编者注
装配式钢结构建筑已成为建筑业发展的新方向和新趋势，其连接节点及结构体系的高效装配是装配式钢结构建筑设计的重点和难点之一。高强度螺栓连接作为20世纪70年代以来在我国迅速发展起来的钢结构施工技术，拆装方便，非常符合装配式结构施工的特点，还具有节点刚度大、承载力强、安全性能高等优点。
近年来，高强螺栓的新品种、新技术、新工艺、新节点、新结构不断涌现。基于此背景，本期邀请中冶建筑研究总院侯照新院长担任专刊主编，集中介绍中冶建筑研究总院与北京建筑大学联合团队在高强螺栓连接、全螺栓节点、高效预制钢结构体系等方面的研究成果，以期为高强螺栓连接和高效预制钢结构体系的推广应用及标准规范的制定提供技术支持与参考。
特刊编辑
侯兆欣
全国工程勘察设计大师
国家钢结构工程技术研究中心总工程师
中冶集团钢结构领域首席专家
中冶建筑研究总院（深圳）有限公司首席科学家
《钢结构》（中英文版）编委
教授级高级工程师，国家一级注册结构工程师、一级注册建造师、注册咨询工程师，国务院政府特殊津贴获得者、国家领军人才、新中国成立70周年奖章获得者、深圳市工程勘察设计功勋大师。
侯照新大师从事钢结构研究、设计、施工、监理、咨询及标准制定工作35余年，积极参与国家重大战略工程和重大专项研究项目建设，在钢结构领域享有盛誉，成为我国钢结构领域钢结构高强螺栓检测，特别是在高强度螺栓连接技术领域的领军人物之一。多年来在专业领域形成了“钢结构、主题公园、海外项目”三大技术特色，在“高强度螺栓连接、金属屋面、国产钢材走出去、钢结构建筑工业化”四个方面做出了突出贡献。其中，研究成果“建筑钢结构新型连接节点与体系设计理论、关键技术与工程应用”荣获2011年国家科技进步二等奖。
研究背景
高强度螺栓连接作为现代钢结构的主要连接方式之一，具有受力性能好、耐疲劳、抗震性能好、连接刚度大、施工简单、可拆卸更换等优点，广泛应用于建筑钢结构、桥梁钢结构、塔桅钢结构等工程连接，成为钢结构现场安装的主要手段之一。
国内外对室温下高强度螺栓标准孔连接的研究已取得非常丰富的成果，各国都形成了完整的室温下高强度螺栓设计规程，如美国钢结构规范、加拿大规范、英国规范、中国钢结构规范等。针对高温条件，国内外也对8.8级、10.9级高强度螺栓钢在高温下的材料性能进行了研究。
按照现行规范，高强螺栓的安装形式多为摩擦型连接。但无论采用哪种类型的螺栓，都要求安装精度比较高，误差往往以毫米为单位。而目前的施工精度受各种条件和因素的影响，很多方面都达不到要求。这就导致施工单位在安装某些构件的螺栓连接节点时，经常会遇到构件上预留的螺栓孔与连接板不能完全对应的情况，给现场安装施工带来困难。高强螺栓槽节点对加工安装误差的适应性更强，施工方便，且能通过滑动变形释放温度内力和地震效应，从而保护主体结构的安全。目前，对高强螺栓槽节点的研究很少，甚至还没有高温下高强螺栓槽节点的研究。
为此，本文对室温、130℃、200℃条件下高强螺栓槽节点承载力及变形能力进行了试验研究，分析了温度、孔形、螺栓直径等参数变化对高强螺栓槽节点滑移性能的影响。
研究内容
1 高强度螺栓新技术、新工艺介绍
1.1 12.9级及以上高强度螺栓
普通螺栓的强度等级一般分为4.4级、4.8级、5.6级、8.8级，高强度螺栓的强度等级一般分为8.8级、9.8级、10.9级、12.9级，其中10.9级较为常用。
12.9级高强螺栓主要用于汽车发动机盖与缸体之间的连接，工作应力较大，要求可靠性非常高。12.9级、14.9级高强螺栓在原表面状态下，一般在20小时左右出现延迟断裂；经过涂层处理后，其抗延迟断裂时间明显延长，达到或接近标准要求；在建筑钢结构中，螺栓连接的节点应力相对较低，因此目前建筑领域很少使用12.9级及以上的高强螺栓。
