高强度螺栓原理及使用

用高强度钢制造的,或者需要施以较大预紧力的螺栓,皆可称为高强度螺栓.高强度螺栓多用于桥梁、钢轨、高压及超高压设备的连接.这种螺栓的断裂多为脆性断裂.应用于超高压设备上的高强度螺栓,为了保证容器的密封,需要施以较大的预应力关于高强度螺栓的几个概念1.按规定螺栓的性能等级在8.8级以上者,称为高强度螺栓.现国家标准只罗列到M39,对于大尺寸规格,特别是长度大于%10~15倍的高强度螺栓,国内生产尚属短线

高强度外六角螺栓

高强度T型槽螺栓

高强螺栓与普通螺栓区别高强度螺栓就是可承受的载荷比同规格的普通螺栓要大。普通螺栓的材料是Q235（即A3）制造的。高强度螺栓的材料35#钢或其它优质材料，制成后进行热处理，提高了强度。两者的区别是材料强度的不同。从原材料看：高强度螺栓采用高强度材料制造。高强螺栓的螺杆、螺帽和垫圈都由高强钢材制作，常用45号钢、40硼钢、20锰钛硼钢、35CrMoA等。普通螺栓常用Q235（相当于过去的A3）钢制造。从强度等级上看：高强螺栓，使用日益广泛。常用8.8s和10.9s两个强度等级，其中10.9级居多。普通螺栓强度等级要低，一般为4.4级、4.8级、5.6级和8.8级。从受力特点来看：高强度螺栓施加预拉力和靠摩擦力传递外力。普通螺栓连接靠栓杆抗剪和孔壁承压来传递剪力，拧紧螺帽时产生预拉力很小，其影响可以忽略不计，而高强螺栓除了其材料强度很高之外，还给螺栓施加很大预拉力，使连接构件间产生挤压力，从而使垂直于螺杆方向有很大摩擦力，而且预拉力、抗滑移系数和钢材种类都直接影响高强螺栓的承载力。根据受力特点分承压型和摩擦型.两者计算方法不同。高强螺栓最小规格M12，常用M16~M30，超大规格的螺栓性能不稳定，设计中应慎重使用。高强度螺栓摩擦型和承压型连接的区别：高强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，可分为高强螺栓摩擦型连接和高强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。在抗剪设计时，高强螺栓摩擦型连接是以外剪力达到板件接触面间由螺栓拧紧力所提供的可能最大摩擦力作为极限状态，也即是保证连接在整个使用期间内外剪力不超过最大摩擦力。板件不会发生相对滑移变形（螺杆和孔壁之间始终保持原有的空隙量），被连接板件按弹性整体受力。在抗剪设计时，高强螺栓承压型连接中允许外剪力超过最大摩擦力，这

时被连接板件之间发生相对滑移变形，直到螺栓杆与孔壁接触，此后连接就靠螺栓杆身剪切和孔壁承压以及板件接触面间的摩擦力共同传力，最后以杆身剪切或孔壁承压破坏作为连接受剪的极限状态。总之，摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓实际上是同一种螺栓，只不过是设计是否考虑滑移。摩擦型高强螺栓绝对不能滑动，螺栓不承受剪力，一旦滑移，设计就认为达到破坏状态，在技术上比较成熟；承压型高强螺栓可以滑动，螺栓也承受剪力，最终破坏相当于普通螺栓破坏（螺栓剪坏或钢板压坏）。从使用上看：建筑结构的主构件的螺栓连接，一般均采用高强螺栓连接。普通螺栓可重复使用，高强螺栓不可重复使用。高强螺栓一般用于永久连接。高强螺栓是预应力螺栓,摩擦型用扭矩扳手施加规定预应力,承压型拧掉梅花头。普通螺栓抗剪性能差，可在次要结构部位使用。普通螺栓只需拧紧即可。普通螺栓一般为4.4级、4.8级、5.6级和8.8级。高强螺栓一般为8.8级和10.9级，其中10.9级居多。8.8级与8.8S 是相同等级。普通螺栓与高强螺栓的受力性能与计算方法均有所区别的。高强螺栓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。更具体的来说：高强度螺栓连接具有施工简单、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。高强度螺栓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，这就是高强度螺栓连接的原理。高强度螺栓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增大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。为了增大接触面的摩擦系数，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。高强度螺栓实际上有摩擦型和承压型两种。摩擦型高强度螺栓承受剪力的准则是设计荷载引起的剪力不超过摩擦力。承压型高强度螺栓则是以杆身不被剪坏或板件不被压坏为设计准则。

高强度螺栓连接具有施工简单、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。高强度螺栓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，这就是高强度螺栓连接的原理。

