第六章 高强度螺栓连接-典尚设计

第六章 高强度螺栓连接6.1 高强度螺栓的发展及应用现今，高强度螺栓（HTB-high tenson bolt）连接是钢结构工地接头最广泛应用的一种连接方法。大约在20世纪30年代，英国C. Batho等人就开始研究HTB，当时的目的是用HTB更换个别损坏的铆钉。美国于40年代首先把HTB用于钢桥的工地连接，开始用1个A325 HTB(b=800MPa)代替1个铆钉，1960年制定了A325HTB标准，1964年制定了A490HTB(b=1100MPa)标准。德国从1953年开始研究HTB，并应用于钢桥，1974年制定了DAST010标准。1971年欧洲制定了统一的“欧洲高强度螺使用准则”。同期，英国也制定了自己的HTB标准。前苏联在50年代把HTB用于桥梁，并制定了相应的HTB国家标准。日本1954年把HTB用于桥梁，1964年制定了JIS标准，包括F9T、F10T和F11T三种强度级别，F13THTB（相当于b=1300MPa）因延迟断裂严重而被取消使用。我国于50年代由徐承爌研究员等人开始研究HTB，1960年用于铁路桥梁，60年代后期在成都昆明铁路上全面推广栓焊钢梁，总用钢量30000余吨，自此以后，栓焊钢梁取代了铆接钢梁。1976年HTB纳入铁路桥梁设计规范，1984年制定了“钢结构用高强度大六角螺栓、大六角螺母、垫圈与技术条件”国家标准，1991年作了局部修改。HTB分为8.8S和10.9S两种强度级别（相当于极限限强度900 MPa和1100 MPa），螺栓直径为M12M30。6.2 高强度螺栓的材料、制造及性能6.2.1 材料高强度螺栓连接副由螺栓、螺母和垫圈组成，加工成形后需经调质处理（淬火回火）才能达到所要求的力学性能。因此对材质有以下要求：具有较好的调质处理特性，钢材经淬火、回火处理后能达到所要求的力学性能。容易加工、成型，价格便宜。在较高拉力作用下具有抗延迟断裂性。具有较好的抗冲击性。高强度螺栓材质一般采用在中碳钢或低碳钢中添加Mn、Cr、Mo、B、V、Ti等元素的合金钢。螺母或垫圈多采用中碳钢或Mn钢。表6.2.1为我国高强螺栓、螺母和垫圈采用钢材。其中，20MnTiB钢和35VB钢的特点如下：20MnTiB钢由于含碳量低，具有较好的冷加工性能，但较大直径螺栓时淬透性稍差。35VB钢淬透性稍好，水介质淬火时脆性倾向性低，淬透性较好。但因含碳量较高，冷加工性稍差。表6.2.1 我国螺栓、螺母、垫圈的推荐材料类别性能等级材料标准适用规格螺栓10.9S20MnTiB35VBGB3077M24M27M308.8S40B4535GB 3077GB699G699M 24M 22M20螺母10H45,3515MVBGB699GB30778H35GB699垫圈RHC35-4545,35GB699表6.2.2 35VB钢化学成分（）CMnSiPSVBCu0.31-0.370.50-0.900.17-0.370.040.040.05-0.120.001-0.0040.25表6.2.3 35VB钢热处理后的力学性能（25mm试棒）热处理制度b（MPa）s（MPa）5(%)(%)Akv(常温)5/cm2淬火温度870c水冷回火温度550c水冷784.5637.4124568.6表6.2.4 其他钢材化学成分（）钢种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 高强度螺栓制造6.2.2.1 螺栓螺栓通常用盘条圆钢经拔丝（使直径均匀）切断头部成形滚丝热处理表面处理等工艺制成。（1） 栓头成形较小栓径（24mm）时，螺栓成形往往采用冷加工方法，即栓头镦粗、切成6个角、螺丝部分缩径、滚丝等均由一台机器完成，当螺栓直径再大时，由于冷加工能力有限，需采用热加工成形。冷加工生产效率高，经济性好，但需选用低碳合金钢。（2） 螺栓螺纹成形有机械切削和滚丝两种方法，滚丝法有以下优点： 螺纹精度高，加工面良好，扭矩法施工时，可降低扭矩系数。 