鋼結(jié)構(gòu)螺栓連接

鋼結(jié)構(gòu)螺栓連接螺栓作為鋼結(jié)構(gòu)主要連接緊固件，通常用于鋼結(jié)構(gòu)中構(gòu)件間的連接、固定、定位等，鋼結(jié)構(gòu)中使用的連接螺栓一般分為普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓兩種。普通螺栓連接鋼結(jié)構(gòu)普通螺栓連接即將螺栓、螺母、墊圈機(jī)械地和連接件連接在一起形成的一種連接方式。一般受力較大的結(jié)構(gòu)或承受動荷載的結(jié)構(gòu)，當(dāng)采用普通螺栓連接時，螺栓應(yīng)采用精制螺栓以減小接頭的變形量。精制螺栓連接是一種緊配合連接，即螺栓孔徑和螺栓直徑差一般在0.2?0.5mm，有的要求螺栓孔徑和螺栓直徑相等，施工時需要強(qiáng)行打入。精制螺栓連接加工費用高、施工難度大，工程上已極少使用，逐漸被高強(qiáng)度螺栓連接所替代。（1）普通螺栓種類1）普通螺栓的材性螺栓按照性能等級分3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9十個等級，其中8.8級以上螺栓材質(zhì)為低碳合金鋼或中碳鋼并經(jīng)過熱處理（淬火、回火），通稱為高強(qiáng)度螺栓，8.8級以下（不含8.8級）通稱為普通螺栓。螺栓性能等級標(biāo)號由兩部分?jǐn)?shù)字組成，分別表示螺栓的公稱抗拉強(qiáng)度和材質(zhì)的屈強(qiáng)比。如性能等級分4.6級的螺栓其含義為：第一部分?jǐn)?shù)字（4.6中的“4”）為螺栓材質(zhì)公稱抗拉強(qiáng)度（N/mm2）的1/100；第二部分?jǐn)?shù)字（4.6中的“6”）為螺栓材質(zhì)的屈強(qiáng)比的10倍；兩部分?jǐn)?shù)字的乘積（4X6=“24”）為螺栓材質(zhì)公稱屈服點的（N/mm2）的1/10。2）普通螺栓的規(guī)格普通螺栓按照形式可分為六角頭螺栓、雙頭螺栓、沉頭螺栓等；按制作精度可分為A、B、C級三個等級，A、B級為精制螺栓，C級為粗制螺栓，鋼結(jié)構(gòu)用連接螺栓，除特殊說明外，一般即為普通粗制C級螺栓。3） 螺母鋼結(jié)構(gòu)常用的螺母，其公稱高度h大于或等于0.8D（D為與其相匹配的螺栓直徑）,螺母強(qiáng)度設(shè)計應(yīng)選用與之其相匹配螺栓中最高性能等級的螺栓強(qiáng)度,當(dāng)螺母擰緊到螺栓保證荷載時,必須不發(fā)生螺紋脫扣。螺母性能等級分4、5、6、8、9、10、12等，其中8級（含8級）以上螺母與高強(qiáng)度螺栓匹配，8級以下螺母與高強(qiáng)度螺栓匹配。螺母的螺紋應(yīng)和螺栓相一致，一般應(yīng)為粗牙螺紋（除非特殊說明用細(xì)牙螺紋），螺母的機(jī)械性能主要是螺母的保證應(yīng)力和強(qiáng)度，其值應(yīng)符合GB3098.2的規(guī)定。