高强度螺栓的使用

高强度螺栓连接摩擦面必须符合设计要求，摩擦系数必须达到设计要求。摩擦面不允许有残留氧化铁皮。

摩擦面的处理与保存时间、保存条件应与摩擦系数试件的保存时间、条件相同。

施工部位摩擦面应防止被油污和油漆等污染，如有污染必须彻底清理干净。

调整扭矩扳手。根据施工技术要求，认真调整扭矩扳手。扭矩扳手的扭矩值应

在允许偏差范围之内。施工用的扭矩扳手，其误差应控制在±5%以内。校正用的扭矩扳手。其

误差应控制在±3%以内。

当施工采用电动扳手时，在调好档位后应用扭矩测量扳手反复校正电动扳手的扭矩力与设计要求是否一致。扭矩值过高，会使高强度螺栓过拧，造成螺栓超负载运行，随着时间过长，会使大六角头高强度螺栓产生裂纹等隐患。当扭矩值过低时，会使高强度螺栓达不到预定紧固值，从而造成钢结构连接面摩擦系数下降，承载能力下降。

高强螺栓

高强螺栓的材料与普通螺栓不同。高强螺栓一般用于永久连接。常用的有M16~M30。超大规格的高强螺栓性能不稳定，应慎重使用。

建筑结构的主构件的螺栓连接，一般均采用高强螺栓连接。

工厂出厂的高强螺栓并不分承压型还是摩擦型。

究竟是摩擦型高强螺栓与承压型高强螺栓？实际上是设计计算方法上有区别：

（1）摩擦型高强螺栓以板层间出现滑动作为承载能力极限状态。

（2）承压型高强螺栓以板层间出现滑动作为正常使用极限状态，而以连接破坏作为承载能力极限状态。

摩擦型高强螺栓并不能充分发挥螺栓的潜能。在实际应用中，对十分重要的结构或承受动力荷载的结构，尤其是荷载引起反向应力时，应该用摩擦型高强螺拴，此时可把未发挥的螺栓潜能作为安全储备。除此以外的地方应采用承压型高强螺栓连接以降低造价。

高强度螺栓在生产上全称叫高强度螺栓连接副，一般不简称为高强螺栓。

根据安装特点分为：大六角头螺栓和扭剪型螺栓。其中扭剪型只在10.9级中使用。

根据高强度螺栓的性能等级分为：8.8级和10.9级。其中8.8级仅有大六角型高强度螺栓，在标示方法上，小数点前数字表示热处理后的抗拉强度；小数点后的数字表示屈强比即屈服强度实测值与极限抗拉强度实测值之比。8.8级的意思就是螺栓杆的抗拉强度不小于800MPa，屈强比为0.8；10.9级的意思就是螺栓杆的抗拉强度不小于1000MPa，屈强比为0.9。

结构设计中高强度螺栓直径一般有M16/M20/M22/M24/M27/M30，不过M22/M27为第二选择系列，正常情况下选用M16/M20 /M24/M30为主。

高强度螺栓在抗剪设计上根据设计要求分为：高强度度螺栓承压型和高强度螺栓摩擦型。摩擦型的承载能力取决于传力摩擦面的抗滑移系数和摩擦面数量，喷砂（丸）后生赤锈的摩擦系数最高，但从实际操作来看受施工水平影响很大，很多监理单位都提出能否降低标准来确保工程质量。承压型的承载能力取决于螺栓抗剪能力和栓杆承压能力能力的最小值。在只有一个连接面的情况下，M16摩擦型抗剪承载力为21.6~45.0kN，而M16承压型抗剪承载力为39.2~48.6 kN，性能要优于摩擦型。在安装上，承压型工艺要简单一些，连接面仅需清除油污及浮锈。

高强度螺栓连接施工的注意

Pc—高强度螺栓施工预拉力(kN)，见表1；

在高强度螺栓拧紧检查验收合格后，对连接处的主体结构缝隙和连接板缝及时使用硅酮胶密封（采用适合于粘接金属的硅酮胶），防止水气进入连接副结合面和钢结构内部产生腐蚀。

f. 与其它批号螺栓混合者；

大六角头高强度螺栓的施工扭矩按下式计算确定：

安装高强度螺栓时，构件的摩擦面应保持干燥清洁，不得在雨中作业。

1.高强度螺栓连接副的施工扭矩

h. 连接副扭矩系数超过保证期的；（一般高强度螺栓出厂扭矩系数保证期为6个月）

g. 长度不够的螺栓，即拧紧后螺栓头露不出螺母端面者。一般取伸出螺母端面的长度以2～3扣螺纹为宜，

在技术文件和图纸中各个企业的给定扭矩各不相同甚至有些数据相差甚大，而实际上大家都选用符合同一国家标准的高强度螺栓。而在采购时不同的企业不同的批号的高强度螺栓的扭矩系数也是不同的，所以，一般最好不在图纸中给出确定的扭矩数值，以免所给定的扭矩数值和实际的需要数值偏差过大而影响到施工的质量。

