第三章 钢结构连接
3.6 钢结构螺栓的种类和结构
3.6.1 钢结构螺栓连接概述
钢结构螺栓连接是用螺栓将两个或多个钢结构零件或构件连接成一体的连接方法。螺栓连接是构件预装和结构安装中最简单的连接方法。
上图为梁柱节点的全螺栓连接。
螺栓连接首先用于金属结构的安装。 1830年代后期，螺栓连接逐渐被铆钉连接所取代，铆钉连接仅用作部件组装时的临时固定措施。高强度螺栓连接方法出现于20世纪50年代。高强度螺栓采用中碳钢或中碳合金钢制造，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，自20世纪60年代起开始应用于一些冶金工厂的钢结构制造和安装。
上图为梁拼接的全螺栓连接。
3.6.2 螺栓规格
钢结构中常用的螺栓规格有M12、M16、M20、M24、M30等。 M为螺栓符号，数字为公称直径。
螺栓按性能等级分为十个等级：3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9。其中8.8级以上螺栓采用低碳合金钢或中碳钢并经过热处理（淬火、回火），俗称高强度螺栓，8.8级以下（不含8.8级、精制普通螺栓）还包括8.8级）一般称为普通螺栓。下表列出了螺栓的性能等级和机械性能。
螺栓性能等级标签由两部分数字组成，分别代表螺栓的公称抗拉强度和材料的屈强比。例如，性能等级为4.6的螺栓的含义为：数字的第一部分（4.6中的“4”）为螺栓材料公称抗拉强度（N/mm2）的1/100，即表示fu≥400N/mm2；第二部分数字（4.6中的“6”）为螺栓材料屈服强度比的10倍，即fy/fu=0.6；数字（4×6=“24”）两部分的乘积就是螺栓材料的公称屈服点（或屈服强度）（N/mm2）的1/10钢结构螺栓检测，即fy≥240N/mm2。
钢结构用普通螺栓按其生产精度可分为A、B、C三个等级。 A、B级为精制螺栓，一般用于机械产品，C级为粗制螺栓。除另有规定外，钢结构用普通螺栓一般为普通粗C级螺栓，性能等级为4.6或4.8。
螺栓连接强度设计值按GB50017-2003《钢结构设计规范》表3.4.1-4确定
3.6.3 螺栓的分类
螺栓有多种名称，如螺钉、螺栓、标准件、紧固件等。
广义上的螺栓包括普通螺栓、高强螺栓、地脚螺栓、膨胀螺栓、化学锚栓、螺钉、螺栓等；狭义上，螺栓分为普通螺栓连接和高强度螺栓。
(1)普通螺栓连接
普通螺栓按制造精度分为粗制螺栓和精制螺栓。
普通螺栓按形式可分为六角头螺栓、双头螺栓、沉头螺栓等；
上图是沉头螺栓
1) 粗螺栓
C级螺栓一般是碳素结构钢制成的毛坯螺栓。为了使螺栓顺利穿入螺孔，孔径应比螺栓公称直径d大1.0～2.0毫米，为II级孔。螺栓孔间距应安排好，以便扳手能拧紧螺母。当采用粗螺栓连接柱、梁、屋架时，宜采用带支撑板的连接结构。此时螺栓处于拉力状态，其剪切力由支撑板承受（如下图所示）。
粗螺栓使用的材料强度水平较低，限制了其在结构连接中的使用。但仍可用于剪力较小的工作平台次梁、墙梁、顶梁与支架、铰接支架等的连接。广泛使用。
上图为普通螺栓
粗制螺栓还常用于工厂钢结构的预装配、铆接构件铆前的预紧、高强螺栓连接前的装配、安装节点焊接前的临时紧固等。当采用粗螺栓作为永久固定螺栓时，必须找正后拧紧，并采取防松措施。
上图为双头螺栓双螺母的防松措施。
2）精制螺栓
A、B级螺栓为精制螺栓，孔一般为I级孔。孔径应比螺栓公称直径d大0.3～0.5mm。精制螺栓连接用于一些经常拆卸、无法铆接的结构连接。精制螺栓一般用于机械产品，很少用于建筑钢结构。
(2)高强度螺栓连接