4） 墊圈常用鋼結(jié)構(gòu)連接的墊圈，按形狀及其使用功能可以分成以下幾類：圓平墊圈——一般放置于緊固螺栓頭及螺母的支承面下面，用以增加螺栓頭及螺母的支承面，同時防止被連接件表面損傷；方型墊圈——一般置于地腳螺栓頭及螺母的支承面下，用以增加支承面及遮蓋較大螺栓孔眼；斜墊圈——主要用于工字鋼、槽鋼翼緣傾斜面的墊平，使螺母支承面垂直于螺桿，避免緊固時造成螺母支承面和被連接的傾斜面局部接觸；彈簧墊圈——防止螺栓擰緊后在動載作用下的振動和松動，依靠墊圈的彈性功能及斜口摩擦面防止螺栓的松動，一般用于有動荷載（振動）或經(jīng)常拆卸的結(jié)構(gòu)連接處。（2）普通螺栓的施工1）一般要求普通螺栓作為永久性連接螺栓時，應(yīng)符合下列要求：對一般的螺栓連接，螺栓頭和螺母下面應(yīng)放置平墊圈，以增大承壓面積。螺栓頭下面放置的墊圈一般不應(yīng)多于2個，螺母頭下的墊圈一般應(yīng)多于1個。對于設(shè)計有要求放松的螺栓、錨固螺栓應(yīng)采用有放松裝置的螺母或彈簧墊圈，或用人工方法采取放松措施。對于承受動荷載或重要部位的螺栓連接，應(yīng)按設(shè)計要求放置彈簧墊圈，彈簧墊圈必須設(shè)置在螺母一側(cè)。對于工字鋼、槽鋼類型鋼應(yīng)盡量使用斜墊圈，使螺母和螺栓頭部的支承面垂直于螺桿。2）螺栓直徑及長度的選擇螺栓直徑：原則上應(yīng)由設(shè)計人員按等強(qiáng)原則通過計算確定，但對一個工程來講，螺栓直徑規(guī)格應(yīng)盡可能少，有的還需要適當(dāng)歸類，便于施工和管理。螺栓長度：通常是指螺栓螺頭內(nèi)側(cè)面到螺桿端頭的長度，一般都是以5mm進(jìn)制；從螺栓的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格上可以看出，螺紋的長度基本不變，顯而易見，影響螺栓長度的因素主要有：被連接件的厚度、螺母高度、墊圈的數(shù)量及厚度等，一般可按下列公式計算：L=5+H+nh+C（6-1）式中5 被連接件總厚度，mm；H——螺母高度，mm,一般為0.8D（D為與其相匹配的螺栓直徑）;n——墊圈個數(shù)；h 墊圈的厚度，mm；C 螺紋外露部分長度（mm）（2?3扣為宜，一般為5mm）。3） 常用螺栓連接形式常用螺栓連接形式主要有：平接連接、搭接連接、T型連接等連接方式。4） 螺栓的布置螺栓的連接接頭中螺栓的排列布置主要有并列和交錯排列兩種形式，螺栓間的間距確定既要考慮連接效果（連接強(qiáng)度和變形），同時要考慮螺栓的施工要求。5） 螺栓孔對于精制螺栓（A、B級螺栓），螺栓孔必須是I類孔，應(yīng)具有H12的精度，孔壁表面粗糙度Ra不應(yīng)大于12.5口m,為保證上述精度要求必須鉆孔成型。對于粗制螺栓（C級螺栓），螺栓孔為II類孔，孔壁表面粗糙度Ra不應(yīng)大于25口m，其允許偏差為：直徑——0?+1.0mm；圓度——2.0mm；垂直度——0.03t且不大于2.0mm（t為連接板的厚度）。6） 螺栓的緊固及其檢驗普通螺栓連接對螺栓緊固軸力沒有要求，因此螺栓的緊固施工以操作者的手感及連接接頭的外形控制為準(zhǔn)，保證被連接接觸面能密貼，無明顯的間隙。螺栓的緊固次序應(yīng)從中間開始，對稱向兩邊進(jìn)行；對大型接頭應(yīng)采用復(fù)擰，即兩次緊固方法，保證接頭內(nèi)各個螺栓能均勻受力。普通螺栓連接螺栓緊固檢驗比較簡單，即用3公斤小錘，一手扶螺栓（或螺母）頭，另一手用錘敲，要求螺栓頭（或螺母）不偏移、不顫動、不松動，錘聲比較干脆，否則說明螺栓緊固質(zhì)量不好，需要重新緊固施工。