疲劳强度高。 生产效率高，经济。（3） 热处理螺栓需经热处理，提高强度。6.2.2.2 螺母 螺母可采用热压法或冷压法成形，调质处理后攻丝制成。由于螺母厚度较大，通常采用热压法成形。6.2.2.3 垫圈 垫圈可采用扁钢冷冲孔后，经调质处理制成。6.2.2.4 表面处理 采用扭矩法拧紧HTB时，要求扭矩系数小且均匀（离散性小），需进行表面处理，通常采用磷酸锌处理，使螺纹间和支压面在高压力情况下有很好的滑动效果，且标准偏差小。同时，具有1年左右的防腐性能。6.2.3 摩擦型HTB的形状尺寸（1） 螺栓表6.2.5 摩擦型HTB的形状尺寸（mm） (GB/T1228-91)螺栓规格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(螺纹距)2.52.53.03.03.5c0.4-0.8 注：L-螺栓长度，L100mm，每5mm划分一级，L100mm，每10mm划分一级。（2） 螺母表6.2.6 螺母的形状尺寸（mm） (GB/T1229-91)螺母规格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(螺纹距)2.52.53.03.03.5c0.4-0.8（3） 垫圈表6.2.7 垫圈形状尺寸（mm） （GB/T1230-91）垫圈规格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高强度螺栓力学性能我国高强度螺栓、螺母、垫圈的力学性能如下（GB/T1231-91）：(1)螺栓表6.2.8HTB的力学性能性能等级b(MPa)0.2(MPa)5()()Ak(J/cm2)10.951040-12409401042598.85830-1030660124578表6.2.9HTB楔负载试验（10斜圈）的拉力值范围HTB规格M20M22M24M27M30名义截面（mm2）245303353459561拉力（kN）10.95255-304315-376367-438477-569583-6968.85203-252251-312293-364381-473466-578（2）螺母螺栓受拉时，检验螺母的螺纹不脱丝扣的保证荷载和表面硬度见表6.2.10和表6.2.11。表6.2.10螺母的保证荷载HTB规格M20M22M24M27M30保证荷载（kN）10H2553153674775838H203251293381466表6.2.11螺母表面硬度螺母等级洛氏硬度维氏硬度minmaxminmax10HHRB98HRC28HV30222HV302748HHRB95HRC22HV30306HV30237(3)垫圈硬度垫圈硬度均为HV30329-436，相当于HRC34-45。6.2.5高强度螺栓的延迟断裂6.2.5.1概述延迟断裂是钢材在静拉力作用下，经过一段时间后，不出现任何塑性变形而发生的脆性破坏现象。一般发生在抗拉强度大于1200-1300MPa的钢材并有应力集中处，强度越高，发生的可能性越大。钢材在拉力作用下的破坏一般有韧性破坏、脆性破坏和疲劳破坏，特征如下：韧性破坏又称延性破坏，即在拉力荷载作用下发生塑性变形的、充分延伸后而发生的破坏现象。脆性破坏在拉力并伴随冲击时而出现的突然破坏现象，无明显塑性变形，环境温度较低的情况下易产生脆性破坏。疲劳破坏在循环拉荷载或拉压荷载作用下，经过裂纹萌生、缓慢扩展和失稳扩展而破坏。由此可见，延迟断裂破坏是不同于上述三种破坏现象的另外一种破坏形式。它与疲劳破坏的S-N曲线有相似的特征，需经过一定的时间，无明显塑性变形，并有延迟断裂破坏门槛值（即拉应力低于该值时不产生延迟断裂），所以，延迟断裂破坏又称“静疲劳”破坏。图6.2.1 延迟断裂破坏强度与时间关系6.2.5.2影响延迟断裂的的因素影响延迟断裂的原因至今仍有许多不清楚的地方，一般情况下主要有：（1）环境腐蚀介质环境下，负载钢材因电化腐蚀作用引发的裂纹称应力腐蚀裂纹。