鋼結(jié)構(gòu)常識螺栓連接

螺栓連接最早用于金屬結(jié)構(gòu)安裝。20世紀(jì)30年代末，螺栓連接逐漸被鉚釘連接所取代，僅作為構(gòu)件組裝中的臨時固定措施。20世紀(jì)50年代出現(xiàn)了高強(qiáng)度螺栓連接方法。高強(qiáng)度螺栓由中碳鋼或中碳合金鋼制成，強(qiáng)度比普通螺栓高2～3倍。高強(qiáng)度螺栓連接具有施工方便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。20世紀(jì)60年代以后，它開始應(yīng)用于一些冶金工廠的鋼結(jié)構(gòu)制造和安裝。

1.螺栓的分類

螺栓有很多名稱，如螺釘、螺栓、標(biāo)準(zhǔn)件、緊固件等。螺栓是緊固件的通用說法。

廣義上，螺栓包括普通螺栓、高強(qiáng)度螺栓、地腳錨栓、膨脹螺栓、化學(xué)錨栓等，狹義上分為普通螺栓連接和高強(qiáng)度螺栓。

1.1 普通螺栓連接 主要分為粗螺栓連接和精螺栓連接。

按形式可分為六角頭螺栓、雙頭螺栓、沉頭螺栓等；

上圖為沉頭螺栓

按生產(chǎn)精度可分為A、B、C三級，A、B精制螺栓等級，C鋼結(jié)構(gòu)采用粗螺栓，除特殊說明外，一般為普通粗螺栓C級螺栓。

1.1.1 粗螺栓由碳結(jié)構(gòu)鋼制成，使螺栓順利穿透.入螺孔的孔徑應(yīng)與螺栓的公稱直徑相比d大1.0～2.0mm。螺栓孔距排列要便于扳手?jǐn)Q緊螺帽。當(dāng)粗制螺栓用于柱、梁、屋架的構(gòu)件連接時，應(yīng)采用加托板的連接構(gòu)造。此時螺栓處于受拉狀態(tài)，其剪力由托板承受(如下圖)。

粗螺栓所用材料強(qiáng)度等級低，限制了其在結(jié)構(gòu)連接中的應(yīng)用范圍，但仍廣泛應(yīng)用于剪力較小的工作平臺二次梁、墻皮梁、屋面梁、支撐、鉸接支撐等連接中。

上圖為普通螺栓

粗螺栓還廣泛應(yīng)用于廠房鋼結(jié)構(gòu)的預(yù)組裝、鉚接構(gòu)件鉚接前的預(yù)緊固、高強(qiáng)度螺栓連接前的組裝和安裝節(jié)點(diǎn)焊接前的臨時緊固。粗螺栓作為永久固定螺栓時，應(yīng)擰緊并采取防松措施。

上圖為柱腳螺栓雙螺母防松措施

1.1.2 精制螺栓?連接時，其孔徑應(yīng)與螺桿直徑相同，螺栓穿入螺孔時應(yīng)用錘擊打入，制孔質(zhì)量和螺桿的加工精度要有嚴(yán)格要求。精制螺栓連接用于一些經(jīng)常拆裝和無法鉚接的結(jié)構(gòu)連接。精制螺栓一般用于機(jī)械產(chǎn)品，建筑鋼結(jié)構(gòu)中極少使用。

1.高強(qiáng)度螺栓連接

用高強(qiáng)度鋼制造的，或者需要施以較大預(yù)緊力的螺栓，皆可稱為高強(qiáng)度螺栓。高強(qiáng)度螺栓施加預(yù)拉力和靠摩擦力傳遞外力。普通螺栓連接靠栓桿抗剪和孔壁承壓來傳遞剪力，擰緊螺帽時產(chǎn)生預(yù)拉力很小，其影響可以忽略不計，而高強(qiáng)螺栓除了其材料強(qiáng)度很高之外，還給螺栓施加很大預(yù)拉力，使連接構(gòu)件間產(chǎn)生擠壓力，從而使垂直于螺桿方向有很大摩擦力，而且預(yù)拉力、抗滑移系數(shù)和鋼材種類都直接影響高強(qiáng)螺栓的承載力。

