螺栓连接是通过螺栓杆内很大的拧紧预拉力把连接板的板件夹紧,足以产生很大的摩擦力,从而提高连接的整体性和刚度,当受剪力时,按照设计和受力要求的不同,可分为螺栓摩擦型连接和螺栓承压型连接两种,两者的本质区别是极限状态不同,虽然是同一种螺栓,但是在计算方法、要求、适用范围等方面都有很大的不同。
什么是高强度螺栓
高强度螺栓(High-Strength Friction Grip Bolt),英文直译为:高强度摩擦预紧螺栓,英文简称:HSFG。可见,我们中文施工中所说的高强度螺栓是高强度摩擦预紧螺栓的简称。在日常沟通中,仅仅是简略了“摩擦(Friction)”“预紧(Grip)”两个词,却造成了许多工程技术人员对高强度螺栓基本定义的理解,产生了误区。
材料等级超过8.8级的螺栓,就是“高强度螺栓”?
高强度螺栓和普通螺栓的核心区别并不在于使用材料的强度,而是受力的形式。本质是是否施加预紧力,并利用静摩擦力抗剪。
实际上在英标规范,美标规范中提到的高强度螺栓(HSFG BOLT)只有8.8级和10.9级两种(BS EN 14399 / ASTM-A325&ASTM-490),而普通螺栓却有包含有4.6,5.6,8.8,10.9,12.9等(BS 3692 11款表2);由此可见,材料强度高低并不是区别高强度螺栓与普通螺栓的关键。
正确理解“高强”,强在何处
按照G017,计算单个普通螺栓(B类)8.8级和高强度螺栓8.8级抗拉及抗剪强度。
通过计算我们可以看到,相同等级的情况下,普通螺栓的抗拉强度和抗剪强度的设计值都要高于高强度螺栓。
那么高强度螺栓,“强”在哪里?
为回答这一个问题,必须从两种螺栓的设计工作状态入手,研究其弹塑性变形的规律,并理解到设计破坏时的极限状态。
普通螺栓和高强度螺栓工作状态下应力应变曲线
设计破坏时的极限状态
普通螺栓:螺杆本身发生超过设计允许的塑性变形,螺杆被剪坏。
普通螺栓连接,开始承受剪力前连接板间就会发生相对滑移,继而螺栓杆和连接板接触,发生弹塑性形变,承受剪力。
膨胀螺栓和化学螺栓
不管是膨胀锚栓还是化学锚栓,均非国标规范中的连接形式,应避免使用这类连接,尤其是重要的连接中。均应采用事先预埋件。
膨胀锚栓主要靠膨胀管的张开与砼产生摩擦力来抗拔的。抗拔力的大小与施工工艺关系较大,人为因素较大,抽检做抗拉实验也没用。
化学锚栓是采用打孔机打孔成型,然后灌入化学浆料,将栓杆放入,以成锚固作用。
膨胀螺栓和化学螺栓,其实都属于锚栓性质。在某些情况下,因为没有事先预埋,就需要用到膨胀螺栓或化学锚栓了。但这种情形应该在设计中努力避免。因为锚栓都应该预埋。例如柱脚锚栓。因为只有这样,才能保证佳的粘接和受力。而且事后打孔,常常会对砼中的受力钢筋以及砼本身造成损伤。
砼规范中,对于预埋在混凝土中的构件,都称之为预埋件。根据文件,膨胀螺栓不得用于幕墙。一般新建工程,严禁采用膨胀锚栓,都应该采用预埋。
紧固高强度螺母的时候需要使用力矩扳手吗?
普通螺栓与高强度螺母的受力性能与计算方法均有所区别的。高强度螺母的受力首先是通过在其内部施加预拉力P,然后在被连接件之间的接触面上产生摩擦阻力来承受外荷载的,而普通螺栓则是直接承受外荷载的。普通螺栓与高强度螺母的受力功能高强度螺母连接具有施工简单、受力性能好、可拆换、耐疲劳、以及在动力荷载作用下不致松动等优点,是很有发展前途的连接方法。
高强度螺母是用特制的扳手上紧螺帽,使螺栓产生巨大而又受控制的预拉力,通过螺帽和垫板,对被连接件也产生了同样大小的预压力。在预压力作用下,沿被连接件表面就会产生较大的摩擦力,显然,只要轴力小于此摩擦力,构件便不会滑移,连接就不会受到破坏,这就是高强度螺母连接的原理。高强度螺母连接是靠连接件接触面间的摩擦力来阻止其相互滑移的,为使接触面有足够的摩擦力,就必须提高构件的夹紧力和构件接触面的摩擦系数。构件间的夹紧力是靠对螺栓施加预拉力来实现的,所以螺栓必须采用高强度钢制造,这也就是称为高强度螺栓连接的原因。
高强度螺栓连接中,摩擦系数的大小对承载力的影响很大。试验表明,摩擦系数主要受接触面的形式和构件的材质影响。为了接触面的摩擦系数,施工时常采用应喷砂、用钢丝刷清理等方法对连接范围内构件接触面进行处理。
普通螺栓与高强度螺栓区别
普通螺栓可重复使用,高强度螺栓不可重复使用。
高强度螺栓一般由高强钢材制成(45号钢(8.8s),20MmTiB(10.9S),是预应力螺栓,摩擦型用扭矩扳手施加规定预应力,承压型拧掉梅花头。普通螺栓一般由普通钢材(Q235)制成,只需拧紧即可。
普通螺栓一般为4.4级、4.8级、5.6级和8.8级。高强度螺栓一般为8.8级和10.9级,其中10.9级居多。
普通螺栓的螺孔不一定比高强度螺栓大。实际上,普通螺栓螺孔比较小。
普通螺栓A、B级螺孔一般只比螺栓大0.3~0.5mm。C级螺孔一般比螺栓大1.0~1.5mm。
摩擦型高强度螺栓靠摩擦力传递荷载,所以螺杆与螺孔之差可达1.5~2.0mm。
承压型高强度螺栓传力特性是保证在正常使用情况下,剪力不超过摩擦力,与摩擦型高强度螺栓相同。当荷载再时,连接板间将发生相对滑移,连接依靠螺杆抗剪和孔壁承压来传力,与普通螺栓相同,所以螺杆与螺孔之差略小些,为1.0~1.5mm。
柱脚锚栓
锚栓没有等级,只有材料之分:Q235和Q345。建筑结构上用锚栓多的就是柱脚锚栓。
柱脚锚栓既不属于普通螺栓也不属于高强度螺栓。严格来说,它不属于螺栓。柱脚锚栓一般采用M20或M24。
柱脚锚栓的制造标准应该同普通螺栓的制造标准。柱脚锚栓埋入的长度应该与其与混凝土之间的摩擦力,还有就是锚栓的形式有关。
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