第三章 鋼結(jié)構(gòu)的連接
3.6 鋼結(jié)構(gòu)螺栓的種類與構(gòu)造
3.6.1 鋼結(jié)構(gòu)螺栓連接概述
鋼結(jié)構(gòu)螺栓連接(bolt connecting for steel structure)，將兩個以上的鋼結(jié)構(gòu)零部件或構(gòu)件用螺栓連接成為一體的連接方法。螺栓連接是構(gòu)件預(yù)裝和結(jié)構(gòu)安裝中更簡便的連接方式。
上圖為梁柱節(jié)點全螺栓連接
螺栓連接在金屬結(jié)構(gòu)安裝中更早使用。19世紀30年代后期，螺栓連接逐漸被鉚釘連接代替，僅在構(gòu)件組裝中作為臨時固定措施。20世紀50年代出現(xiàn)了高強度螺栓連接方法。高強度螺栓用中碳鋼或中碳合金鋼制成，其強度比普通螺栓高2～3倍。高強度螺栓連接具有施工方便、可靠等優(yōu)點，60年代以后在一些冶金工廠的鋼結(jié)構(gòu)制造安裝中開始應(yīng)用。
上圖為梁拼接的全螺栓連接
3.6.2 螺栓的規(guī)格
鋼結(jié)構(gòu)中常用的螺栓規(guī)格有M12、M16、M20、M24、M30，M為螺栓符號，數(shù)字為公稱直徑。
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共十個等級，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)，通稱為高強度螺栓，8.8級以下（不含8.8級，精制普通螺栓也包含8.8級）通稱為普通螺栓。下表為螺栓的性能等級及力學(xué)性能。
螺栓性能等級標號由兩部分數(shù)字組成，分別表示螺栓的公稱抗拉強度和材質(zhì)的屈強比。如性能等級分4.6級的螺栓其含義為：部分數(shù)字（4.6中的“4”）為螺栓材質(zhì)公稱抗拉強度（N/mm2）的1/100，即表示fu≥400N/mm2；第二部分數(shù)字（4.6中的“6”）為螺栓材質(zhì)的屈強比的10倍，即表示fy/fu=0.6；兩部分數(shù)字的乘積（4×6=“24”）為螺栓材質(zhì)公稱屈服點（或屈服強度）的（N/mm2）的1/10，即表示fy≥240N/mm2。
鋼結(jié)構(gòu)普通螺栓按制作精度可分為A、B、C級三個等級。A、B級為精制螺栓，一般用于機械產(chǎn)品，C級為粗制螺栓。除特殊說明外，鋼結(jié)構(gòu)普通螺栓一般為普通粗制C級螺栓，性能等級4.6級或4.8級。
螺栓連接的強度設(shè)計值采用GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》表3.4.1-4 取值
3.6.3 螺栓的分類
螺栓有很多叫法，螺釘、螺栓釘、標準件、緊固件等。
廣義上螺栓包括普通螺栓、高強螺栓、地腳錨栓、膨脹螺栓、化學(xué)錨栓、螺釘、栓釘?shù)?；狹義上的螺栓分為普通螺栓連接和高強度螺栓兩種。
?。?） 普通螺栓連接
普通螺栓按制作精度分粗制螺栓、精制螺栓。
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；
上圖是沉頭螺栓
1）粗制螺栓
C級螺栓一般為粗制螺栓，用碳素結(jié)構(gòu)鋼制成，為使螺栓順利地穿入螺孔，其孔徑應(yīng)比螺栓公稱直徑d大1.0～2.0mm，為II類孔。螺栓孔距排列要便于扳手擰緊螺帽。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)。
粗制螺栓所用材料強度等級低，限制了其在結(jié)構(gòu)連接中的使用范圍，但在剪力較小的工作平臺次梁、墻皮梁、屋面梁及支撐、鉸接支座等的連接中仍得到廣泛應(yīng)用。
上圖為普通螺栓
粗制螺栓還普遍用于廠房鋼結(jié)構(gòu)的預(yù)拼裝、鉚接構(gòu)件鉚接前的預(yù)緊固以及高強度螺栓連接前的組裝和安裝節(jié)點焊接前的臨時緊固等。粗制螺栓作為固定螺栓使用時，需在找正后將其擰緊并采取防松措施。
