用螺栓将两个或多个钢结构部件或构件连接成一体的方法。螺栓连接是构件预装和结构安装中最简单的连接方法。
上图显示了梁柱节点的全螺栓连接
螺栓连接最早用于金属结构安装,20世纪30年代末螺栓连接逐渐被铆钉连接所代替,在构件装配中仅作为临时固定措施使用。20世纪50年代出现了高强度螺栓连接方法。用中碳钢或中碳合金钢制成,其强度比普通螺栓高2~3倍。高强度螺栓连接具有施工方便、安全可靠等优点,20世纪60年代起在一些冶金工厂钢结构的制作与安装中开始采用。
上图显示了梁接头的完全螺栓连接。
螺栓的分类:螺栓有很多叫法,如螺钉、螺栓钉、标准件、紧固件等,螺栓是紧固件的统称。
广义的螺栓包括普通螺栓、高强度螺栓、地脚螺栓、膨胀螺栓、化学锚栓等;狭义的螺栓又分为普通螺栓连接和高强度螺栓。
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一
普通螺栓连接
主要分为粗螺栓连接和精螺栓连接。
普通螺栓按形式可分为六角头螺栓、双头螺栓、沉头螺栓等;
上图为埋头螺栓
按制造精度分为A、B、C三个等级,A、B级为精制螺栓,C级为毛坯螺栓,除非另有规定,钢结构用连接螺栓一般为普通毛坯C级螺栓。
1.1
毛坯螺栓采用碳素结构钢制成,为使螺栓能顺利穿入螺孔,孔径应比螺栓公称直径d大1.0~2.0mm,螺栓孔间距应布置在便于扳手拧紧螺母的位置。当用螺栓连接柱、梁、屋架时,应采用带支撑板的连接结构,此时螺栓处于受拉状态,其剪力由支撑板承担(如下图所示)。
粗制螺栓材料强度等级较低,限制了其在结构连接中的应用,但在剪力较小的次梁、墙梁、屋架梁、支撑、铰支座等连接中仍得到广泛应用。
上图为普通螺栓
毛坯螺栓还常用于工厂钢结构的预组装、铆接构件铆接前的预紧、高强度螺栓连接前的装配、安装节点焊接前的临时紧固等。当毛坯螺栓作为永久固定螺栓使用时,需对中后紧固,并应采取防松措施。
上图为柱脚螺栓双螺母防松措施
1.2
制作螺栓时孔径应与螺钉直径相同,用锤子将螺栓敲入螺孔,对孔的质量和螺钉的加工精度有严格的要求。精制螺栓一般用于机械产品,在建筑钢结构中很少使用。
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二
高强度螺栓连接
用高强度钢制成的螺栓或需要较大预紧力的螺栓都称为高强度螺栓。高强度螺栓施加预紧力,通过摩擦力传递外力。普通螺栓连接靠螺栓杆的抗剪能力和孔壁的承载能力,拧紧螺母时产生的预紧力很小,其影响可以忽略不计。高强度螺栓除了材料强度高外,还对螺栓施加很大的预紧力,使被连接构件间产生挤压力,从而在垂直于螺纹方向产生很大的摩擦力,而预紧力、抗滑移系数及钢种都直接影响高强度螺栓的承载能力。
上图为高强度螺栓的工作原理。
高强度螺栓按受力情况主要分为摩擦型和承压型两大类。
按照施工工艺,高强螺栓分为扭剪型高强螺栓、大六角高强螺栓两种。
上图为扭剪型高强度螺栓及大六角高强度螺栓。
2.1
摩擦型高强度螺栓连接,外力是靠螺栓拧紧压力使连接板层相互紧贴后,在钢板接触面上产生的摩擦力来传递的,构件表面经喷砂处理后生成红锈面,可获得较大的摩擦系数钢结构用扭剪型高强度螺栓连接,减少连接螺栓的数量。摩擦型高强度螺栓的孔径应比螺栓公称直径d大1.5~2.0mm。
2.2
承压高强螺栓连接是通过使构件间的摩擦力和螺栓中心轴的剪力与构件的承压同时作用来传递应力的。孔径应比螺栓公称直径d大1.0~1.5mm。孔采用数控钻床钻孔、坐标钻孔。
总之,摩擦型高强螺栓和压力型高强螺栓其实是同一种类型的螺栓,只是设计时是否考虑滑移的问题。摩擦型高强螺栓必须不滑动,螺栓不承受剪力,一旦滑移,则设计认为已经达到破坏状态,技术上已经成熟;压力型高强螺栓可以滑动,螺栓也承受剪力,最终破坏程度相当于普通螺栓的破坏程度(螺栓剪断或钢板压溃)。
2.3
大六角高强度螺栓是由一个高强度螺栓、一个螺母和两个垫圈组成高强度螺栓连接副。
上图为大六角高强螺栓及扭剪高强螺栓的垫片配置情况。
施工时,先用毛坯螺栓对结构进行临时固定,待结构安装找正后,从螺栓组中间开始,逐个将毛坯螺栓更换为高强度螺栓并初拧,初拧后再按顺序重新拧紧,最后进行扭紧。
上图为不同长度的大六角高强度螺栓的连接。
安装大六角头高强螺栓连接副时,应在螺栓两侧各加垫圈(图3a),初拧扭矩值为终拧扭矩值的50%,复拧扭矩值等于终拧扭矩值,终拧扭矩值计算公式为:Tc=K*Pc*d。式中Tc为终拧扭矩值,N·m;K为扭矩系数;Pc为施工预拉力,kN;d为高强螺栓螺纹直径,mm。使用力矩扳手拧紧钢结构用扭剪型高强度螺栓连接,每次使用前应校准扭矩。
上图为手动大六角头扭力扳手
上图为电动大六角扭力扳手
2.4
扭剪型高强螺栓,高强螺栓、螺母、垫圈组成扭剪型高强螺栓连接副。
上图为扭剪型高强度螺栓
上图为扭剪型电动扳手
上图为扭剪型高强度螺栓的安装原理。
安装扭剪型高强螺栓连接副时,应只在螺母一侧加一个垫圈(图3b)。初拧扭矩值计算公式为:Tc=0.065*Pc*d。式中Tc为初拧扭矩值,N·m;Pc为施工预拉力,kN;d为高强螺栓螺纹直径,mm。终拧采用专用扳手,直至尾部梅花头折断为止。质量检验的重点应放在对施工过程的监督检查上。