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上圖是高強(qiáng)度螺栓的工作原理

高強(qiáng)度螺栓主要分為摩擦型和壓力型。

根據(jù)施工工藝，高強(qiáng)螺栓分為扭剪高強(qiáng)螺栓和大六角高強(qiáng)螺栓。

上圖為高強(qiáng)度螺栓和大六角形高強(qiáng)度螺栓

1.2.1 摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接，通過螺栓緊固壓力在鋼板接觸表面產(chǎn)生的摩擦力傳遞外力。在構(gòu)件表面噴砂后，可獲得較大的摩擦系數(shù)，減少連接螺栓的數(shù)量。摩擦型高強(qiáng)度螺栓的孔徑應(yīng)大于螺栓的公稱直徑d大1.5～2.0mm。

1.2.2 壓力型高強(qiáng)度螺栓連接是將部件之間的摩擦力和螺栓中心軸的剪切力與部件的壓力傳遞應(yīng)力，其孔徑應(yīng)與螺栓的公稱直徑相比d大1.O～1.5mm。采用數(shù)控鉆床鉆孔和鉆模鉆孔。

簡而言之，摩擦型高強(qiáng)度螺栓和壓力型高強(qiáng)度螺栓實(shí)際上是相同的螺栓，設(shè)計是否考慮滑動。摩擦高強(qiáng)度螺栓不得滑動，螺栓不承受剪切力，一旦滑動，設(shè)計為損壞狀態(tài)，技術(shù)成熟；壓力高強(qiáng)度螺栓可滑動，螺栓也承受剪切力，最終損壞相當(dāng)于普通螺栓損壞（螺栓或鋼板損壞）。

1.2.高強(qiáng)度螺栓連接副可由一個高強(qiáng)度螺栓、一個螺母和兩個墊圈組成。

上圖為大六角高強(qiáng)度螺栓和扭剪高強(qiáng)度螺栓墊片配置

施工過程中，結(jié)構(gòu)應(yīng)臨時用粗螺栓固定。結(jié)構(gòu)安裝找正后，粗螺栓應(yīng)從螺栓組中部逐一更換為高強(qiáng)度螺栓，并進(jìn)行初始擰緊。初始擰緊后，應(yīng)再次擰緊和最終擰緊。

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上圖為大六角頭高強(qiáng)度螺栓連接副，長度不同

安裝大六角頭高強(qiáng)度螺栓連接副時，螺栓兩側(cè)應(yīng)加墊圈(圖3)a)。初始扭矩值為最終扭矩值50％，最終扭矩值的計算公式為：Tc=K*Pc*d。式中Tc最終扭矩值，N·m；K扭矩系數(shù)；Pc施工預(yù)拉力，kN；d高強(qiáng)度螺栓螺紋直徑，mm。扭矩扳手用于擰緊，每次使用前應(yīng)校正扭矩。

上圖為電動六角頭扭矩扳手

1.2.4扭剪高強(qiáng)度螺栓、高強(qiáng)度螺栓、螺母和墊圈形成扭剪高強(qiáng)度螺栓連接副。

上圖為高強(qiáng)度扭剪螺栓

上圖顯示了一個扭曲的電動扳手

上圖是高強(qiáng)度螺栓安裝原理

進(jìn)行扭剪型高強(qiáng)度螺栓連接副安裝時，應(yīng)僅在螺母一側(cè)加一個墊圈(圖3b)。初始扭矩值計算公式如下：Tc=0.065*Pc*d。式中Tc初始扭矩值，N·m；Pc施工預(yù)拉力，kN；d高強(qiáng)度螺栓螺紋直徑，mm。最后，用專用扳手?jǐn)Q斷尾部梅花頭。質(zhì)量檢驗(yàn)的重點(diǎn)應(yīng)放在施工過程的監(jiān)督檢驗(yàn)上。

1.3 地腳錨栓

地腳錨栓又稱地腳螺栓、地腳螺釘、地腳螺釘?shù)?，用于鋼結(jié)構(gòu)柱腳與混凝土基礎(chǔ)連接的構(gòu)件。一般采用Q235、Q345圓鋼制作。

上圖為不同類型的地腳錨栓(直徑大于24mm應(yīng)采用錨板的形式)

安裝時，鋼框架固定地腳錨栓組，與綁扎鋼籠一起安裝，然后澆筑混凝土。螺栓頭應(yīng)露出混凝土表面的一定長度?；炷吝_(dá)到一定強(qiáng)度后，安裝鋼柱腳，最后在柱底進(jìn)行二次灌漿。