上圖為柱腳螺栓的雙螺母防松措施
2）精制螺栓
A級、B級螺栓為精制螺栓，孔一般為Ⅰ類孔，其孔徑應(yīng)比螺栓公稱直徑d大0.3～0.5mm。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械產(chǎn)品，建筑鋼結(jié)構(gòu)中極少使用。
?。?）高強度螺栓連接
用高強度鋼制造的，或者需要施以較大預(yù)緊力的螺栓，皆可稱為高強度螺栓。高強度螺栓施加預(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，而高強螺栓除了其材料強度很高之外，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螺栓的承載力。
上圖是高強螺栓的工作原理
高強螺栓按其受力狀況主要分為：摩擦型和承壓型兩種。
高強螺栓按施工工藝分為：扭剪型高強螺栓和大六角高強螺栓兩種。
上圖是扭剪型高強螺栓和大六角高強螺栓
1） 摩擦型高強螺栓連接，靠螺栓緊固壓力使連接板層貼緊后在鋼板接觸表面產(chǎn)生的摩擦力來傳遞外力。對構(gòu)件表面進行噴砂處理后生成赤銹面，可獲得較大的摩擦系數(shù)，減少連接螺栓的數(shù)量。摩擦型高強度螺栓的孔徑應(yīng)比螺栓公稱直徑d大1.5～2.0mm。
2） 承壓型高強度螺栓連接，是使構(gòu)件間產(chǎn)生的摩擦力和螺栓軸剪切力與構(gòu)件的承壓力同時作用來傳遞應(yīng)力的，其孔徑應(yīng)比螺栓公稱直徑d大1.0～1.5mm。制孔采用數(shù)控鉆床鉆孔和鉆模鉆孔等方法。
總之，摩擦型高強螺栓和承壓型高強螺栓實際上是同一種螺栓，不同之處在于設(shè)計是否考慮滑移。設(shè)計上，摩擦型高強螺栓摩擦面不能滑動，螺桿不承受剪力，一旦摩擦面滑移，就認為達到設(shè)計破壞狀態(tài)，在技術(shù)上比較成熟、可靠；承壓型高強螺栓摩擦面可以滑動，螺桿也承受剪力，更終破壞與普通螺栓破壞相同（螺栓剪壞或鋼板壓壞）。
3） 大六角高強螺栓，由一個高強度螺栓、一個螺母和兩個墊圈可組成高強度螺栓連接副。
上圖是大六角高強螺栓和扭剪型高強螺栓的墊片配置
施工時，先用粗制螺栓將結(jié)構(gòu)臨時固定，待結(jié)構(gòu)安裝找正后，再從螺栓群中部開始逐個將粗制螺栓換上高強度螺栓并進行初擰，初擰后再順次進行復(fù)擰和終擰。
上圖是不同長度的大六角頭高強度螺栓連接副
進行大六角頭高強度螺栓連接副安裝時，螺栓兩邊應(yīng)各加一個墊圈(圖3a)。初擰扭矩值為終擰扭矩值的50％，復(fù)擰扭矩值等于終擰扭矩值，終擰扭矩值計算公式為：Tc=K*Pc*d。式中Tc為終擰扭矩值，N·m；K為扭矩系數(shù)；Pc為施工預(yù)拉力，kN；d為高強度螺栓螺紋直徑，mm。施擰采用扭矩扳手，每次使用前應(yīng)進行扭矩校正。
上圖是手動大六角頭扭矩扳手
上圖是電動大六角頭扭矩扳手
4） 扭剪型高強螺栓，一個高強度螺栓、一個螺母和一個墊圈組成扭剪型高強螺栓連接副。
上圖是扭剪型高強螺栓
上圖是扭剪型電動扳手
上圖是扭剪型高強螺栓安裝原理
進行扭剪型高強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)。初擰扭矩值計算公式為：Tc=0.065*Pc*d。式中Tc為初擰扭矩值，N·m；Pc為施工預(yù)拉力，kN；d為高強度螺栓螺紋直徑，mm。終擰采用專用扳手將尾部梅花頭擰斷為止。質(zhì)量檢查的應(yīng)放在施工過程的監(jiān)督檢查。
（3） 地腳錨栓
地腳錨栓別名地腳螺栓、地腳螺絲、地腳絲等，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。
上圖是不同種類的地腳錨栓（直徑大于24mm應(yīng)采用錨板形式）
