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(jiǎn)稱：HSFG?？梢?，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(jiǎn)稱。在日常溝通中，僅僅是簡(jiǎn)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)。

      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。

      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)。

     國(guó)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。

  表一  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。

表二  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。

圖一  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。

 表三  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?guó)土木水利工程學(xué)會(huì)所編著的《熱浸鍍鋅鋼橋設(shè)計(jì)施工手冊(cè)》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(duì)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。

圖二  螺栓外觀及尺寸

圖三  ASTM 高強(qiáng)度螺栓之標(biāo)示

圖四  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。

 表五  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。

      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(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。

圖八  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。

 表八  A325 及 A490 螺栓最小預(yù)緊力

表九  JIS 螺栓最小預(yù)緊力

04

• 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(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。

  

  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。

  標(biāo)識(shí)樣式對(duì)比

  

  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(chǎng)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。

  價(jià)格對(duì)比

  高強(qiáng)度螺栓：（M24，L60，8.8級(jí)）

  

  普通螺栓：（M24，L60，8.8級(jí)）

  

  05

  螺栓緊固方法

• 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。

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• 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。

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• 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。

  

  圖 九

  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(zhǎng)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

  圖 十    

  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。