钢结构高强度螺栓连接应用范围的探讨

摘要：随看各行各业国际化进程的加快，涉外项目的增多，高强螺栓连接的推广应用已经日趋普遇。根据应用情况，对目前行业结构设计中采用的高强螺栓连接形式的优缺点从技术、经济、施工等几个方面，对钢结构高强度螺栓连接应用范围进行一些探讨。

关键词：扭剪型高强螺栓连接形式安装处理

我国的设计规范将高强度螺栓连接按受力特性分为摩擦型和承压型连接两种，这两种连接形式所采用的螺栓材质、制造、安装以及拧紧预拉力设计值均相同，但承压型连接螺栓孔径的要求比摩擦型连接更为严格，《钢结构设计规范》(GB50017一2003)对构件接触面的处理方法较以往作出了调整，降低了对承压型连接的要求。高强螺栓是一种新型连接方法，同普通螺栓相比，单位体积耗钢量减少30―50%。

一、扭剪型高强螺栓

扭剪型高强螺栓是在大六角普通高强螺栓的基础上发展起来的。它的力学性能和紧固后的连接性能与普通高强螺栓完全一样，区别仅是外形与施工方法不同。扭剪型高强螺栓的螺头与铆钉头相仿，螺尾多了个梅花卡头和一个能控制紧固扭矩的环形切口，在螺栓连接组成上，较普通高强螺栓少一个垫圈，这是因为扭剪型高强螺栓的螺头本身具有垫圈的功能见图1。在施工方法上，普通高强螺栓的紧固力矩用施工扳手控制，而扭剪型高强螺栓的紧固力矩是由螺栓本身的环形切口的扭断力矩来控制的，所以它是一种自标量螺栓。

1.扭剪型高强螺栓的优点

(1)施工简单，易保证质量。扭剪型高强螺栓的紧固扭矩、紧固轴力是由制造厂预先设计的，其紧固质量不受工具和人为因素的影响，只要按一定施工顺序即可，而不会造成超拧或紧固不足的情况。(2)检查直观，不会漏拧。扭剪型高强螺栓的螺尾梅花头断掉后，说明紧固完毕，可直观检查;普通高强螺栓紧固后，还要进行抽样检查紧固状态，费时费工。(3)扭剪型高强螺栓在紧固时，由于梅花头承受相反方向的力矩，所以螺栓中很少有扭转剪应力产生，螺栓基本承受轴向力，处于一种简单应力状态下工作;普通螺栓在紧固时，螺栓中产生轴力的同时还由于螺栓螺纹间的摩擦力在螺栓中产生扭转剪应力，使螺栓处于一种复杂应力状态下工作，所以在同一条件下扭剪型高强螺栓比普通高强螺栓的受力性能好。(4)扭剪型高强螺栓紧固时不会转动，一人即可操作，当采用TC电动扳手时，可减轻劳动强度;普通高强螺栓紧固时会产生转动，需二人配合施工，并且劳动强度大。具有受力性能好、耐疲劳、可拆换、施工方便及安全可靠等优点。

但需要注意的是，在某些特殊情况下，当连接板或构件的板材厚度较薄时，承压型连接的抗剪承载力会低于摩擦型连接的抗剪承载力，这时单纯从螺栓用量上来讲，采用摩擦型连接将更为经济。因此，如果针对不同受力性质的节点按不同的设计方法采用不同的连接形式，即对主要承受静力或间接承受动力荷载作用的连接，当按等强设计法设计时采用承压型连接，按实际受力法设计时采用摩擦型连接，则螺栓的用量将会显著减少，节点外观也会变得比较简洁。

二、高强度螺栓安装要注意以下几点：

(1)严禁强行穿入螺栓(如用锤敲打)。法兰板连接孔应预先配钻成孔，很少有孔错位的问题，在施工前用过冲定位后螺栓能够很好地穿过。但对于老设备修复等，容易产生螺栓孔错位，此时要严禁气割扩孔，必要时，采用铰制扩孔。(2)构件的摩擦面应保持干燥清洁，不得在雨中作业。(3)拧紧螺栓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)高强度螺栓的拧紧应分为初拧、复拧、终拧。初拧扭矩为施工扭矩的50%，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，应在螺母上涂上标记。对终拧后的高强度螺栓，再在螺母上做不同的标记。(5)初拧、复拧和终拧时，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。螺栓的初拧、复拧、终拧应在同一天完成，不可隔天再进行终拧，在施工时要引起安装部门的特别重视。

三、法兰结合面处理及保护

法兰结合面处理是高强度螺栓连接的关键工序，一般法兰接合面采用喷砂处理，达到Sa2•5级，涂厚浆型无机硅酸锌底漆0•03 mm，达到Q345-B法兰板的抗滑移系数为0•40。当设计图纸要求更高的抗滑移系数时，采用喷砂后不涂漆或喷砂后生赤锈的处理方法，达到抗滑移系数0•55。经处理后的高强度螺栓连接处摩擦面应采取保护措施，防止沾染脏物和油污。严禁在高强度螺栓连接摩擦面上作任何标记。由于摩擦型高强度螺栓主要靠法兰接合面传递力，在螺栓2倍直径范围内，要求法兰接合面紧密，间隙为0。在法兰接合面边缘位置，间隙≤0•5 mm。该技术要求在制造过程中要重点控制。

综上所述，经济性目前实际工程设计中习惯采用的摩擦型连接并等强设计法虽然安全，但却过于保守，造成螺栓用量太多。例如对常见的人字型柱间支撑一类的轴心受力构件，其稳定承载力一般都较大(如果是拉杆其承载力还会更大)，所用螺栓用量就很多，节点板尺寸也很大。个别按结构分析可采用小截面尺寸的构件，因为螺栓排列的问题而只能增大尺寸，反过来又进一步加大其稳定承载力。设计高强螺栓连接时，应慎重选择连接形式(摩擦型或承压型)，真正做到经济、合理，在可能的情况下积极推广应用承压型连接。

参考文献：

【1】钢结构设计规范GBJ17―88

【2】陈绍蕃主编，钢结构，中国建筑工业出版社

【3】钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程JGJ82―91

【4】李星荣，魏才昂，丁峙棍，等.钢结构连接节点设计手册.第二版.北京:中国建筑工业出版社，2005