高強(qiáng)度螺栓連接高強(qiáng)度螺栓連接已經(jīng)發(fā)展成為與焊接并舉的鋼結(jié)構(gòu)主要連接形式之一，它具有受力性能好、耐疲勞、抗震性能好、連接剛度高，施工簡便等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在建筑鋼結(jié)構(gòu)和橋梁鋼結(jié)構(gòu)的工地連接中，成為鋼結(jié)構(gòu)安裝的主要手段之一。高強(qiáng)度螺栓連接按其受力狀況，可分為摩擦型連接、摩擦-承壓型連接、承壓型連接和張拉型連接等幾種類型，其中摩擦型連接是目前廣泛采用的基本連接形式。（1）高強(qiáng)度螺栓種類高強(qiáng)度螺栓從外形上可分為大六角頭和扭剪型兩種；按性能等級可分為8.8級、10.9級、12.9級等，目前我國使用的大六角頭高強(qiáng)度螺栓有8.8級和10.9級兩種，扭剪型高強(qiáng)度螺栓只有10.9級一種。大六角頭高強(qiáng)度螺栓連接副：含一個螺栓、一個螺母、兩個墊圈（螺頭和螺母兩側(cè)各一個墊圈）。螺栓、螺母、墊圈在組成一個連接副時，其性能等級要匹配。扭剪型高強(qiáng)度螺栓連接副：含一個螺栓、一個螺母、一個墊圈。螺栓、螺母、墊圈在組成一個連接副時，其性能等級要匹配。高強(qiáng)度螺栓連接副實物的機(jī)械性能主要包括螺栓的抗拉荷載、螺母的保證荷載、及實物硬度等。對于高強(qiáng)度螺栓連接副，不論是10.9級和8.8級螺栓，所采用的墊圈是一致的，其硬度要求都是HV30329?436（HRC35?45）。（2）高強(qiáng)度螺栓施工1）一般規(guī)定高強(qiáng)度螺栓連接在施工前應(yīng)對連接副實物和磨擦面進(jìn)行檢驗和復(fù)驗，合格后才能進(jìn)入安裝施工。對每一個連接接頭，應(yīng)先用臨時螺栓或沖釘定位，為防止損傷螺紋引起扭矩系數(shù)的變化，嚴(yán)禁把高強(qiáng)度螺栓作為臨時螺栓使用。對一個接頭來說，臨時螺栓和沖釘?shù)臄?shù)量原則上應(yīng)根據(jù)該接頭可能承擔(dān)的荷載計算確定，并應(yīng)符合下列規(guī)定：不得少于安裝螺栓總數(shù)的1/3；不得少于兩個臨時螺栓；沖釘穿入數(shù)量不宜多于臨時螺栓的30%。高強(qiáng)度螺栓的穿入，應(yīng)在結(jié)構(gòu)中心位置調(diào)整后進(jìn)行，其穿入方向應(yīng)以施工方便為準(zhǔn)，力求一致；安裝時要注意墊圈的正反面，即：螺母帶圓臺面的一側(cè)應(yīng)朝向墊圈有倒角的一側(cè)；對于大六角頭高強(qiáng)度螺栓連接副靠近螺頭一側(cè)的墊圈，其有倒角的一側(cè)朝向螺栓頭。高強(qiáng)度螺栓的安裝應(yīng)能自由穿入孔，嚴(yán)禁強(qiáng)行穿入，如不能自由穿入時，該孔應(yīng)用鉸刀進(jìn)行修整，修整后孔的最大直徑應(yīng)小于1.2倍螺栓直徑。修孔時，為了防止鐵屑落入板迭縫中，鉸孔前應(yīng)將四周螺栓全部擰緊，使板迭密貼后再進(jìn)行，嚴(yán)禁氣割擴(kuò)孔。高強(qiáng)度螺栓連接中連接鋼板的孔徑略大于螺栓直徑，并必須采取鉆孔成型方法，鉆孔后的鋼板表面應(yīng)平整、孔邊無飛邊和毛刺，連接板表面應(yīng)無焊接飛濺物、油污等，螺栓孔徑及允許偏差見表6-11。