随着高强度高性能钢在工程中的广泛应用，对高强度螺栓的设计和应用也提出了更高的要求。在材料方面，已开发出42CrMoVNb等新型螺栓钢，抗延迟性能和延展性均有较大提高；在性能研究方面，中国学者已将12.9级螺栓应用于各类高强度钢节点进行研究，并提出了高强度螺栓使用的方法和建议。
1.1.1 螺栓材质
12.9级高强螺栓通常采用SCM 435合金钢制成，其抗拉强度达到1220 MPa。针对12.9级以上高强螺栓，惠伟军等在常用的42CrMo钢基础上开发了高强螺栓钢，在1300 MPa强度级别下具有良好的抗延迟断裂性能，同时设计了1500 MPa级高强螺栓钢42CrMoVNb，可作为14.9级高强螺栓钢使用。蔡璐等采用ADFI钢开发了1300 MPa级高强螺栓，并对其工艺和力学性能进行了试验。陆海波等在ADFI高强螺栓钢基础上开发了满足14.9级性能的发动机缸盖螺栓，其抗拉强度为1.45~1.49 GPa。
1.1.2 性能研究
Ana M Girao Coelho等人将12.9级螺栓用于端板连接，通过对节点性能和破坏模式的试验研究发现，12.9级螺栓试件破坏时均为脆性断裂裂纹，基本没有塑性变形。Primož Može、Darko Beg、Chakherlou TN等人研究了12.9级螺栓用于双剪条件下高强钢节点的性能，结果表明，采用12.9级螺栓时，剪切破坏过程中螺栓的变形较小，原因是12.9级螺栓材质为高强钢，塑性变形较小。
1.1.3 标准规范
对于建筑工程应用领域，国际标准ISO 898.1-2009对12.9级螺栓的材料性能、螺栓强度等做出了相关规定，见表1、表2。而中国标准GB 50017-2017、中国规范JGJ 82-2011、美国规范ANSI/AISC 360-10、英国规范BS 5950-1∶2000及欧洲规范EN 1993-1-8中均未对12.9级螺栓作出相关规定；对于机械工程应用领域，JB/T 7150-1993给出了工程机械应用中12.9级螺栓的主要检验项目及检测方法。
表1 ISO 898.1-2009对高强度螺栓力学性能的规定
注：Rm 为公称抗拉强度；Rp0.2 为机加工试样规定的 0.2%非比例伸长应力；
为荷载作用下的保证应力；Sp,nom/Rp0.2,min 为保证应力比；A 为加工试件的截面伸长率；Z 为加工试件的截面收缩率。
表2 ISO 898.1-2009对高强度螺栓钢性能的规定
注：f此性能等级所用材料应具有良好的淬透性，以保证螺纹部分心部在回火前约有90%的马氏体。g表示该合金钢至少应含有下列元素中的一种，其最小含量为：铬0.30%、镍0.30%、钼0.20%、钒0.10%；当规定的两种、三种或四种元素的组合且含量低于上述值时，该合金钢所采用的极限值为上述两种、三种或四种有关元素单独极限值总和的70%。h表示12.9/12.9等级的表面不允许有可用金相学测量的白色磷酸盐层，需要采用合适的检测方法。 i 表示使用12.9/12.9等级时必须慎重，考虑制造商的能力、紧固方法和公共使用情况，因为环境因素可能会对紧固件造成应力腐蚀损坏。
1.1.4 工程应用
俄罗斯莫斯科某超高层建筑采用12.9级高强螺栓连接，该楼高340米，共94层，主体结构为钢筋混凝土剪力墙结构，第32层至第36层钢桁架连接节点均采用12.9级高强螺栓连接。
1.2 单向螺栓
