第六章 高強度螺栓連接-典尚設(shè)計

第六章 高強度螺栓連接6.1 高強度螺栓的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)今，高強度螺栓（HTB-high tenson bolt）連接是鋼結(jié)構(gòu)工地接頭最廣泛應(yīng)用的一種連接方法。大約在20世紀(jì)30年代，英國C. Batho等人就開始研究HTB，當(dāng)時的目的是用HTB更換個別損壞的鉚釘。美國于40年代首先把HTB用于鋼橋的工地連接，開始用1個A325 HTB(b=800MPa)代替1個鉚釘，1960年制定了A325HTB標(biāo)準(zhǔn)，1964年制定了A490HTB(b=1100MPa)標(biāo)準(zhǔn)。德國從1953年開始研究HTB，并應(yīng)用于鋼橋，1974年制定了DAST010標(biāo)準(zhǔn)。1971年歐洲制定了統(tǒng)一的“歐洲高強度螺使用準(zhǔn)則”。同期，英國也制定了自己的HTB標(biāo)準(zhǔn)。前蘇聯(lián)在50年代把HTB用于橋梁，并制定了相應(yīng)的HTB國家標(biāo)準(zhǔn)。日本1954年把HTB用于橋梁，1964年制定了JIS標(biāo)準(zhǔn)，包括F9T、F10T和F11T三種強度級別，F(xiàn)13THTB（相當(dāng)于b=1300MPa）因延遲斷裂嚴(yán)重而被取消使用。我國于50年代由徐承爌研究員等人開始研究HTB，1960年用于鐵路橋梁，60年代后期在成都昆明鐵路上全面推廣栓焊鋼梁，總用鋼量30000余噸，自此以后，栓焊鋼梁取代了鉚接鋼梁。1976年HTB納入鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范，1984年制定了“鋼結(jié)構(gòu)用高強度大六角螺栓、大六角螺母、墊圈與技術(shù)條件”國家標(biāo)準(zhǔn)，1991年作了局部修改。HTB分為8.8S和10.9S兩種強度級別（相當(dāng)于極限限強度900 MPa和1100 MPa），螺栓直徑為M12M30。6.2 高強度螺栓的材料、制造及性能6.2.1 材料高強度螺栓連接副由螺栓、螺母和墊圈組成，加工成形后需經(jīng)調(diào)質(zhì)處理（淬火回火）才能達到所要求的力學(xué)性能。因此對材質(zhì)有以下要求：具有較好的調(diào)質(zhì)處理特性，鋼材經(jīng)淬火、回火處理后能達到所要求的力學(xué)性能。容易加工、成型，價格便宜。在較高拉力作用下具有抗延遲斷裂性。具有較好的抗沖擊性。高強度螺栓材質(zhì)一般采用在中碳鋼或低碳鋼中添加Mn、Cr、Mo、B、V、Ti等元素的合金鋼。螺母或墊圈多采用中碳鋼或Mn鋼。表6.2.1為我國高強螺栓、螺母和墊圈采用鋼材。其中，20MnTiB鋼和35VB鋼的特點如下：20MnTiB鋼由于含碳量低，具有較好的冷加工性能，但較大直徑螺栓時淬透性稍差。35VB鋼淬透性稍好，水介質(zhì)淬火時脆性傾向性低，淬透性較好。但因含碳量較高，冷加工性稍差。表6.2.1 我國螺栓、螺母、墊圈的推薦材料類別性能等級材料標(biāo)準(zhǔn)適用規(guī)格螺栓10.9S20MnTiB35VBGB3077M24M27M308.8S40B4535GB 3077GB699G699M 24M 22M20螺母10H45,3515MVBGB699GB30778H35GB699墊圈RHC35-4545,35GB699表6.2.2 35VB鋼化學(xué)成分（）CMnSiPSVBCu0.31-0.370.50-0.900.17-0.370.040.040.05-0.120.001-0.0040.25表6.2.3 35VB鋼熱處理后的力學(xué)性能（25mm試棒）熱處理制度b（MPa）s（MPa）5(%)(%)Akv(常溫)5/cm2淬火溫度870c水冷回火溫度550c水冷784.5637.4124568.6表6.2.4 