雨天施工时残留在栓孔内的水气是导致螺栓延迟断裂的原因之一。与脆性断裂相反，温度较高时延迟断裂的敏感性越大，1500MPa钢材80C下的延迟断裂是25C下的30倍。(2)应力水平 应力水平越高延迟断裂的敏感性越大，应力集中越大延迟断裂越敏感。螺栓延迟断裂一般发生在螺纹缺口、螺杆根部应力集中较大的位置。（3）钢材强度对于调质处理（淬火回火）的HTB，图6.2.2表示各种钢材抗拉强度与延迟断裂破坏强度（水中100小时）之间的关系；由该图可见，当b500MPa比3mm时加填板，对抗滑承载力几乎没有影响。长排螺栓连接情况下，影响更小。图6.3.2 对接连接有板厚差时的摩阻力降低率 过大孔的影响虽然制造规范中规定了栓径和孔径的公差及孔径精度，但在现场安装中难免有错孔等个别情况，为此进行了许多过大孔或椭圆孔对抗滑承载力的影响。笔者做过栓径和孔径之差为2.0、4.0、6.0mm的静载和疲劳试验，对抗滑承载和疲劳强度均没有影响。日本学者用M22HTB做过径差1.5、3.0、4.5、6.0mm，甚至8.0、13.0mm的试验，以及椭圆孔（长短径差为18mm，分别布置在垂直和平行于受力方向）的静载试验，均认为没有什么影响。美国学者试验表明，6mm以下径差没有影响，超过6mm则有影响。但设计时应注意，过大孔径将削弱构件静载面积，特别是受拉接头时应予慎重对待。温度的影响正常情况下，摩擦型连接有很宽广的温度适应范围，但在300C400C时，抗滑承载力约降低2030，500C时约降低2050。6.3.1.4 摩擦型连接设计考虑要素 （1）关于拼接强度摩擦型连接设计应充分保证连接处的抗滑承载力和刚度（不滑移）。一般情况下，拼接板的有效截面约为主构件有效截面的1.051.10倍。按栓接抗滑承载力与主构件达到屈服时承载力大体相等来计算所需HTB数量。 （2）关于主构件有效截面积构件有效面积考虑如下：当主荷载引起主构件的应力小于材料的基准容许应力时，由接触面间的摩擦来传力，栓孔削弱构件截面的影响不明显，拉杆和压杆都可以考虑不削弱栓孔的毛截面积作为有效截面积。当外荷载增大时（如最不利荷载组合时），受拉构件与受压构件受力行为则有明显区别。受拉构件当拉力接近材料屈服应力时，因泊桑比的影响，净截面积处板厚减薄，螺栓轴力降低，随之抗滑力降低，有导致连接滑动的危险。所以受拉构件应按净截面设计。受压构件受压构件中，泊桑比的影响与受拉构件恰恰相反，板厚增大，螺栓轴力增加，抗滑力也随之增大。所以受压构件应按毛截面设计。这种情况下，为确保结构在地震荷载下有足够的延性，净截面积An和毛截面积Ag之比应大于材料屈服应力s与抗拉强度b之比。An/Ags/b (6.3.5)(3)关于翼缘用焊接、腹板用栓接的接头通常情况下，先用拼装冲钉临时连接，然后焊接，最后终拧螺栓。若先终拧螺栓，后焊接。由于焊缝冷却收缩使栓接处承受轴向应力，使栓接抗滑承载力有所降低，设计时需考虑一定的富余量。6.3.1.5 摩擦型连接的应力分布图 6.3.3 摩擦型连接的应力分布图6.3.3表示承受轴向荷载对接拼接摩擦型连接中主板和拼接板的应力分布。第排螺栓处主板应力最大，最后一排螺栓处应力最小，拼接板上的应力与主板相反，在接头中线处，主板应力全部传给拼接板。随着外力增加，第排螺栓处产生微滑移，第排螺栓以后处的主板应力随之增加，直至各排螺栓处的应力大体相同时，发生整体滑动。6.3.2 承压型连接承压型连接是用HTB夹紧被连接件，产生摩擦力，同时由栓轴的承剪力和连接板孔壁的承压力来共同传递应力的一种连接形式。这种连接形式可分为二类： （1）当孔径大于螺栓轴径即栓轴与栓孔之间存在缝隙时，在平常荷载下，由摩擦力承载，在大地震等特殊荷载下，由摩擦力与栓轴承剪和孔壁承压共同承载，其承载力比单纯由摩擦力承载提高1.5倍。但是，当连接克服摩擦力而滑动后，结构将产生永久变形，这是桥梁不能接受的。