在钢管结构中，闭口钢管比开口钢管具有更好的弯曲和扭转刚度，与混凝土结合使用时，闭口钢管能达到更高的承载力。但闭口钢管用普通螺栓连接存在困难：普通螺栓连接时需在钢构件两侧均进行紧固，由于闭口钢管截面是封闭的，因此普通螺栓无法紧固。单向螺栓的出现很好地解决了这一难题，单向螺栓只需单侧安装和紧固，且能达到普通高强螺栓的力学性能。自20世纪80年代单向螺栓研制开始以来，国外出现了许多不同的单向螺栓产品，如英国Lindapter International公司的Hollo-Bolt及改进型RMH、EHB螺栓；英国Advanced Bolting Solutions公司的Molabolt螺栓；英国Blind Bolt公司的Blind Bolt螺栓；美国LNA Solutions公司的Box Bolt螺栓； 美国Huck International公司的BOM、HSBB、Ultra-Twist螺栓；澳大利亚Ajax Engineered Fasteners公司的oneside Fastener螺栓；荷兰Flowdrill BV公司的Flowdrill技术等。
1.2.1单向螺栓产品
国内学者也对单向螺栓进行了研究开发。李国强等人对单向螺栓进行了较为详细的研究，申请了单侧紧固螺栓发明专利，研制了国产钢结构用自锁8.8级、10.9级单向螺栓STUCK-BOM，并进行了拉伸试验和剪切试验，探究了在轴向拉力和竖向剪力作用下，单向螺栓连接钢板的连接节点承载力及破坏模式。试验表明，与同等级普通螺栓相比，单向螺栓的剪切承载力有较大提高；同时，从螺杆拉伸变形、套筒变形、锥头与套筒相对滑移3个方面，给出了自锁螺栓初始拉伸刚度的计算方法。计算结果与试验数据吻合较好，可为工程应用提供参考。
范胜刚等人以M20扭剪型高强螺栓为原型，设计了一种新型单面螺栓——SHSOB螺栓，给出了其成型原理和安装步骤，并对预紧力随时间的变化趋势、失效模式、荷载-位移曲线变化规律、抗剪承载力计算公式等进行了试验研究和理论分析。
刘康等人发明了一种新型单向螺栓—注脂式单向螺栓。这种螺栓由螺母、螺杆、颈垫、橡胶垫圈、套筒、锥形螺母组成。螺母、颈垫、橡胶垫圈上留有注脂孔。通过注脂孔将油脂注入单向螺栓内部，填充套筒与螺杆之间及套筒与螺栓孔壁之间的间隙，可解决螺栓预紧力较小时螺栓在螺栓孔内滑移而引起的连接初始刚度较低的问题。
陈克凡等人提出了一种新型单面紧固螺栓专利——伞型膨胀螺栓扣件和旋转膨胀螺栓扣件。
1.2.2 单向螺栓节点性能
王岩等对比了同一螺栓等级条件下（8.8级）单向高强螺栓与普通高强螺栓连接的T型试件节点的破坏模式、节点承载力、试件刚度、变形等试验结果的差异。分析表明：单向高强螺栓的极限拉力承载力与普通高强螺栓基本相同，T型试件的承载力和初始刚度也基本相同，但单向高强螺栓节点的塑性变形能力较弱。
王景峰等基于欧洲标准EN 1993-1-8，通过数学推导和建模计算，得到了圆钢管混凝土柱高强单向螺栓T型件的初始刚度计算方法；并以10.9级高强单向螺栓连接T型件与圆管混凝土柱为例，将推导的计算公式结果与试验结果进行了对比，二者一致性较好，理论计算值小于试验值，可以认为给出的公式偏保守。王景峰等还对钢管混凝土柱与单侧高强螺栓端板组合梁连接的两层框架进行了拟动力试验研究，试件在加载过程中表现出良好的抗震性能和耗能能力。 相同柱截面含钢率下,随着输入加速度峰值的增加,单向螺栓端板连接圆形钢管混凝土框架的累积耗能大于半刚性方形钢管混凝土框架。
王培军等建立有限元模型，模拟分析了8种温度下3种不同厚度螺纹T型法兰板配8.8级单向高强螺栓T型节点拉伸性能的差异，通过对比不同节点的失效模式、抗拉强度及刚度，得出单向高强螺栓T型节点抗拉强度的变化与钢材在高温作用下材料性能的变化相一致，节点在高温下的失效模式与常温下相同。
1.2.3 工程应用
