重新认识高强度螺栓：颠覆你对钢结构施工的基本认识

如果这里的内容对你有帮助的话请点击关注哦！

高强度螺栓是我们钢结构施工中最常见的施工内容，所有的钢结构工程师都会感觉自己非常熟悉，然而事实可能并非如此，我们从最基础的概念开始，带大家重新认识高强度螺栓，可能会颠覆你最基本的认识。

1、什么是高强度螺栓？

高强度螺栓（High-Strength Friction Grip Bolt），英文直译：高强度摩擦预紧螺栓，英文缩写：HSFG。可见，我们在中文建筑中所指的高强度螺栓，就是高强度摩擦预紧螺栓的简称。在日常交流中，将“摩擦”和“预紧（握）”两个词简单简称，导致很多工程技术人员对高强度螺栓的基本定义产生误解。

颠覆1：

误解：材料等级高于8.8级的螺栓就是“高强度螺栓”。

高强度螺栓与普通螺栓的核心区别不在于所用材料的强度，而在于受力形式，本质在于是否施加预紧力，是否利用静摩擦力抵抗剪切。（1）*

事实上，在英美标准中，规范中提到的高强度螺栓（HSFG BOLT）只有8.8级及10.9级（BS EN 14399 / ASTM-A325 & ASTM-490），而普通螺栓则有4.6级、5.6级、8.8级、10.9级、12.9级等（BS 3692第11条款表2）；由此可见，材料强度并不是区分高强度螺栓与普通螺栓的关键。

2.正确理解“高强度”及其强度

按照GB50017计算单个普通螺栓（B级）8.8级和一个高强度螺栓8.8级的抗拉、抗剪强度。

通过计算可知，相同等级下，普通螺栓的抗拉强度和抗剪强度设计值均高于高强度螺栓。（2）*

那么，是什么让高强度螺栓如此“坚固”呢？

要回答这个问题，必须从两种螺栓的设计工作条件出发，研究其弹塑性变形的规律，了解设计失效的极限状态。

普通螺栓与高强度螺栓工作条件下的应力-应变曲线

失效时的设计极限状态

普通螺栓：螺钉本身发生超过设计允许的塑性变形，螺钉被剪断。

普通螺栓连接中，在开始施加剪力之前，连接板间就会发生相对滑移，随后螺栓杆件与连接板接触，发生弹塑性变形，承受剪力。

高强度螺栓：克服有效摩擦面间的静摩擦力，使两块钢板产生相对位移，这在设计上被认为是一种破坏。

高强度螺栓连接中，摩擦力首先承受剪力，当荷载增大到摩擦力不足以抵抗剪力时，静摩擦力被克服，连接板发生相对滑移（极限状态），此时虽然已经损坏，但螺栓杆与连接板保持接触，仍能依靠自身的弹塑性变形承受剪力。（3）*

Subversion 2：

误解：高强度螺栓比普通螺栓具有更高的承载能力，因此被称为“高强度”。

从单个螺栓的计算可以看出，高强度螺栓在拉伸和剪切方面的设计强度均低于普通螺栓。其强度高的本质在于正常工作时，节点处不允许出现相对滑移，即弹塑性变形小，节点刚度大。

可以看出：在给定设计节点荷载条件下，采用高强度螺栓设计的节点不一定能节省螺栓使用数量，但变形小、刚度大、安全储备高，适用于主梁等需要节点刚度较大的位置，符合“强节点、弱杆件”的基本抗震设计原则。

高强度螺栓的强度并不在于其本身的承载力设计值，而在于其设计节点刚度大、安全性能高、抗破坏能力强。

3、高强度螺栓与普通螺栓的比较

普通螺栓与高强度螺栓由于受力设计原理不同，因此其施工检验方法也有很大区别。

同等级普通螺栓的力学性能要求略高于高强度螺栓，但高强度螺栓比普通螺栓多一项冲击工作验收要求。

标志风格对比

价格对比

高强度螺栓：（M24、L60、8.8级）

可以看出，普通螺栓的价格约为高强度螺栓的70%左右，结合二者验收要求的对比，可以得出溢价部分应该是为了保证材料的冲击功（韧性）性能。

4. 总结

对于一个看似简单的问题，要对其本质有深刻、全面、正确的认识却并非易事。高强度螺栓与普通螺栓的定义、含义、深刻内涵的区别，是我们正确认识、使用高强度螺栓和进行施工管理的基本前提。