高強(qiáng)度螺栓連接板螺栓孔的孔距及邊距除應(yīng)符合規(guī)范要求外，還應(yīng)考慮專用施工機(jī)具的可操作空間。高強(qiáng)度螺栓在終擰以后，螺栓絲扣外露應(yīng)為2至3扣，其中允許有10%的螺栓絲扣外露1扣或4扣。2）大六角頭高強(qiáng)度螺栓連接施工扭矩法施工：對大六角頭高強(qiáng)度螺栓連接副來說，當(dāng)扭矩系數(shù)k確定之后，由于螺栓的軸力（預(yù)拉力）P是由設(shè)計規(guī)定的，則螺栓應(yīng)施加的扭矩值M就可以根據(jù)公式（6-2）很容易地計算確定，根據(jù)計算確定的施工扭矩值，使用扭矩扳手（手支、電動、風(fēng)動）按施工扭矩值進(jìn)行終擰，這就是扭矩法施工的原理。扭矩值M與軸力（預(yù)拉力）P之間對應(yīng)關(guān)系：M=K?D?P（6—2）式中D 螺栓公稱直徑（mm）；P——螺栓軸力，KN；M——施加于螺母上扭矩值，KN?m；K 扭矩系數(shù)在確定螺栓的軸力P時應(yīng)根據(jù)設(shè)計預(yù)拉力值，一般考慮螺栓的施工預(yù)拉力損失10%，即螺栓施工預(yù)拉力（軸力）P按1.1倍的設(shè)計預(yù)拉力取值。螺栓在儲存和使用過程中扭矩系數(shù)易發(fā)生變化，所以在工地安裝前一般都要進(jìn)行扭矩系數(shù)復(fù)檢，復(fù)檢合格后根據(jù)復(fù)驗結(jié)果確定施工扭矩，并以此安排施工。扭矩系數(shù)試驗用螺栓、螺母、墊圈試樣，應(yīng)從同批螺栓副中隨機(jī)抽取，按批量大小一般取5?10套，試驗狀態(tài)應(yīng)與螺栓使用狀態(tài)相同，試樣不允許重復(fù)使用。扭矩系數(shù)復(fù)驗應(yīng)在國家認(rèn)可的有資質(zhì)的檢測單位進(jìn)行，試驗所用的軸力計和扭矩扳手應(yīng)經(jīng)計量認(rèn)證。在采用扭矩法終擰前，應(yīng)首先進(jìn)行初擰，對螺栓多的大接頭，還需進(jìn)行復(fù)擰。初擰的目的就是使連接接觸面密貼，螺栓“吃上勁”，一般常用規(guī)格螺栓（M20、M22、M24）的初擰扭矩在200-300N?m,螺栓軸力達(dá)到10-50kN即可，在實際操作中，可以讓一個操作工作用普通板手用自己的手力擰緊即可。初擰、復(fù)擰及終擰的次序，一般地講都是從中間向兩邊或四周對稱進(jìn)行，初擰和終擰的螺栓都應(yīng)做不同的標(biāo)記，避免漏擰、超擰等不安全隱患，同時也便于檢查人員檢查緊固質(zhì)量。轉(zhuǎn)角法施工。因扭矩系數(shù)的離散性，特別是螺栓制造質(zhì)量或施工管理不善，扭矩系數(shù)超過標(biāo)準(zhǔn)值（平均值和變異系數(shù)），在這種情況下采用扭矩法施工，即用扭矩值控制螺栓軸力的方法就會出現(xiàn)較大的誤差，欠擰或超擰問題突出。為解決這一問題，引入轉(zhuǎn)角法施工，即利用螺母旋轉(zhuǎn)角度以控制螺桿彈性伸長量來控制螺栓軸向力的方法。