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正確理解高強度螺栓與普通螺栓
    發布日期:2018-05-01 

        高強螺栓是我們鋼結構施工中最普遍常見的施工內容,所有鋼結構工程師都會覺得熟悉的不能再熟悉。然而事實可能并非如此,我們從最基本的概念的入手,帶你重新認識高強螺栓,可能會顛覆你最基本的認識。

01.什么是高強螺栓

        高強螺栓(High-Strength Friction Grip Bolt),英文直譯為:高強度摩擦預緊螺栓,英文簡稱:HSFG??梢?,我們中文施工中所說的高強螺栓是高強度摩擦預緊螺栓的簡稱。在日常溝通中,僅僅是簡略了“摩擦(Friction)”“預緊(Grip)”兩個詞,卻造成了許多工程技術人員對高強螺栓基本定義的理解,產生了誤區。

顛覆一:
誤區:材料等級超過8.8級的螺栓,就是”高強螺栓“。

        高強螺栓和普通螺栓的核心區別并不在于使用材料的強度,而是受力的形式。本質是是否施加預緊力,并利用靜摩擦力抗剪。(1)*

       實際上在英標規范,美標規范中提到的高強螺栓(HSFG BOLT)只有8.8級和10.9級兩種(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,材料強度高低并不是區別高強螺栓與普通螺栓的關鍵。

02.正確理解“高強”,強在何處

        按照GB50017,計算單個普通螺栓(B類)8.8級和高強螺栓8.8級抗拉及抗剪強度。

        通過計算我們可以看到,相同等級的情況下,普通螺栓的抗拉強度和抗剪強度的設計值都要高于高強螺栓。 (2)*

那么高強螺栓,“強”在哪里?

        為回答這一個問題,必須從兩種螺栓的設計工作狀態入手,研究其彈塑性變形的規律,并理解到設計破壞時的極限狀態。

        普通螺栓和高強螺栓工作狀態下應力應變曲線

設計破壞時的極限狀態

普通螺栓:螺桿本身發生超過設計允許的塑性變形,螺桿被剪壞。
普通螺栓連接,開始承受剪力前連接板間就會發生相對滑移,繼而螺栓桿和連接板接觸,發生彈塑性形變,承受剪力。

高強螺栓:有效摩擦面間的靜摩擦力被攻克,兩塊鋼板發生相對位移,設計考量上即為破壞。
高強螺栓連接,摩擦力首先承受剪力,當荷載增大到摩擦力不足以抵抗剪力,靜摩擦力被攻克,連接板發生相對滑移(極限狀態)。但此時雖然破壞,但螺栓桿與連接板發生接觸,依然可以利用其本身的彈塑性形變,承受剪力。 (3)

顛覆二:

誤區:高強螺栓的承載能力高于普通螺栓,是為”高強“。

        由單個螺栓的計算可知,高強螺栓抗拉和抗剪的設計強度均低于普通螺栓。其高強實質是:正常工作時,節點不允許發生任何相對滑移,即:彈塑性變形小,節點剛度大。

        可見:在給定設計節點荷載的情況下,用高強螺栓設計的節點并不一定能節省螺栓使用數量,但是其變形小,剛度大,安全儲備高。適合用主梁,等要求節點剛度較大的位置,符合“強節點,弱桿件”的基本抗震設計原理。
高強螺栓之強,并非在于其本身的承載能力設計值,而是表現于其設計節點的剛度大,安全性能高,抗破壞的能力強。

03.高強螺栓的對比

        普通螺栓和高強螺栓由于其設計的受力原理不同,其在施工檢驗方法上有極大的區別。


        同等級普通螺栓各項機械性能要求均比高強螺栓略高,但高強螺栓較普通螺栓多一項沖擊功的驗收要求。

標識樣式對比

       普通螺栓和高強螺栓的標示是對同等級螺栓現場識別的基本方法。由于英美標準中對于高強螺栓扭矩值計算的取值并不相同,所以識別兩種標準的螺栓也有必要。

價格對比

高強螺栓:(M24,L60,8.8級)

普通螺栓:(M24,L60,8.8級)

        可見普通螺栓大約為高強螺栓價格的70%,結合其驗收要求的對比,可以得出,其溢價部分就應該是為了保證材料的沖擊功(韌性)性能。

04.總結

       對于一個看似簡單的問題,想要從本質上深入,全面,正確的理解,也并不是一件簡單的事情。高強螺栓和普通螺栓的定義,含義,深意的區別,是我們正確理解,運用高強螺栓,并進行施工管理的基礎前提。

觀點:
(1)*:在有些鋼結構的書中確實有提出,高強螺栓是指強度超過8.8級的螺栓。對于這種觀點,首先英美標準是不支持的,沒有針對某種特定強度等級來界定“強”與“弱”。其次,也并不符合我們工作中提及的“高強螺栓”。

(2)*:為便于對比,此處不考慮復雜螺栓群的受力情況。

(3)*:承壓型高強螺栓在設計時也考慮了螺桿的承壓受力,將在后面的“高強螺栓承壓型和摩擦型對比“中進行詳細介紹。

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