看法

（1）*：有些钢结构方面的书籍确实认为高强度螺栓是指强度等级超过8.8级的螺栓。这种观点首先不符合英美标准，因为没有对某一特定强度等级的“强”和“弱”作出定义。其次，也不符合我们工作中所指的“高强度螺栓”。

(2)*：为便于比较，本文未考虑复杂螺栓组的受力情况。

（3）*：承压型高强螺栓的设计还考虑了螺钉的承压力，在后面的“承压型与摩擦型高强螺栓对比”中会详细介绍。

关于高强度螺栓，你了解多少？

高强度螺栓在生产上的全称是高强度螺栓连接副，一般不简称为高强度螺栓。

按安装特点分为：大六角头螺栓、扭剪型螺栓，其中扭剪型仅用于10.9级。

高强度螺栓按性能级别分为：8.8级、10.9级。其中8.8级只有大六角高强度螺栓才有。在标记方法中，小数点前的数字表示热处理后的抗拉强度；小数点后的数字表示屈强比，即屈服强度的测定值与极限抗拉强度的测定值之比。8.8级表示螺栓杆件的抗拉强度不小于800MPa，屈强比为0.8；10.9级表示螺栓杆件的抗拉强度不小于1000MPa，屈强比为0.9。

结构设计中高强度螺栓直径一般为M16/M20/M22/M24/M27/M30系列，M22/M27为次选系列，一般情况下以M16/M20/M24/M30为主。

高强螺栓在抗剪设计中按设计要求分为两种：高强螺栓压力型、高强螺栓摩擦型。

摩擦型承载力取决于传力摩擦面的抗滑移系数和摩擦面的数量，喷砂（抛丸）后红锈的摩擦系数最高，但从实际操作来看，受施工水平影响较大，不少监理单位提出能否降低标准，以保证工程质量。

压力型承载力取决于螺栓抗剪承载力最小值和螺栓杆件抗压承载力，在仅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压力型抗剪承载力为39.2~48.6 kN，优于摩擦型。

在安装方面，承压式工艺更简单，连接面只需清除油污、铁锈即可。钢结构规范中很有意思的是沿轴线方向的抗拉承载力，摩擦式设计值等于0.8倍预紧力，压力式设计值等于螺钉有效面积乘以材料抗拉强度设计值。看似差别很大，其实两个数值基本相同。

当同时承受剪力和轴拉力时，摩擦型要求是螺栓承受的剪力与剪切承载力之比加上螺钉承受的轴力与拉力承载力之比的应力比小于1.0，压力型要求是螺栓承受的剪力与剪切承载力之比的平方加上螺钉承受的轴力与拉力承载力之比的平方小于1.0。也就是说，在同样的荷载组合下，同样直径的压力型高强螺栓的设计安全储备要​​高于摩擦型高强螺栓。

考虑到在强震重复作用下，连接摩擦面可能失效，此时的剪切承载力仍取决于螺栓的抗剪承载力和板的受压承载力，因此抗震规范规定了高强螺栓极限剪切承载力的计算公式。

承压型虽然在设计值上有优势，但属于剪压破坏型，螺栓孔为与普通螺栓类似的多孔螺栓孔，受荷时变形远大于摩擦型，因此高强螺栓承压型主要用于非抗震构件连接、非动荷载构件连接、非重复构件连接等。