試驗結(jié)果表明，螺栓在初擰以后，螺母的旋轉(zhuǎn)角度與螺栓軸向力成對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)螺栓受拉處于彈性范圍內(nèi)，兩者呈線性關(guān)系，因此根據(jù)這一線性關(guān)系，在確定了螺栓的施工預(yù)拉力（一般為1.1倍設(shè)計預(yù)拉力）后，就很容易得到螺母的旋轉(zhuǎn)角度，施工操作人員按照此旋轉(zhuǎn)角度緊固施工，就可以滿足設(shè)計上對螺栓預(yù)拉力的要求，這就是轉(zhuǎn)角法施工的基本原理。高強(qiáng)度螺栓轉(zhuǎn)角法施工分初擰和終擰兩步進(jìn)行（必要時需增加復(fù)擰），初擰的要求比扭矩法施工要嚴(yán)，因為起初連接板間隙的影響，螺母的轉(zhuǎn)角大都消耗于板縫，轉(zhuǎn)角與螺栓軸力關(guān)系極不穩(wěn)定，初擰的目的是為消除板縫影響，給終擰創(chuàng)造一個大體一致的基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)角法施工在我國已有30多年的歷史，但對初擰扭矩的大小沒有標(biāo)準(zhǔn)，各個工程根據(jù)具體情況確定，一般地講，對于常用螺栓（M20、M22、M24），初擰扭矩定在200?300N?m比較合適，原則上應(yīng)該使連接板縫密貼為準(zhǔn)。終擰是在初擰的基礎(chǔ)上，再將螺母擰轉(zhuǎn)一定的角度，使螺栓軸向力達(dá)到施工預(yù)拉力。轉(zhuǎn)角法施工次序如下：初擰：采用定扭扳手，從栓群中心順序向外擰緊螺栓。初擰檢查：一般采用敲擊法，即用小錘逐個檢查，目的是防止螺栓漏擰。劃線：初擰后對螺栓逐個進(jìn)行劃線。終擰：用專用扳手使螺母再旋轉(zhuǎn)一下額定角度，螺栓群堅固的順序同初擰。終擰檢查：對終擰后的螺栓逐個檢查螺母旋轉(zhuǎn)角度是否符合要求，可用量角器檢查螺栓與螺母上劃線的相對轉(zhuǎn)角。作標(biāo)記：對終擰完的螺栓用不同顏色筆作出明顯的標(biāo)記，以防漏擰和重擰，并供質(zhì)檢人員檢查。3）扭剪型高強(qiáng)度螺栓連接施工扭剪型高強(qiáng)度螺栓連接副緊固施工相對于大六角頭高強(qiáng)度螺栓連接副緊固施工要簡便得多，正常的情況采用專用的電動扳手進(jìn)行終擰，梅花頭擰掉標(biāo)志著終擰的結(jié)束，對檢查人員來說也很直觀明了，只要檢查梅花頭掉沒掉就可以了。為了減少接頭中螺栓群間相互影響及消除連接板面間的縫隙，堅固要分初擰和終擰兩個步驟進(jìn)行，對于超大型的接頭還要進(jìn)行復(fù)擰。扭剪型高強(qiáng)度螺栓連接副的初擰扭矩可適當(dāng)加大，一般初擰螺栓軸力可以控制在螺栓終擰軸力值的50%?80%，對常用規(guī)格的高強(qiáng)度螺栓（M20、M22、M24）初擰扭矩可以控制在400?600N?m,若用轉(zhuǎn)角法初擰，初擰轉(zhuǎn)角控制在45°?75°，一般以60°為宜。由于扭剪型高強(qiáng)度螺栓是利用螺尾梅花頭切口的扭斷力矩來控制堅固扭矩的，所以用專用扳手進(jìn)行終擰時，螺母一定要處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)，即在螺母轉(zhuǎn)動一定角度后扭斷切口，才能起到控制終擰扭矩的作用。