上圖為鋼框固定地腳錨栓組

上圖為地腳錨栓示意圖

上圖為二次灌漿前鋼結(jié)構(gòu)柱腳的圖片（用橡膠套包裝，以保護(hù)錨栓頂部不受螺紋）

1.4 化學(xué)錨栓

化學(xué)錨栓是一種由化學(xué)劑和金屬桿組成的新型緊固材料。用于在已建成的混凝土結(jié)構(gòu)上安裝其他結(jié)構(gòu)的連接器?？捎糜诟鞣N鋼結(jié)構(gòu)、幕墻、大理石干掛施工、設(shè)備安裝、公路、橋梁護(hù)欄安裝、建筑加固改造等場合的后埋件安裝。

上圖是化學(xué)錨栓的螺釘和藥劑

化學(xué)錨栓是繼膨脹錨栓之后出現(xiàn)的一種新型錨栓。它是一種復(fù)合材料，通過特殊的化學(xué)粘合劑固定在混凝土基材鉆孔中，以實(shí)現(xiàn)固定部件的錨固。由于化學(xué)錨栓具有較大的抗拉承載能力，可以替代埋地錨桿，常用于忘記在施工現(xiàn)場安裝鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件，但混凝土已澆筑，用化學(xué)錨栓預(yù)埋件補(bǔ)救。

上圖為不同直徑的化學(xué)錨栓承載力(不同廠家的產(chǎn)品略有差異)

化學(xué)錨栓的施工步驟如下：

（1）.根據(jù)工程設(shè)計要求，在基材（如混凝土）的相應(yīng)位置鉆孔，由專業(yè)技術(shù)人員或現(xiàn)場試驗(yàn)確定孔徑、孔深和螺栓直徑。

（2）.用沖擊鉆或水鉆鉆孔。

（3）.鉆孔中的灰塵用專用氣缸、刷子或壓縮空氣機(jī)清洗，建議重復(fù)至少3次，孔內(nèi)無灰塵和明水。

（4）.確保螺栓表面干凈、干燥、無油。

（5）.確認(rèn)玻璃管錨固包無外觀損壞、藥物凝固等異?，F(xiàn)象，將圓頭朝外放入錨固孔，推至孔底。

（6）.使用電鉆和專用安裝夾具，將螺強(qiáng)力旋轉(zhuǎn)插入孔底，不得沖擊。

（7）.當(dāng)旋轉(zhuǎn)到孔底或螺栓上的標(biāo)記位置時，立即停止旋轉(zhuǎn)，拆下安裝夾具，凝膠后避免干擾，直至完全固化。加班旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致膠流失，影響錨固力。(旋轉(zhuǎn)時間不得超過30秒，速度不得低于300轉(zhuǎn)/分，不得超過750轉(zhuǎn)/分，螺栓推進(jìn)速度約為2cm/秒，不允許沖擊。

1.5 膨脹螺栓

膨脹螺栓的作用與化學(xué)錨栓相同，用于應(yīng)力較小的錨固件。

上圖中不同規(guī)格的膨脹螺栓

膨脹螺栓不得用于混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫和容易產(chǎn)生裂縫的部分。同時，主要承重結(jié)構(gòu)、重要管道和高速運(yùn)行、沖擊載荷和振動的膨脹螺栓應(yīng)根據(jù)計算的設(shè)計抗拉力和抗剪力選擇較大的規(guī)格型號。

螺栓的材料和規(guī)格

鋼結(jié)構(gòu)中常用的螺栓規(guī)格包括M12、M16、M20、M24、M30，M為螺栓符號，數(shù)字為公稱直徑。

上圖顯示了高強(qiáng)度扭剪螺栓的尺寸表

螺栓按性能等級分分.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12.90個等級，其中8個.8級以上螺栓為低碳合金鋼或中碳鋼，經(jīng)過熱處理（淬火、回火），通常稱為高強(qiáng)度螺栓.8級以下(不含8級).8級)一般稱為普通螺栓。

螺栓性能等級標(biāo)簽由兩部分組成，分別表示螺栓的公稱抗拉強(qiáng)度和材料的屈強(qiáng)比。如性能等級為4.6級螺栓的含義是:第一部分?jǐn)?shù)字(4.6中的4是螺栓材料的公稱抗拉強(qiáng)度（N/mm2)1/100；第二部分?jǐn)?shù)字(4.6中的6是螺栓材料屈強(qiáng)比的10倍；兩部分?jǐn)?shù)字的乘積(4×6=24是螺栓材料公稱屈服點(diǎn)（N/mm2）的1/10。

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