这两种正常使用极限状态之间也有区别：

摩擦型连接是指连接摩擦面在基本荷载组合作用下发生相对滑移；

承压连接是在标准荷载组合作用下，连接件之间发生相对滑移的连接连接；

焊接和螺栓知识

焊接等级

1、焊缝等级为施工验收等级，共三个等级，其中3级最低，只要求外观检查和尺寸检查；2级要求进行部分超声波探伤；1级最高，要求进行全部探伤检查。

2.对于焊缝等级，原则是拉伸等级高于压缩等级，动态等级高于静态等级。

3.对接焊缝一般要求进行无损检测（或部分检测）。因此，对接焊缝的焊接等级一般为2级或1级，不低于2级。

4、角焊缝无需进行无损检测，因此如果将角焊缝评定为1级，则无意义。一般将角焊缝评定为2级或3级。

5. 焊缝等级请参阅钢材规范第7.1.1条，请留意该条款的解释。

普通螺栓

1、普通螺栓分为A、B、C三种，前两种为精制螺栓，很少使用。普通螺栓一般指C级普通螺栓。

2、在一些临时连接和需要拆卸的连接中，经常使用C级普通螺栓。建筑结构中常用的普通螺栓有M16、M20、M24。一些机械工业毛坯螺栓可能直径比较大，有特殊用途。

高强度螺栓

3、高强度螺栓的材质与普通螺栓不同，高强度螺栓一般用于永久性连接，常用的是M16~M30，过大尺寸的高强度螺栓性能不稳定，应谨慎使用。

4、建筑结构主要构件的螺栓连接一般采用高强度螺栓。

5、出厂的高强度螺栓不分承压型或摩擦型。

6、是摩擦型高强螺栓还是压力型高强螺栓？其实在设计计算方法上是有区别的：

（1）摩擦型高强螺栓以板层间发生滑动作为极限承载能力状态。

（2）对于承压高强度螺栓，以板层间滑移作为正常使用的极限状态，以连接破坏作为承载力的极限状态。

7、摩擦型高强度螺栓不能充分发挥螺栓的潜力。实际应用中，对非常重要的结构或承受动荷载的结构，特别是当荷载引起反向应力时，应采用摩擦型高强度螺栓。此时，可将螺栓未利用的潜力作为安全储备。在其他地方，应采用压力型高强度螺栓，以降低成本。

普通螺栓与高强度螺栓的区别

8、普通螺栓可以重复使用，高强度螺栓不能重复使用。

9、高强度螺栓一般采用高强度钢（45钢（8.8s）、20MmTiB（10.9S））制成，属于预应力螺栓。摩擦型是使用力矩扳手施加规定的预应力，压力型是旋开梅花头。普通螺栓一般采用普通钢材（Q235）制成，只需拧紧即可。

10、普通螺栓一般为4.4级、4.8级、5.6级、8.8级，高强度螺栓一般为8.8级、10.9级，其中以10.9级最为常见。

11、普通螺栓的螺孔不一定比高强度螺栓的大，事实上普通螺栓的螺孔相对较小。

12、普通A、B级螺栓的螺孔一般只比螺栓大0.3~0.5mm，C级螺栓的螺孔一般比螺栓大1.0~1.5mm。

13、摩擦型高强螺栓依靠摩擦力来传递荷载，因此螺杆与螺孔的差值可达1.5～2.0mm。

14、压力型高强螺栓的传力特性是在正常使用情况下保证剪力不超过摩擦力，与摩擦型高强螺栓相同。当荷载进一步增加时，连接板间将产生相对滑移，连接依靠螺钉的抗剪力和孔壁的压力来传力，与普通螺栓相同，因此螺钉与螺钉孔的差值略小，在1.0-1.5mm。

柱脚锚栓

15、地脚螺栓没有等级之分，只有材质的区别：Q235和Q345。建筑结构中最常用的地脚螺栓是柱脚地脚螺栓。

16、柱脚锚栓既不是普通螺栓，也不是高强度螺栓，严格意义上来说，它不算螺栓，柱脚锚栓一般为M20或M24。

17、柱锚栓的制造标准应与普通螺栓相同，柱锚栓的埋置长度应与其与混凝土间的摩擦力以及锚栓形式有关。

膨胀螺栓和化学螺栓

18、无论是膨胀锚栓还是化学锚栓，都不是国家标准规定的连接形式，应尽量避免使用此类连接，特别是在重要的连接处，应采用预埋件。

19、膨胀锚栓主要靠膨胀管与混凝土间的摩擦力来抵抗拔出，抗拔力的大小与施工工艺、人为因素密切相关，抽检时做拉力试验是没有用的。

20、化学锚栓是用冲孔机钻孔形成孔洞，再灌入化学浆液，置入锚杆，以达到锚固作用的锚栓。

21、膨胀螺栓、化学螺栓其实都是锚栓。有些情况下，由于没有预埋，所以需要使用膨胀螺栓或化学锚栓。但设计时应尽量避免这种情况。因为锚栓应预埋。例如柱脚锚栓。因为只有这样才能保证最佳的粘结和受力。而且事后钻孔往往会对混凝土中的受力钢筋和混凝土本身造成损坏。

22、混凝土规范中，埋入混凝土内的构件称为预埋件。根据建设部文件规定，幕墙不得使用膨胀螺栓。一般新建工程严禁使用膨胀锚栓，而应采用预埋件代替。