安裝時由鋼框固定地腳錨栓組，與綁扎鋼筋籠一起安裝，然后澆筑混凝土，螺栓頭應(yīng)露出混凝土面一定長度。待混凝土達到一定強度后，安裝鋼柱腳，柱底二次灌漿。
上圖是鋼框固定地腳錨栓組
上圖是地腳錨栓示意圖
上圖是二次灌漿前鋼結(jié)構(gòu)柱腳的圖片（為保護錨栓頂不螺紋用橡皮套包裝）
?。?） 化學(xué)錨栓
化學(xué)錨栓是一種新型的緊固材料，由化學(xué)藥劑與金屬桿體組成的。用于在已建成的混凝土結(jié)構(gòu)上安裝其他結(jié)構(gòu)的連接件。可用于各種鋼結(jié)構(gòu)、幕墻、大理石干掛施工中的后加埋件安裝，也可用于設(shè)備安裝，公路、橋梁護欄安裝，建筑物加固改造等場合。
上圖是化學(xué)錨栓的螺桿和藥劑
化學(xué)錨栓是繼膨脹錨栓之后出現(xiàn)的一種新型錨栓，是通過特制的化學(xué)粘接劑， 螺桿膠結(jié)固定于砼基材鉆孔中，以實現(xiàn)對固定件錨固的復(fù)合件。因為化學(xué)錨栓的抗拔承載力較大，可替代埋件錨筋，常用在施工現(xiàn)場忘記安裝鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件但混凝土已澆筑完成，用后加的化學(xué)錨栓埋件來補救。
上圖是不同直徑的化學(xué)錨栓承載力（不同廠家產(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）中相應(yīng)位置鉆孔，孔徑、孔深及螺栓直徑應(yīng)由技術(shù)人員或現(xiàn)場試驗確定。
2）用沖擊鉆或水鉆鉆孔。
3）用專用氣筒、毛刷或壓縮空氣機清理鉆孔中的灰塵，建議重復(fù)進行不少于3次，孔內(nèi)不應(yīng)有灰塵與明水。
4）保證螺栓表面潔凈、干燥、無油圬。
5）確認玻璃管錨固包無外觀破損、藥劑凝固等異?，F(xiàn)象，將其圓頭朝外放入錨固孔并推孔底。
6）使用電鉆及專用安裝夾具，將螺桿強力旋轉(zhuǎn)插入直孔底，不應(yīng)采用沖擊方式。
7）當(dāng)旋孔底或螺栓上標志位置時，立刻停止旋轉(zhuǎn)，取下安裝夾具，凝膠后完全固化前避免擾動。超時旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致膠液流失，影響錨固力。（旋轉(zhuǎn)時間不應(yīng)超過30秒，轉(zhuǎn)速不應(yīng)低于300轉(zhuǎn)/分，不大于750轉(zhuǎn)/分，螺栓推進速度約為2cm/秒，不允許采用沖擊方式。）
?。?） 膨脹螺栓
膨脹螺栓的作用與化學(xué)錨栓作用相同，用于受力較小的錨固件。
上圖不同規(guī)格的膨脹螺栓
混凝土結(jié)構(gòu)有裂縫的部位和容易產(chǎn)生裂縫的部位，不得采用膨脹螺栓。同時，主要承重結(jié)構(gòu)、重要管道以及高速運轉(zhuǎn)、承受沖擊荷載和振動較大的設(shè)計采用的膨脹螺栓，應(yīng)按計算的設(shè)計抗拉力和設(shè)計抗剪力選用大一級的規(guī)格型號。
3.6.4 螺栓的排列和構(gòu)造要求
螺栓排列分為并列和錯列兩種：
并列——簡單、整齊、緊湊所用連接板尺寸小，但構(gòu)件截面削弱大；
錯列——排列不緊湊，所用連接板尺寸大，但構(gòu)件截面削弱??；
（1）受力要求
垂直受力方向：為了防止螺栓應(yīng)力集中相互影響、截面削弱過多而降低承載力，螺栓的邊距和端距不能太??；
順力作用方向：為了防止板件被拉斷或剪壞，端距不能太小；
對于受壓構(gòu)件：為防止連接板件發(fā)生鼓曲，中距不能太大。
?。?）構(gòu)造要求
螺栓的邊距和中距不宜太大，以免板件間貼合不密，潮氣侵入腐蝕鋼材。
?。?）施工要求
為了便于扳手擰緊螺母，螺栓中距應(yīng)不小于3do；
根據(jù)以上要求，GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》給定了螺栓的容許間距。