现场施工时力矩扳手的使用需要特别注意其扭矩数值的偏差。因为在采购、运输、保管、使用的过程中有时会产生数值偏离情况。所以，高强度螺栓施工中所用的扭矩扳手，在使用前必须校正，其扭矩误差不得大于±5% ，合格后方准使用。校正用的扭矩扳手，其扭矩误差不得大于±3% 。不允许使用普通扳手或电动普通扳手施工。有时力矩扳手会损坏，要及时发现及时更换。扭矩数值偏差过大的力矩扳手不可继续使用。

施工报告是高强度螺栓连接安装的检验与竣工依据，在施工过程中需要详细做好各参数的记录，以便最终技术文件的归档和责任的落实。

5、高强度螺栓安装的其它要求

扭矩系数是由高强度螺栓制造商提供或经过试验的方法获得。

不同厂家和不同批号的高强度螺栓在扭矩系数不详情况下不可混合使用。

高强度螺栓最早使用的时间大约在三十多年前，当时各个企业一般自己设计制造高强度螺栓。国家标准对高强度螺栓的焊钉要求也未达到现在这样规范和完整。高强度螺栓在制造时也不规范。制造时螺栓或螺母的毛坯常常是由机械加工完成，而不是现代的模锻制造；在螺纹方面常常使用普通机床加工螺纹而不是使用滚丝机加工制造。在完成加工后进行发蓝处理，个别企业还进行镀锌处理。热处理工艺也不像现在这样完善。同样的金属材料过去的产品在机械性能上经常达不到要求。经过普通机床加工和表面处理后的螺栓螺母其扭矩系数都

比较大。早期的设计手册和计算方法给出的扭矩系数是0.18-0.19。而现在由于加工工艺的改变和表面处理方法的改变国产高强度螺栓的扭矩系数基本在0.11-0.14左右。部分高强度螺栓产品的表面采用磷化皂化处理，而具体的扭矩系数需要由制造商提供或通过试验获取。所以，现在的同规格的高强度螺栓的施工扭矩通常要小于过去高强度螺栓的施工扭矩。

b. 机械性能不明者；

d. 有裂纹、伤痕、毛刺、弯曲、铁锈、螺纹磨损、被水或雨水淋湿过或有缺陷者；

小结：

3、对螺栓的要求

Tc=1.05k·Pc·d

7、提交施工报告的内容

连接板和连接母体一般都经过喷砂或抛丸处理，在运输和施工中需要保证施工前的结合面的粗糙度和清洁度。不允许泥土、杂物污染结合面。表面粗糙度达不到设计要求时要在现场重新进行喷砂或抛丸处理然后在进行施工。安装单位要特别注意保护好高强度螺栓连接处的连接板和母体的连接表面的清洁度、摩擦表面的特性。

k.已经使用过拆下的高强度螺栓和螺母不可再使用。

a. 来源(制造厂)不明者；

在施工现场，一些安装部门会遇到剪力钉被拉断或者结合面出现滑移现象而不得不更换螺栓或将结合面处的连接板焊上。可见高强度螺栓的施工扭矩数值非常重要。在施工前必须十分合理的确定其参数，以保证最终的施工质量。

c、进行过复验的高强度螺栓扭矩系数；

高强度螺栓的拧紧应分为初拧、终拧。对于大型节点应分为初拧、复拧、终拧。初拧扭矩为施工扭矩的50%左右，复拧扭矩等于初拧扭矩。为防止遗漏，对初拧或复拧后的高强度螺栓，应使用颜色在螺母上涂上标记。对终拧后的高强度螺栓，再用另一种颜色在螺母上涂上标记。

d、不同部位不同批号的高强度螺栓的实际施工扭矩。

经检查合格后的高强度螺栓连接处之母体、连接板、高强度螺栓要及时涂防锈漆以免出现腐蚀。

2、施工的力矩扳手

在高强度螺栓连接施工中，许多设计者在施工图纸中标明了在施工时终扭高强度螺栓螺母的扭矩，而最终经常出现两种情况，一是在安装结束后加载时出现结合面的滑移现象；二是在

施工工程中出现了螺栓被扭断现象。

j. 不可用普通8.8级螺栓或8级螺母代替大六角头高强度螺栓和螺母用于连接副；

高强度螺栓拧紧时，只准在螺母上施加扭矩。只有在空间受限制时，才允许拧螺栓。4、对连接结合面的要求

d—高强度螺栓螺杆直径(mm)；

c. 扭矩系数k不明者；

高强度螺栓连接副和连接板是钢结构的重要组成部分。在施工中特别容易出现不按照规范施工的现象使产品的安装质量达不到规定的要求。所以，施工单位对高强度螺栓的安装要特别慎重，避免因施工的失误而导致重大的经济损失。这里需要强调的是高强度螺栓的扭矩、力矩板手的数据可靠性、螺栓的质量、螺栓组的扭矩系数、连接结合面的处理等影响施工质量的各个环节要认真做好，避免返工而影响设备安装周期和质量。