否則由于初擰扭矩達(dá)到可超過切口扭斷扭矩或出現(xiàn)其他一些不正常情況，終擰時螺母不再轉(zhuǎn)動切口即被擰斷，失去了控制作用，螺栓堅固狀態(tài)成為未知，造成工程安全隱患。4）扭剪型高強(qiáng)度螺栓終擰過程如下：先將扳手內(nèi)套筒套入梅花頭上，再輕壓扳手，再將外套筒套在螺母上。完成本項操后最好晃動一下扳手，確認(rèn)內(nèi)、外套筒均已套好，且調(diào)整套筒與連接板面垂直。按下扳手開關(guān)，外套筒旋轉(zhuǎn)，直至切口擰斷。切口斷裂，扳手開關(guān)關(guān)閉，將外套筒從螺母上卸下，此時注意拿穩(wěn)扳手，特別是高空作業(yè)。啟動頂桿開關(guān)，將內(nèi)套筒中已擰掉的梅花頭頂出，梅花頭應(yīng)收集在專用容器內(nèi)，禁止隨便丟棄，特別是高空墜落傷人。（3）高強(qiáng)度螺栓連接摩擦面1）影響摩擦面抗滑移系數(shù)的因素摩擦面處理方法及生銹時間；摩擦面狀態(tài)；連接母材鋼種；連接板厚度；環(huán)境溫度；摩擦面重復(fù)使用。2）摩擦面的處理方法噴砂（丸）法利用壓縮空氣為動力，將砂（丸）直接噴射到鋼材表面，使鋼材表面達(dá)到一定的粗糙度，鐵銹除掉，經(jīng)噴砂（丸）后的鋼材表面呈鐵灰色。這種方法一般效果較好，質(zhì)量容易達(dá)到，目前大型金屬結(jié)構(gòu)廠基本上都采用。實驗結(jié)果表明，經(jīng)過噴砂（丸）處理過的摩擦面，在露天生銹一段時間，安裝前除掉浮銹，此方案能夠得到比較大的抗滑移系數(shù)值，理想的生銹時間為60?90d?；瘜W(xué)處理—酸洗法一般將加工完的構(gòu)件浸入酸洗槽中，停留一段時間，然后放入石灰槽中，中和及清水清洗，酸洗后鋼板表面應(yīng)無軋制鐵皮，呈銀灰色。這種方法的優(yōu)點是處理簡便，省時間，缺點主要是殘留酸液極易引起鋼板腐蝕，特別是在焊縫及邊角處。因此已較少使用。實驗結(jié)果表明，酸洗后生銹60?90d，表面粗糙度可達(dá)45?50口m。砂輪打磨法對于小型工程或已有建筑物加固改造工程，常常采用手工方法進(jìn)行摩擦面處理，砂輪打磨是最直接，最簡便的方法。在用砂輪機(jī)打磨鋼材表面時，砂輪打磨方向垂直于受力方向，打磨范圍應(yīng)為4倍螺栓直徑。打磨時應(yīng)注意鋼材表面不能有明顯的打磨凹坑。實驗結(jié)果表明，砂輪打磨以后，露天生銹60?90d,摩擦面粗糙度可達(dá)50?55口m。鋼絲刷人工除銹用鋼絲刷將摩擦面處的鐵磷、浮銹、塵埃、油污等污物刷掉，使鋼材表面露出金屬光澤，保留原軋制表面，此方法一般用在不重要的結(jié)構(gòu)或受力不大的連接處，試驗結(jié)果表明，此法處理過的摩擦面抗滑移系數(shù)值能達(dá)到0.3左右。（4）高強(qiáng)度螺栓連接施工的主要檢驗項目1）主要檢驗項目包括：螺栓實物最小荷載檢驗；扭剪型高強(qiáng)度螺栓連接副預(yù)拉力復(fù)驗；高強(qiáng)度螺栓連接副扭矩檢驗；高強(qiáng)度大六角頭螺栓連接副扭矩系數(shù)復(fù)驗；高強(qiáng)度螺栓連接摩擦面的抗滑系數(shù)檢驗。2）主控項目鋼結(jié)構(gòu)制作和安裝單位應(yīng)按《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB5020