其他鋼材化學(xué)成分（）鋼種CSiMnPSTiBV20MnTiB0.17-0.240.17-0.371.3-1.60.350.350.04-0.100.0005-0.0035/40B0.37-0.440.17-0.370.6-0.90.350.35/0.0005-0.0035/15MnVB0.12-0.180.17-0.370.9-1.20.350.35/0.0005-0.00350.05-0.12450.42-0.500.17-0.370.5-0.80.350.35/350.32-0.390.17-0.370.5-0.80.350.35/6.2.2 高強度螺栓制造6.2.2.1 螺栓螺栓通常用盤條圓鋼經(jīng)拔絲（使直徑均勻）切斷頭部成形滾絲熱處理表面處理等工藝制成。（1） 栓頭成形較小栓徑（24mm）時，螺栓成形往往采用冷加工方法，即栓頭鐓粗、切成6個角、螺絲部分縮徑、滾絲等均由一臺機器完成，當(dāng)螺栓直徑再大時，由于冷加工能力有限，需采用熱加工成形。冷加工生產(chǎn)效率高，經(jīng)濟性好，但需選用低碳合金鋼。（2） 螺栓螺紋成形有機械切削和滾絲兩種方法，滾絲法有以下優(yōu)點： 螺紋精度高，加工面良好，扭矩法施工時，可降低扭矩系數(shù)。 疲勞強度高。 生產(chǎn)效率高，經(jīng)濟。（3） 熱處理螺栓需經(jīng)熱處理，提高強度。6.2.2.2 螺母 螺母可采用熱壓法或冷壓法成形，調(diào)質(zhì)處理后攻絲制成。由于螺母厚度較大，通常采用熱壓法成形。6.2.2.3 墊圈 墊圈可采用扁鋼冷沖孔后，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理制成。6.2.2.4 表面處理 采用扭矩法擰緊HTB時，要求扭矩系數(shù)小且均勻（離散性?。柽M行表面處理，通常采用磷酸鋅處理，使螺紋間和支壓面在高壓力情況下有很好的滑動效果，且標(biāo)準(zhǔn)偏差小。同時，具有1年左右的防腐性能。6.2.3 摩擦型HTB的形狀尺寸（1） 螺栓表6.2.5 摩擦型HTB的形狀尺寸（mm） (GB/T1228-91)螺栓規(guī)格M20M22M24M27M30d2022242730dw(min)31.433.338.042.846.5k12.514151718.7s33-3435-3640-4145-4649-50e(min)37.2939.5545.2050.8555.37r(min)1.51.51.52.02.0P(螺紋距)2.52.53.03.03.5c0.4-0.8 注：L-螺栓長度，L100mm，每5mm劃分一級，L100mm，每10mm劃分一級。（2） 螺母表6.2.6 螺母的形狀尺寸（mm） (GB/T1229-91)螺母規(guī)格M20M22M24M27M30da20-21.622-23.824-25.927-29.130-32.4dw 31.433.338.042.846.5m19.4-20.722.3-23.622.9-24.226.3-27.629.1-30.7e(min)37.339.645.250.955.4s33-3435-3640-4145-4649-50P(螺紋距)2.52.53.03.03.5c0.4-0.8（3） 墊圈表6.2.7 墊圈形狀尺寸（mm） （GB/T1230-91）墊圈規(guī)格2022242730d121.0-21.523.0-23.525.0-25.528.0-28.531.0-31.6d238.4-40.040.4-42.045.0-47.050.1-52.054.1-56.0d324.3-25.126.3-27.128.3-29.132.8-33.635.8-36.6s3.5-4.84.5-5.84.5-5.84.5-5.84.5-5.86.2.4高強度螺栓力學(xué)性能我國高強度螺栓、螺母、墊圈的力學(xué)性能如下（GB/T1231-91）：(1)螺栓表6.2.8HTB的力學(xué)性能性