如GB5728或GB6170的螺栓螺母代替大六角头高强度螺栓螺母。

a、高强度螺栓连接板结合面的抗滑移系数；

高强度螺栓连接副组装时，螺母带圆台面的一侧应朝向垫圈有倒角的一侧。对于大六角头高强度螺栓连接副组装时，螺栓头下垫圈有倒角的一侧应朝向螺栓头。

现场比较容易发生不将高强度螺栓与螺母仔细保管情况。若高强度螺栓表面发生锈蚀、表面污染等，应不再使用，需要更换新的高强度螺栓与螺母。

使用中国国家标准的高强度螺栓连接副时施工的扭矩建议为：

b、不同批号的高强度螺栓的扭矩系数，包括出厂检验质量报告参数等；

6、高强度螺栓连接的涂漆防锈

1.05为衰减系数，是考虑在预紧张力时适当的存在一定的过张力。

高强度螺栓连接已经普遍的被应用到建筑钢结构、桥梁、大型起重机械等钢结构上。在某种意义上讲高强度螺栓已经部分取代了铆钉。尽管国内早已有相关技术标准等文件对高强度螺栓的施工有所规定，但标准的种类较多。相关的机械设计手册中的相关内容也各有所不同。高强度螺栓在现场的施工中经常发生这样或那样的问题，影响了施工的进度和质量。在此，本文结合生产实际和现代国家标准就高强度螺栓的连接现场施工问题作一讨论，说明在实际应用高强度螺栓最容易出现的常见问题供设计者和施工者参考。

安装高强度螺栓时，严禁强行穿入螺栓(如用锤敲打)。如不能自由穿入时，该孔应用铰刀进行修整，修整后孔的最大直径应小于1.2倍螺栓直径。修孔时，为了防止铁屑落入板迭缝中，铰孔前应将四周螺栓全部拧紧，使板迭密贴后再进行。严禁气割扩孔。现场较容易发

生采用气割扩孔的情况，需要特别督察。

e. 未附带性能试验报告者；

严格的施工报告应当包括以下几项内容：

在与国外制造商合作制造的设备中或进口设备中常选用进口高强度螺栓，在施工中部分图纸中已经标明了施工时使用的高强度螺栓扭矩数值。此时可以按照其数值施工，但如果采用国产高强度螺栓时需要和进口商讨论更改国产产品的施工扭矩数值。以免出现施工的失误。值得强调的一点是，欧洲的高强度螺栓的施工扭矩因加工工艺和表面处理方式以及材料的不同一般都比国产的高强度螺栓扭矩系数大，所以施工扭矩也大。进口欧洲的高强度螺栓的扭矩系数通常在0.13-0.16。其国外的标准也和中国国家标准存在一定的差别。特别注意使用进口螺栓不能简单的使用中国标准计算施工扭矩，使用国产高强度螺栓不能直接套用国外的施工扭矩施工。

e、日期，时间，天气，施工技术负责人姓名，项目总负责人姓名等；

高强度螺栓的初拧、复拧、终拧应在同一天完成。不可在第二天以后才完成终拧。现场存在这样的施工单位，当复扭结束后终扭的时间在一天甚至一周或一个月以后的情况。所以，施工单位和监理单位需要特别注意。

另外，部分国外设备制造商在高强度螺栓施工中有时要求在螺纹处使用二硫化钼粉末做润滑剂然后施加扭矩，此时的扭矩系数会非常小，所以施工扭矩也会非常小，需特别注意。不然在施工中会拉断高强度螺栓。

要选用正规厂家，经过检验合格的螺栓、螺母和垫圈。其连接副扭矩系数保证期为自出厂之日起六个月。螺栓、螺母、垫圈有下列情况为不合格品，禁止使用。

高强度螺栓在初拧、复拧和终拧时，连接处的螺栓应按一定顺序施拧，一般应由螺栓群中央顺序向外拧紧。

Tc—施工扭矩(N·m)；

k—高强度螺栓连接副的扭矩系数的平均值；