国内应用单向螺栓的案例较多，如厦门人行栈桥项目、武汉广电创新产业园雨棚、凯尔科技大厦高层办公楼等。但总体来说，国内单向高强螺栓应用较少，且缺乏相关技术规程。国内单向高强螺栓种类单一也是单向螺栓在工程中推广的障碍之一。同济大学正在编纂《高预紧力单向螺栓节点技术规程》，在相关技术规程完善、螺栓种类丰富之后，单向高强螺栓或将越来越受到设计、施工方的青睐。
1.3 环槽铆钉
环槽铆钉又称哈克铆钉或哈克螺栓，是根据胡克定律（图1）发明的一种连接副。用特制的铆接工具铆接后，铆钉会受到轴向力的拉伸，并径向挤压环圈，使环圈内径金属流入铆钉的环槽中，形成永久性的金属塑性变形连接。环槽铆钉具有连接强度高、抗松动性能优良、疲劳强度高等特点。
图1 环槽铆钉示意图
1.3.1 节点性能
张天雄等对高强度不锈钢短尾环槽铆钉原材料进行了单轴拉伸试验、单钉预紧力测量试验、单钉拉伸和剪切承载力试验以及钉组铆接顺序试验。结果表明：环槽铆钉原材料05Cr17Ni4Cu4Nb满足10.9级高强度螺栓力学性能要求，环槽铆钉铆接后预紧力损失很小，预紧力实测值为205.6 kN，建议取安全系数1.3，以155 kN作为设计值，与M20 10.9级高强度螺栓预紧力设计值一致。 高强度不锈钢短尾环槽铆钉连接副的铆接顺序原则可参考JGJ 82-2011中的相关规定。张向锋等、王永彦等对环槽铆钉接头进行了拉伸性能试验和疲劳性能试验，总结了环槽铆钉接头拉伸失效过程规律、疲劳寿命规律及疲劳失效原因，并基于有限元模拟结果为后期铆接件改进、铆钉补强等提供了基础数据支持。
王莉等采用LMTF和LMTP套筒与LMC铆钉组合，研究了不同套筒对连接强度的影响，结果表明：两种套筒与LMC铆钉组合的轴向拉脱强度和剪切强度均满足《铁道货车专用铆钉及铆接技术条件》的要求，且LMTF套筒的承载能力更高。
张勤等基于Deform数值模拟方法对LMDSM-T22-50环槽铆钉进行有限元模拟，分析铆接头的夹紧承载能力、拉脱承载能力、剪切承载能力及疲劳性能，并进行相关试验验证。结果表明，有限元模拟结果与试验数据一致性较好，该类型环槽铆钉平均拉脱力为375.5 kN，剪切力为272.3 kN，经过200万次疲劳试验，未发生疲劳损伤，满足GB/T 36993-2018《环槽铆钉连接副技术条件》的要求。
邓华等和陈伟刚采用环槽铆钉搭接铝合金板，分析了节点失效模式及铆钉孔直径、端距、边距等参数的影响。结果表明：节点失效模式有环槽铆钉剪切破坏、板顶部纵向撕裂破坏和板侧横向撕裂破坏3种类型，控制端距和边距可以避免后两类破坏。环槽铆钉与被连接板之间的摩擦力十分有限，属于压力承载型连接，在剪力作用下，节点的位移-荷载曲线可分为弹性段（摩擦段、滑移段、压力段）和加强段，压力段端部荷载值可作为剪切承载力设计值。王等对环槽铆钉连接的铝合金T型连接件进行了单调拉伸试验，研究了其破坏模式、极限承载力及荷载-位移曲线，总结了环槽铆钉连接的铝合金T型连接件承载力计算公式；此外，王等对单点载荷作用下环槽铆钉连接的铝合金梁、柱足尺节点的转动刚度、变形能力及弯曲承载力进行了试验研究，发现欧洲规范在承载力计算上较为保守钢结构高强螺栓检测，并给出了相应的修正公式；王元清等对环槽铆钉连接的铝合金箱形-工字盘节点进行了静力试验，并进行有限元仿真分析，研究了其在平面外弯矩作用下的传力机理、变形性能、节点刚度、破坏模式及极限承载力。
1.3.2 工程应用
环槽铆钉是20世纪40年代由美国的哈克发明的，最初是为了解决二战期间轰炸机频繁降落在航空母舰上造成的巨大震动而导致的螺栓松动失效问题。经过几十年的发展，环槽铆钉已成功应用于航空航天、铁道车辆、铁路轨道、重型车辆及建筑钢结构等领域，解决了严酷工作条件下紧固件连接失效的难题。