能等級b(MPa)0.2(MPa)5()()Ak(J/cm2)10.951040-12409401042598.85830-1030660124578表6.2.9HTB楔負(fù)載試驗（10斜圈）的拉力值范圍HTB規(guī)格M20M22M24M27M30名義截面（mm2）245303353459561拉力（kN）10.95255-304315-376367-438477-569583-6968.85203-252251-312293-364381-473466-578（2）螺母螺栓受拉時，檢驗螺母的螺紋不脫絲扣的保證荷載和表面硬度見表6.2.10和表6.2.11。表6.2.10螺母的保證荷載HTB規(guī)格M20M22M24M27M30保證荷載（kN）10H2553153674775838H203251293381466表6.2.11螺母表面硬度螺母等級洛氏硬度維氏硬度minmaxminmax10HHRB98HRC28HV30222HV302748HHRB95HRC22HV30306HV30237(3)墊圈硬度墊圈硬度均為HV30329-436，相當(dāng)于HRC34-45。6.2.5高強度螺栓的延遲斷裂6.2.5.1概述延遲斷裂是鋼材在靜拉力作用下，經(jīng)過一段時間后，不出現(xiàn)任何塑性變形而發(fā)生的脆性破壞現(xiàn)象。一般發(fā)生在抗拉強度大于1200-1300MPa的鋼材并有應(yīng)力集中處，強度越高，發(fā)生的可能性越大。鋼材在拉力作用下的破壞一般有韌性破壞、脆性破壞和疲勞破壞，特征如下：韌性破壞又稱延性破壞，即在拉力荷載作用下發(fā)生塑性變形的、充分延伸后而發(fā)生的破壞現(xiàn)象。脆性破壞在拉力并伴隨沖擊時而出現(xiàn)的突然破壞現(xiàn)象，無明顯塑性變形，環(huán)境溫度較低的情況下易產(chǎn)生脆性破壞。疲勞破壞在循環(huán)拉荷載或拉壓荷載作用下，經(jīng)過裂紋萌生、緩慢擴展和失穩(wěn)擴展而破壞。由此可見，延遲斷裂破壞是不同于上述三種破壞現(xiàn)象的另外一種破壞形式。它與疲勞破壞的S-N曲線有相似的特征，需經(jīng)過一定的時間，無明顯塑性變形，并有延遲斷裂破壞門檻值（即拉應(yīng)力低于該值時不產(chǎn)生延遲斷裂），所以，延遲斷裂破壞又稱“靜疲勞”破壞。圖6.2.1 延遲斷裂破壞強度與時間關(guān)系6.2.5.2影響延遲斷裂的的因素影響延遲斷裂的原因至今仍有許多不清楚的地方，一般情況下主要有：（1）環(huán)境腐蝕介質(zhì)環(huán)境下，負(fù)載鋼材因電化腐蝕作用引發(fā)的裂紋稱應(yīng)力腐蝕裂紋。雨天施工時殘留在栓孔內(nèi)的水氣是導(dǎo)致螺栓延遲斷裂的原因之一。與脆性斷裂相反，溫度較高時延遲斷裂的敏感性越大，1500MPa鋼材80C下的延遲斷裂是25C下的30倍。(2)應(yīng)力水平 應(yīng)力水平越高延遲斷裂的敏感性越大，應(yīng)力集中越大延遲斷裂越敏感。螺栓延遲斷裂一般發(fā)生在螺紋缺口、螺桿根部應(yīng)力集中較大的位置。（3）鋼材強度對于調(diào)質(zhì)處理（淬火回火）的HTB，圖6.2.2表示各種鋼材抗拉強度與延遲斷裂破壞強度（水中100小時）之間的關(guān)系；由該圖可見，當(dāng)b500MPa比3mm時加填板，對抗滑承載力幾乎沒有影響。長排螺栓連接情況下，影響更小。圖6.3.2 對接連接有板厚差時的摩阻力降低率 過大孔的影響雖然制造規(guī)范中規(guī)定了栓徑和孔徑的公差及孔徑精度，但在現(xiàn)場安裝中難免有錯孔等個別情況，為此進行了許多過大孔或橢圓孔對抗滑承載力的影響。筆者做過栓徑和孔徑之差為2.0、4.0、6.0mm的靜載和疲勞試驗，對抗滑承載和疲勞強度均沒有影響。日本學(xué)者用M22HTB做過徑差1.5、3.0、4.5、6.0mm，甚至8.0、13.0mm的試驗，以及橢圓孔（長短徑差為18mm，分別布置在垂直和平行于受力方向）的靜載試驗，均認(rèn)為沒有什么影響。