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高强度螺栓在抗剪设计上根据设计要求分为:高强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的小值。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。沿轴杆方向抗拉承载力,在钢结构规范中写的很有意思,摩擦型设计值等于0.8倍预拉力,承压型设计值等于螺杆有效面积乘以材料抗拉强度设计值,看起来似乎有很大区别,实际上两个值基本一致。
在同时承受剪力和杆轴方向拉力时,摩擦型要求是螺栓承受的剪力与受剪承载力之比加上螺杆承受轴力与受拉承载力应力比之和小于1.0,承压型要求是螺栓承受的剪力与受剪承载力之比的平方加上螺杆承受轴力与受拉承载力比的平方之和小于1.0,也就是说在同种荷载组合情况下,相同直径的承压型高强度螺栓在设计上的安全储备要**摩擦型高强度螺栓的。
考虑到在强震反复作用下,连接摩擦面可能会失效,这时候的抗剪承载力还是要取决于螺栓抗剪能力和板件承压能力,因此抗震规范规定了高强度螺栓极限受剪的承载力计算公式。
尽管承压型在设计数值上占有优势,但由于其属于剪压破坏型式,螺栓孔为类似普通螺栓的孔隙型螺栓孔,在承受荷载作用时的变形远大于摩擦型,所以高强度螺栓承压型主要用于非抗震构件连接、非承受动荷载构件连接、非反复作用构件连接。
这两种型式的正常使用极限状态也是有区别的:
摩擦型连接是指在荷载基本组合作用下连接摩擦面发生相对滑移;
承压型连接是指在荷载标准组合作用下连接件之间发生相对滑移;
普通螺栓
普通螺栓分A、B、C三种。前两种是精制螺栓,较少用。一般说的普通螺栓,均指C级普通螺栓。
在一些临时连接及需拆卸的连接中,常用到C级普通螺栓。建筑结构常用的普通螺栓有M16、M20、M24。某些机械工业粗制螺栓直径可能比较大,用途。
什么是高强度螺栓
高强度螺栓(High-Strength Friction Grip Bolt),英文直译为:高强度摩擦预紧螺栓,英文简称:HSFG。可见,我们中文施工中所说的高强度螺栓是高强度摩擦预紧螺栓的简称。在日常沟通中,仅仅是简略了“摩擦(Friction)”“预紧(Grip)”两个词,却造成了许多工程技术人员对高强度螺栓基本定义的理解,产生了误区。
材料等级**过8.8级的螺栓,就是“高强度螺栓”?
高强度螺栓和普通螺栓的核心区别并不在于使用材料的强度,而是受力的形式。本质是是否施加预紧力,并利用静摩擦力抗剪。
实际上在英标规范,美标规范中提到的高强度螺栓(HSFG BOLT)只有8.8级和10.9级两种(BS EN 14399 / ASTM-A325&ASTM-490),而普通螺栓却有包含有4.6,5.6,8.8,10.9,12.9等(BS 3692 11款表2);由此可见,材料强度高低并不是区别高强度螺栓与普通螺栓的关键。
正确理解“高强”,强在何处
按照G017,计算单个普通螺栓(B类)8.8级和高强度螺栓8.8级抗拉及抗剪强度。
通过计算我们可以看到,相同等级的情况下,普通螺栓的抗拉强度和抗剪强度的设计值都要**高强度螺栓。
那么高强度螺栓,“强”在哪里?
为回答这一个问题,必须从两种螺栓的设计工作状态入手,研究其弹塑性变形的规律,并理解到设计破坏时的极限状态。
普通螺栓和高强度螺栓工作状态下应力应变曲线
设计破坏时的极限状态
普通螺栓:螺杆本身发生**过设计允许的塑性变形,螺杆被剪坏。
普通螺栓连接,开始承受剪力前连接板间就会发生相对滑移,继而螺栓杆和连接板接触,发生弹塑性形变,承受剪力。
紧固高强度螺母的时候需要使用力矩扳手吗?
普通螺栓与高强度螺母的受力性能与计算方法均有所区别的。高强度螺母的受力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。普通螺栓与高强度螺母的受力功能高强度螺母连接具有施工简单、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。
高强度螺母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,这就是高强度螺母连接的原理。高强度螺母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。
高强度螺栓与普通螺栓的对比
普通螺栓和高强度螺栓由于其设计的受力原理不同,其在施工检验方法上有较大的区别。
同等级普通螺栓各项机械性能要求均比高强度螺栓略高,但高强度螺栓较普通螺栓多一项冲击功的验收要求。
普通螺栓和高强度螺栓的标示是对同等级螺栓现场识别的基本方法。由于英美标准中对于高强度螺栓扭矩值计算的取值并不相同,所以识别两种标准的螺栓也有必要。
高强度螺栓:(M24,L60,8.8级)
普通螺栓:(M24,L60,8.8级)
可见普通螺栓大约为高强度螺栓价格的70%,结合其验收要求的对比,可以得出,其溢价部分就应该是为了**材料的冲击功(韧性)性能。
对于一个看似简单的问题,想要从本质上深入,,正确的理解,也并不是一件简单的事情。高强度螺栓和普通螺栓的定义、含义、深意的区别,是我们正确理解,运用高强度螺栓,并进行施工管理的基础前提。
观 点
(1)在有些钢结构的书中确实有提出,高强度螺栓是指强度**过8.8级的螺栓。对于这种观点,先英美标准是不支持的,没有针对某种特定强度等级来界定“强”与“弱”。其次,也并不符合我们工作中提及的“高强度螺栓”。
(2)为便于对比,此处不考虑复杂螺栓群的受力情况。
(3)承压型高强度螺栓在设计时也考虑了螺杆的承压受力,将在后面的“高强度螺栓承压型和摩擦型对比“中进行详细介绍。
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