在国外，环槽铆钉在铝合金网壳节点体系中应用十分广泛，其中最典型的应用是美国Temcor公司的专利——铝合金单层网壳节点体系。此外，环槽铆钉在桥梁工程领域也有着广泛的应用，如澳大利亚新南威尔士州的钢结构桥、美国旧金山的奥克兰海湾大桥等。在国内，环槽铆钉在矿山机械的振动筛、通讯塔中作为紧固件得到广泛应用，在江门中微子探测器项目中也作为专用连接件使用。 此外，环槽铆钉在我国桥梁工程领域也有应用，如天府机场高速钢-混凝土结合桥、廊坊跨京沪高铁光明公路立交桥等，以及建筑工程领域，如中国现代五项中心游泳击剑馆、宁波市小学体育馆钢结构穹顶、北京嘉德艺术中心幕墙、雄安新区交通枢纽金属屋面等。
1.4 预紧力指示器
高强度螺栓施加预紧力后，使被连接的构件紧固，从而产生很大的静摩擦力来抵抗构件所承受的侧向载荷，避免螺栓的剪切破坏，同时也防止构件间的横向滑移，增强连接的紧密性和刚度；另外，对螺栓施加预紧力可以提高螺栓的疲劳强度。预紧力的大小会影响构件的承载能力，因此需要控制预紧力的大小。
由于钢结构中高强度螺栓的使用量较大，因此施工方法的可靠性和便捷性具有重要的价值。由于采用转角法施工相对麻烦，国外研究采用“直接拉力指示器”来控制高强度螺栓的拧紧轴力，并逐渐应用于建筑钢结构、桥梁、电站、风电设备、石油化工设备、体育展览场馆等。
传统的预紧指示器DTI(图2)是带有特殊突起的垫圈，垫圈夹紧在螺栓连接件与螺母之间，通过观察垫圈突起的压缩程度，得到相应施加预紧力的大小。观察垫圈压缩程度的方法有两种：间隙测量法和色胶目测法。顾名思义，间隙测量法是通过测量垫圈压缩后突起的高度来指示垫圈的压缩程度；而色胶目测法是将色胶灌入垫圈中，当垫圈压缩时，色胶就会喷出，通过喷出的色胶量来指示垫圈的压缩程度。国外已有相关的DTI标准。
图2 直接张力指示器DTI
陈吉平等对传统的直接拉力指示器及其施工工艺进行了改进，研制出“自动控制垫圈”（ACW）。“自动控制垫圈”（图3）的形式、尺寸及控制螺栓预紧力的原理与DTI基本相同，但ACW的控制方法原理为“以力控力”。超薄型传感器（图3中检测条）的配套使用，可检测出控制点与参考点之间的相对距离，并可输出至螺栓预紧施工机的控制电路。当达到设计的预紧力（控制点与参考点达到同一高度）时，预紧施工机自动停机，解决了DTI依靠人工控制（间隙测量法、色胶目测法）造成的偏差，提高了高强螺栓预紧力应用值的准确性，从而提高了高强螺栓工程应用的安全性。
1—检测条输出端；2—参考点；3—控制点。
图3 自动控制洗衣机
1.5 螺栓防腐
螺栓属于金属制品，在使用过程中容易受到周围环境的影响而发生腐蚀，螺栓的力学性能会受到影响。高强度螺栓作为节点连接的构件，容易发生锈蚀而造成节点破坏，降低整体结构的安全性和稳定性。因此，对螺栓进行防腐处理十分必要。
易桂虎等提出了一种新的螺栓防腐施工方法，即在原有渗锌封漆防腐形式的基础上涂刷油漆。在螺栓安装前对螺钉进行涂漆，预留两端，螺栓安装完成后，对螺钉两端及螺母进行涂漆。此方法虽然增加了现场施工工序，但采用此种防腐方法可大大降低渗锌涂层的消耗率。同时，由于外露的螺母在安装后才进行涂漆，对螺栓孔能起到一定的堵塞作用，减少水汽的进入。油漆和渗锌的双层保护可有效减缓腐蚀，减少后期维护。
Henryk Kania等人提出了一种新的热对流处理方法对10.9级螺栓表面进行镀锌处理。这种新的热处理方法将螺栓置于密闭的旋转容器中，锌粉在旋转容器中不断撒向螺栓表面。锌粉中还混入了ZnO作为填料、NH4Cl作为催化剂。实验表明，这种新型的螺栓镀锌处理方法可以在保持原有力学性能的同时，为处理后的10.9级螺栓提供良好的防腐保护。处理后的螺栓表面均匀，锌粉与螺栓表面接触良好。同时，镀锌所需的时间比传统粉末镀锌要短。