美國學(xué)者試驗表明，6mm以下徑差沒有影響，超過6mm則有影響。但設(shè)計時應(yīng)注意，過大孔徑將削弱構(gòu)件靜載面積，特別是受拉接頭時應(yīng)予慎重對待。溫度的影響正常情況下，摩擦型連接有很寬廣的溫度適應(yīng)范圍，但在300C400C時，抗滑承載力約降低2030，500C時約降低2050。6.3.1.4 摩擦型連接設(shè)計考慮要素 （1）關(guān)于拼接強度摩擦型連接設(shè)計應(yīng)充分保證連接處的抗滑承載力和剛度（不滑移）。一般情況下，拼接板的有效截面約為主構(gòu)件有效截面的1.051.10倍。按栓接抗滑承載力與主構(gòu)件達到屈服時承載力大體相等來計算所需HTB數(shù)量。 （2）關(guān)于主構(gòu)件有效截面積構(gòu)件有效面積考慮如下：當(dāng)主荷載引起主構(gòu)件的應(yīng)力小于材料的基準(zhǔn)容許應(yīng)力時，由接觸面間的摩擦來傳力，栓孔削弱構(gòu)件截面的影響不明顯，拉桿和壓桿都可以考慮不削弱栓孔的毛截面積作為有效截面積。當(dāng)外荷載增大時（如最不利荷載組合時），受拉構(gòu)件與受壓構(gòu)件受力行為則有明顯區(qū)別。受拉構(gòu)件當(dāng)拉力接近材料屈服應(yīng)力時，因泊桑比的影響，凈截面積處板厚減薄，螺栓軸力降低，隨之抗滑力降低，有導(dǎo)致連接滑動的危險。所以受拉構(gòu)件應(yīng)按凈截面設(shè)計。受壓構(gòu)件受壓構(gòu)件中，泊桑比的影響與受拉構(gòu)件恰恰相反，板厚增大，螺栓軸力增加，抗滑力也隨之增大。所以受壓構(gòu)件應(yīng)按毛截面設(shè)計。這種情況下，為確保結(jié)構(gòu)在地震荷載下有足夠的延性，凈截面積An和毛截面積Ag之比應(yīng)大于材料屈服應(yīng)力s與抗拉強度b之比。An/Ags/b (6.3.5)(3)關(guān)于翼緣用焊接、腹板用栓接的接頭通常情況下，先用拼裝沖釘臨時連接，然后焊接，最后終擰螺栓。若先終擰螺栓，后焊接。由于焊縫冷卻收縮使栓接處承受軸向應(yīng)力，使栓接抗滑承載力有所降低，設(shè)計時需考慮一定的富余量。6.3.1.5 摩擦型連接的應(yīng)力分布圖 6.3.3 摩擦型連接的應(yīng)力分布圖6.3.3表示承受軸向荷載對接拼接摩擦型連接中主板和拼接板的應(yīng)力分布。第排螺栓處主板應(yīng)力最大，最后一排螺栓處應(yīng)力最小，拼接板上的應(yīng)力與主板相反，在接頭中線處，主板應(yīng)力全部傳給拼接板。隨著外力增加，第排螺栓處產(chǎn)生微滑移，第排螺栓以后處的主板應(yīng)力隨之增加，直至各排螺栓處的應(yīng)力大體相同時，發(fā)生整體滑動。6.3.2 承壓型連接承壓型連接是用HTB夾緊被連接件，產(chǎn)生摩擦力，同時由栓軸的承剪力和連接板孔壁的承壓力來共同傳遞應(yīng)力的一種連接形式。這種連接形式可分為二類： （1）當(dāng)孔徑大于螺栓軸徑即栓軸與栓孔之間存在縫隙時，在平常荷載下，由摩擦力承載，在大地震等特殊荷載下，由摩擦力與栓軸承剪和孔壁承壓共同承載，其承載力比單純由摩擦力承載提高1.5倍。但是，當(dāng)連接克服摩擦力而滑動后，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生永久變形，這是橋梁不能接受的。實際上，這類連接與摩擦型連接的受力特性是完全一致的，見圖6.3.4。圖6.3.4 有間隙承壓型連接的荷載(P)變形()的關(guān)系（2）打入式高強度螺栓連接這類連接基于栓軸與栓孔之間沒有間隙，不會產(chǎn)生滑動，由摩擦力與螺栓軸承剪和連接板孔壁承壓共同傳遞應(yīng)力，所以連接的承載力很高。但是，這種連接的高強度螺栓不能象摩擦型連接那樣可以自由穿入，需要用打入方式穿入。這就要求構(gòu)件和拼接板的制孔精度高，拼裝時過孔精度高，HTB施工時需打入螺栓等，施工中難以做到，橋梁幾乎沒有采用。