实际上，这类连接与摩擦型连接的受力特性是完全一致的，见图6.3.4。图6.3.4 有间隙承压型连接的荷载(P)变形()的关系（2）打入式高强度螺栓连接这类连接基于栓轴与栓孔之间没有间隙，不会产生滑动，由摩擦力与螺栓轴承剪和连接板孔壁承压共同传递应力，所以连接的承载力很高。但是，这种连接的高强度螺栓不能象摩擦型连接那样可以自由穿入，需要用打入方式穿入。这就要求构件和拼接板的制孔精度高，拼装时过孔精度高，HTB施工时需打入螺栓等，施工中难以做到，桥梁几乎没有采用。6.3.3 承拉型连接6.3.3.1承拉型连接型式作用在连接上的拉力与栓轴同方向时称为承拉型连接。桥梁上常用的有法兰盘连接、纵横梁连接、横梁与主梁（主桁）连接、联结系与主梁的连接，钢塔柱节段间的连接等。 a）圆管法兰盘接头 b）构件法兰盘接头 c）横梁与主梁连接 d）纵横梁连接 e）联结系与主桁连接 f）钢塔柱节段间长螺栓连接 g）T型连接 h）带加紧肋的T型连接图6.3.5 承拉型HTB连接的类型图中，a)、b)、g)、h)的HTB连接仅承受轴向拉力，c）、d)、e)的HTB连接承受轴向拉力和剪力，这些均为短螺栓连接。f)为长螺栓连接，主要用于钢构件之间的轴向连接、钢构件与混凝土结构之间的锚固连接等。6.3.3.2 承拉型连接的受力分析承拉型连接是用HTB夹紧连接板，使连接板间产生很大的压力，当构件承受轴向拉力时，由连接板压力的减低来传递外力，然而，螺栓的轴力因连接的受力状态、连接板的刚度、螺栓的长度等而有很大的不同。（1）T型受拉连接杠杆反力如图6.3.6所示，因为外力作用线与螺栓位置的偏心，由于连接板的弹性变形，连接板两端产生向上的反力R，称为杠杆作用。螺栓的轴力为：N=P+R=(1+)P (6.3.6)式中 R/P杠杆反力系数 图6.3.6 杠杆作用 图6.3.7 连接板的弯矩假定连接板为受弯梁，由力的平衡条件可求其弯矩图（见图6.3.7）Ma=Rx (6.3.7)Mb=Pb-Rx (6.3.8)由此可估算连接板的抗弯，并估算杠杆的反力R。螺栓轴力受拉T型连接的HTB轴力如图6.3.8所示。图6.3.8 T型受拉连接的螺栓轴力的变化（2）带有加劲肋的T型受拉连接 因刚度较大，可不考虑杠杆反力。（3）长螺栓连接这里以钢塔节段之间连接的长螺栓为例作一介绍。钢塔是受压构件，但在水平向强风和地震荷载作用时，会引起附加轴向拉力，长螺栓的预紧力应确保塔柱节段端部接触面在附加弯矩作用下不产生脱离。若接触面脱离后，张拉螺栓的轴力（预紧力）与外力（拉力）相等，另外，螺栓的延伸刚度比连接的加劲肋刚度小也是应予考虑的因素，而T型受拉连接的杠杆反力可略去不计，基于此，螺栓轴力可按下式计算。Nd+Pt3mm时，需设填板。（2）不得采用二块填板重叠。（3）填板材料可采用一般热轧钢，不管母材钢种强度如何。6.5 高强度螺栓施工目前世界各国钢桥现场HTB施工基本都采用扭矩法。本节仅对扭矩法施工作一概要介绍。6.5.1 高强度螺栓施工作业流程图6.5.1表示采用扭矩法拧紧HTB的施工作业流程图6.5.1 HTB施工作业流程6.5.2 施工前的技术准备（1）HTB性能复验螺栓、螺母、垫圈按GB/T1231-91标准进行外观、力学性能及扭矩系数的复验，不合格者应由供应厂商更换。（2）抗滑动系数复验出厂检测滑动系数f0.55。工地抽检滑动系数f0.45。（3）结合面管理接触面不得有其他涂装。抗滑涂膜不得有损伤，如有损伤，应机械防锈。应用砂轮磨去栓孔的飞边、毛刺。接头板厚不等时，应按以下处理：错边量：1mm时，不需处理13mm时，打磨成斜坡（1：3以上）3mm时，加设填板。（4）设计轴力和施工轴力的设定值，及轴力和扳手检定 表6.5.1 10.9S级HTB的设计轴力、施工轴力和每批轴力均值的合格判定值螺栓规格设计轴力d(KN)施工轴力Pc(KN)每批抽检轴力均值合格判定值下限值上限值M22200220205225M2423