L60,8.8級)

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。

5、螺栓緊固方法

普通螺栓的緊固程度并無明確規定,鎖緊時所施加的力一般只要連接緊密即可。但因鎖緊時未施加拉力,因此容易出現螺帽松弛脫落現象,為防止松脫的方法可用彈簧墊圈或采用雙螺帽的方法由外螺帽將內螺帽壓緊以防止兩螺帽同步旋轉而松弛。

采用雙螺帽時內螺帽需使用重型六角螺帽,外螺帽可采用一般螺帽(見圖九),一般高強度螺栓不論承載型的或者擦阻型因預緊后存在張力,此預緊力引致接觸面正應力可產生抗扭轉摩擦阻力,因而可使螺帽產生不松脫現象,所以不必附加防脫裝置。

圖 九

但若是由于特殊用途(例如振動機械或者車體重要結構位置)必須采用特殊夾頭來防止螺帽松動的情況,螺栓的夾頭決定螺栓及螺牙長度或形式,以便用來防止松脫,螺帽夾緊裝置詳細信息見圖十。

圖 十

6、結語

高強度螺栓目前在汽車領域使用較為廣泛,主要使用在汽車強度連接及其重要的部位,像汽車的輪轂等位置,為汽車的安全穩定行駛起到無可替代的作用。

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