2019-03-13 08:57:28| 來源:admin| 瀏覽量:
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)人員對高強(qiáng)度螺栓基本定義的理解,產(chǎn)生了誤區(qū)。
誤區(qū)一: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。山東地腳螺栓
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)。
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。通常用的 ASTM 高強(qiáng)度螺栓有 A325 及 A490 兩種,具體使用情況如表一所示。
ASTM 高強(qiáng)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(jié)構(gòu)用,如需要時(shí)可以熱浸鍍鋅,耐候鋼材應(yīng)配合使用TYPE3螺栓,采用 TYPE3 螺栓時(shí)設(shè)計(jì)圖上應(yīng)特別標(biāo)明,A325 螺栓的機(jī)械性如表二所示。
ASTM高強(qiáng)度螺栓機(jī)械性能
A490 螺栓的材料強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)可采用 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(guī)格的高強(qiáng)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(fā)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。
JIS F10T圓頭型扭矩控制高強(qiáng)度螺栓
材料強(qiáng)度不同,F(xiàn)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(zhì)因品質(zhì)較不易控制,僅部分制造商有制造生產(chǎn)資質(zhì),其材料強(qiáng)度如表三所示。
JIS 高強(qiáng)度螺栓材料強(qiáng)度
JIS 螺栓直徑以 mm 為單位,一般常用的直徑規(guī)格在 12mm 至 24mm 之間。有過去的熱浸鍍鋅經(jīng)驗(yàn)可知,高強(qiáng)度螺栓在熱浸鍍鋅前處理酸洗過程中會(huì)吸收氫氧,因此會(huì)產(chǎn)生延遲破壞現(xiàn)象,延遲破壞就是高強(qiáng)度螺栓緊固一段時(shí)間后發(fā)生突然斷裂現(xiàn)象,這是因?yàn)榻饘俳Y(jié)晶內(nèi)蓄含的氫氧壓力過大的結(jié)果。
延遲破壞在 F10t 以上之高強(qiáng)度螺栓才會(huì)發(fā)生,F(xiàn)8t 以下不會(huì)發(fā)生,故摩擦結(jié)合所使用的熱浸鍍鋅高強(qiáng)度螺栓只能用 F8t 以下。
因?yàn)橹袊聊舅こ虒W(xué)會(huì)所編著的《熱浸鍍鋅鋼橋設(shè)計(jì)施工手冊》明確標(biāo)明建筑使用 F8t 螺栓、F10 螺帽、F35 的華司組合及鍍鋅試驗(yàn)片的疲勞強(qiáng)度約比黑漆母材低 12kgf/mm2,因此對熱浸鍍鋅的高強(qiáng)度螺母 F8t 應(yīng)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(huì)標(biāo)識(shí)其種類,如圖三及四所示,以方便使用及施工管理。
螺栓外觀及尺寸
ASTM 高強(qiáng)度螺栓之標(biāo)示
JIS 高強(qiáng)度螺栓之標(biāo)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(qiáng)度螺栓組的組合。耐候鋼材應(yīng)該配合耐候型螺栓、螺帽及墊圈使用。
表四 ASTM 高強(qiáng)度螺栓組
注:螺帽除A563-B外,其余皆為重型六角形螺栓。
JIS 高強(qiáng)度螺栓組
另外墊圈可以避免螺栓或螺帽鎖緊過程因旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)端(螺栓頭端或螺帽端)可以降低旋轉(zhuǎn)面的摩擦力。
03螺栓軸拉力-軸向變形曲線
螺栓緊固過程會(huì)先鎖到緊貼狀態(tài),所謂的緊貼狀態(tài)就是使用專用的扳手?jǐn)Q螺栓數(shù)圈是結(jié)合面貼合之緊固狀態(tài)。緊密狀態(tài)下的螺栓內(nèi)已經(jīng)承受了部分預(yù)拉力。
為螺栓自貼緊情況開始,螺栓之軸拉軸向變形的曲線關(guān)系,橫坐標(biāo)為螺帽旋轉(zhuǎn)圈數(shù),等同于軸向變形,縱坐標(biāo)為螺栓拉力,曲線至緊貼狀態(tài)開始呈線性關(guān)系,然后在螺牙處會(huì)先屈服,曲線進(jìn)入非線性階段,緊接著螺牙處產(chǎn)生頸縮而強(qiáng)度開始下降,最后螺牙處斷裂。
螺栓之軸拉力-軸向變形關(guān)系曲線
螺栓受拉力時(shí),臨界斷面發(fā)生在螺牙處,螺牙的最大拉力強(qiáng)度為材料抗拉強(qiáng)度與漲緊力面As的乘積。其中,
=0.75 至 0.79Abn = 每公分螺牙數(shù) d=螺栓標(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)生在螺牙的凹痕處,螺牙的屈服會(huì)發(fā)生在局限在局部區(qū)域,而螺栓的軸向拉變形的關(guān)系曲線并沒明確的在那個(gè)時(shí)間點(diǎn),螺栓在螺牙出屈服時(shí)的載重為 proof load,等于螺栓材料的屈服強(qiáng)度與張力面積的乘積,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%。
所以高強(qiáng)度螺栓在安裝時(shí)需要加一預(yù)緊力 Tb,此預(yù)緊力為螺栓抗拉強(qiáng)度80%表八為 A325 與 A490 螺栓最小預(yù)緊力,表九為 JIS 螺栓最小預(yù)緊力。
A572 螺栓的最小預(yù)拉力約等于其 proof load,A490 螺栓最小預(yù)緊力也很接近其 proof load,實(shí)際施工時(shí)預(yù)拉力會(huì)高出最小預(yù)緊力,因此螺栓在施加預(yù)緊力時(shí)基本上已經(jīng)屈服。
原則上,在不使用螺栓破壞,且不至使螺栓產(chǎn)生永久塑性變形至易產(chǎn)生松弛前提下,螺栓的預(yù)緊力越大越好。
A325 及 A490 螺栓最小預(yù)緊力
JIS 螺栓最小預(yù)緊力
04普通螺栓與高強(qiáng)度螺栓對比
普通螺栓可重復(fù)使用,高強(qiáng)度螺栓不可重復(fù)使用。
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。
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。
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。
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。
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。
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(qiáng)度螺栓(公眾號(hào):泵管家)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。
標(biāo)識(shí)樣式對比
普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓的標(biāo)示是對同等級(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。
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。
05螺栓緊固方法
普通螺栓的緊固程度并無明確規(guī)定,鎖緊時(shí)所施加的力一般只要連接緊密即可。但因鎖緊時(shí)未施加拉力,因此容易出現(xiàn)螺帽松弛脫落現(xiàn)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(nèi)螺帽壓緊以防止兩螺帽同步旋轉(zhuǎn)而松弛。
采用雙螺帽時(shí)內(nèi)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(qiáng)度螺栓不論承載型的或者擦阻型因預(yù)緊后存在張力,此預(yù)緊力引致接觸面正應(yīng)力可產(chǎn)生抗扭轉(zhuǎn)摩擦阻力,因而可使螺帽產(chǎn)生不松脫現(xiàn)象,所以不必附加防脫裝置。
但若是由于特殊用途(例如振動(dòng)機(jī)械或者車體重要結(jié)構(gòu)位置)必須采用特殊夾頭來防止螺帽松動(dòng)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(xì)信息見圖十。
06結(jié)語
高強(qiáng)度螺栓目前在汽車領(lǐng)域使用較為廣泛,主要使用在汽車強(qiáng)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(wěn)定行駛起到無可替代的作用。