6.3.3 承拉型連接6.3.3.1承拉型連接型式作用在連接上的拉力與栓軸同方向時稱為承拉型連接。橋梁上常用的有法蘭盤連接、縱橫梁連接、橫梁與主梁（主桁）連接、聯(lián)結(jié)系與主梁的連接，鋼塔柱節(jié)段間的連接等。 a）圓管法蘭盤接頭 b）構(gòu)件法蘭盤接頭 c）橫梁與主梁連接 d）縱橫梁連接 e）聯(lián)結(jié)系與主桁連接 f）鋼塔柱節(jié)段間長螺栓連接 g）T型連接 h）帶加緊肋的T型連接圖6.3.5 承拉型HTB連接的類型圖中，a)、b)、g)、h)的HTB連接僅承受軸向拉力，c）、d)、e)的HTB連接承受軸向拉力和剪力，這些均為短螺栓連接。f)為長螺栓連接，主要用于鋼構(gòu)件之間的軸向連接、鋼構(gòu)件與混凝土結(jié)構(gòu)之間的錨固連接等。6.3.3.2 承拉型連接的受力分析承拉型連接是用HTB夾緊連接板，使連接板間產(chǎn)生很大的壓力，當(dāng)構(gòu)件承受軸向拉力時，由連接板壓力的減低來傳遞外力，然而，螺栓的軸力因連接的受力狀態(tài)、連接板的剛度、螺栓的長度等而有很大的不同。（1）T型受拉連接杠桿反力如圖6.3.6所示，因為外力作用線與螺栓位置的偏心，由于連接板的彈性變形，連接板兩端產(chǎn)生向上的反力R，稱為杠桿作用。螺栓的軸力為：N=P+R=(1+)P (6.3.6)式中 R/P杠桿反力系數(shù) 圖6.3.6 杠桿作用 圖6.3.7 連接板的彎矩假定連接板為受彎梁，由力的平衡條件可求其彎矩圖（見圖6.3.7）Ma=Rx (6.3.7)Mb=Pb-Rx (6.3.8)由此可估算連接板的抗彎，并估算杠桿的反力R。螺栓軸力受拉T型連接的HTB軸力如圖6.3.8所示。圖6.3.8 T型受拉連接的螺栓軸力的變化（2）帶有加勁肋的T型受拉連接 因剛度較大，可不考慮杠桿反力。（3）長螺栓連接這里以鋼塔節(jié)段之間連接的長螺栓為例作一介紹。鋼塔是受壓構(gòu)件，但在水平向強風(fēng)和地震荷載作用時，會引起附加軸向拉力，長螺栓的預(yù)緊力應(yīng)確保塔柱節(jié)段端部接觸面在附加彎矩作用下不產(chǎn)生脫離。若接觸面脫離后，張拉螺栓的軸力（預(yù)緊力）與外力（拉力）相等，另外，螺栓的延伸剛度比連接的加勁肋剛度小也是應(yīng)予考慮的因素，而T型受拉連接的杠桿反力可略去不計，基于此，螺栓軸力可按下式計算。Nd+Pt3mm時，需設(shè)填板。（2）不得采用二塊填板重疊。（3）填板材料可采用一般熱軋鋼，不管母材鋼種強度如何。6.5 高強度螺栓施工目前世界各國鋼橋現(xiàn)場HTB施工基本都采用扭矩法。本節(jié)僅對扭矩法施工作一概要介紹。6.5.1 高強度螺栓施工作業(yè)流程圖6.5.1表示采用扭矩法擰緊HTB的施工作業(yè)流程圖6.5.1 HTB施工作業(yè)流程6.5.2 施工前的技術(shù)準(zhǔn)備（1）HTB性能復(fù)驗螺栓、螺母、墊圈按GB/T1231-91標(biāo)準(zhǔn)進行外觀、力學(xué)性能及扭矩系數(shù)的復(fù)驗，不合格者應(yīng)由供應(yīng)廠商更換。（2）抗滑動系數(shù)復(fù)驗出廠檢測滑動系數(shù)f0.55。工地抽檢滑動系數(shù)f0.45。（3）結(jié)合面管理接觸面不得有其他涂裝。抗滑涂膜不得有損傷，如有損傷，應(yīng)機械防銹。應(yīng)用砂輪磨去栓孔的飛邊、毛刺。接頭板厚不等時，應(yīng)按以下處理：錯邊量：1mm時，不需處理13mm時，打磨成斜坡（1：3以上）3mm時，加設(shè)填板。（4）設(shè)計軸力和施工軸力的設(shè)定值，及軸力和扳手檢定 表6.5.1 10.9S級HTB的設(shè)計軸力、施工軸力和每批軸力均值的合格判定值螺栓規(guī)格設(shè)計軸力d(KN)施工軸力Pc(KN)每批抽檢軸力均值合格判定值下限值上限值M22200220205225M2423