为了应对项目中的问题，ying chaozhao是指在美国规格中镀锌的相关内容，并提出了有关高强度螺栓的镀锌的建议：在进行大气腐蚀时，在石油化，电力和其他行业中，只能使用高效果的高效率来使用高效果要求镀锌高强度的螺栓必须根据需要预先拧紧，因为热浸镀锌对高强度螺栓的线程有一定的影响，因此需要将其置于设计时，并保留一定的安全额度。 根据摩擦型高强度螺栓设计时，建议使用手动钢丝刷处理热浸镀锌组件的节点接触表面。
热浸镀锌后的螺栓系数非常离散，使用扭矩方法不适用螺栓固定，而其他人则研究了长州现代媒体中心的主要塔楼。理想和相应的工程体验总结了：当使用弯角方法进行构造时，热浸镀锌的高强度螺栓与普通的高强度螺栓不同，也将其分为初始拧紧和最终的拧紧。 高强度螺栓的初始拧紧和最终拧紧应该以拧紧顺序进行，即从螺栓组的中心开始，然后按顺序拧紧到外部。
2国内外标准的比较分析
2.1螺栓类型
He Hairong compared the classification of bolt types in Chinese, American and European standards. The American standard (AISC 360-10) mainly uses three types of bolts: A307 bolts, A325 bolts and A490 bolts, which correspond to my country's Class C bolts, Class 8.8 bolts and Class 10.9 bolts respectively. A325 bolts and A490 bolts are used for pressure-type connections and friction-type connections of high-strength bolts. When designing, it is necessary to verify the ultimate bearing capacity state (considering the shear or pressure damage of the bolts) and the normal use limit state (considering the bolt sliding displacement). The European standard (EN 1993-1-8) divides shear bolts into three categories: the first category is equivalent to ordinary bolts in my country, and its performance levels include 4.6, 4.8, 5.6, 8.8 and 10.9. 在板的接触表面不需要特殊的螺栓，第二类是在正常使用中，不应有螺栓的压力。在最终的轴承能力状态下，i螺栓连接需要验证我所在国家的JGJ 82-2011中的防滑要求，还必须验证在最终轴承能力下的孔壁上的压力。 第二类螺栓施加螺栓预张力，包括8.8和10.9高强度螺栓。
2.2高强度螺栓孔直径的比较
Wang Jingye等人在中国和欧洲标准中的高强度螺栓的孔直径的内容，如下：我所在国家的GB 50017-2017“钢结构设计标准”标准说明，摩擦型连接bolt的孔径比1.5至2 mm孔 - 孔直径为1.5 MM大于螺栓直径。
表3欧洲和中国标准中高强度螺栓孔直径的比较