由高强度钢制成或需要较大预紧力的螺栓可称为高强度螺栓。高强度螺栓施加预紧力，通过摩擦传递外力。普通螺栓连接依靠螺栓杆的抗剪力和孔壁的承压来传递剪力。拧紧螺母时产生的预紧力很小，其影响可以忽略不计。然而，高强螺栓除了材料强度高之外，还对螺栓施加很大的力。预紧力在连接部件之间产生挤压力，导致垂直于螺杆方向的较大摩擦力。预拉力、抗滑移系数和钢材类型都直接影响高强螺栓的承载能力。
上图为高强度螺栓的工作原理
高强度螺栓按其受力情况主要分为摩擦型和承压型两种。
高强螺栓按施工工艺分为扭剪高强螺栓和大六角高强螺栓两种。
上图为扭剪型高强螺栓和大六角型高强螺栓
1）摩擦式高强螺栓连接依靠螺栓拧紧压力使连接板层相互靠近后在钢板接触面上产生的摩擦力来传递外力。对构件表面进行喷砂处理，生成红锈表面后，可获得较大的摩擦系数，并可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）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载压力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。 。孔的制作采用数控钻床钻孔、钻模钻孔等方法。
总之，摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓实际上是同一类型的螺栓。区别在于设计时是否考虑了滑移。从设计上来说，摩擦型高强螺栓的摩擦面不能滑动，螺杆不承受剪切力。摩擦面一旦打滑，则认为已达到设计失效状态，技术成熟可靠；承压高强螺栓的摩擦面可以滑动，螺杆也承受剪切力，最终失效与普通螺栓相同（螺栓被剪切或钢板被压碎）。
3）大六角高强螺栓，由一个高强螺栓、一个螺母和两个垫圈组成高强螺栓连接副。
上图为大六角型高强螺栓和扭剪型高强螺栓的垫片配置。
施工时，先用粗螺栓对结构进行临时固定。结构安装找正后，从螺栓组中间开始，将粗螺栓逐一更换为高强螺栓，并进行初步紧固。初次拧紧后，依次进行重新拧紧。最后扭转。
上图为不同长度的大六角头高强螺栓的连接副。
安装大六角头高强螺栓连接时，应在螺栓两侧加垫圈（图3a）。初始拧紧扭矩值为最终拧紧扭矩值的50%，重复拧紧扭矩值等于最终拧紧扭矩值。最终拧紧扭矩值的计算公式为：Tc=K*Pc*d。式中，Tc为最终拧紧扭矩值，N·m； K为扭矩系数； Pc——施工预拉力，kN； d为高强度螺栓的螺纹直径，mm。使用扭力扳手拧紧，每次使用前应校准扭力。
上图是手动大六角头扭力扳手
上图是电动大六角头扭力扳手
4)扭剪型高强螺栓，高强螺栓、螺母和垫圈组成扭剪型高强螺栓连接副。
上图为扭剪型高强螺栓。
上图为扭剪式电动扳手
上图为扭剪型高强螺栓的安装原理。
安装扭剪型高强螺栓连接时，螺母一侧只需加一个垫圈（图3b）。初始拧紧扭矩值的计算公式为：Tc=0.065*Pc*d。式中，Tc为初始拧紧扭矩值，N·m； Pc——施工预拉力，kN； d为高强度螺栓的螺纹直径，mm。最后用专用扳手将末端的梅花头拧掉。质量检查的重点应放在施工过程的监督检查上。
(3) 地脚螺栓
锚栓又称地脚螺栓、地脚螺钉、锚丝等，用于将钢结构柱脚与混凝土基础连接。一般采用Q235、Q345圆钢制成。
上图为不同类型的地脚螺栓（直径大于24mm应采用地脚板形式）
安装时，地脚螺栓组由钢架固定，并与绑扎钢筋笼安装在一起。然后浇筑混凝土，螺栓头应露出混凝土表面一定长度。待混凝土达到一定强度后，安装钢柱脚，最后对柱底进行两次灌浆。
上图为钢架固定地脚螺栓组
上图为地脚螺栓示意图
上图为钢结构柱脚二次灌浆前的图片（地脚螺栓均装有胶套，以防止螺纹）
(4)化学锚栓
化学锚栓是一种新型紧固材料，由化学物质和金属棒组成。用于在已建成的混凝土结构上安装其他结构的连接器。可用于各种钢结构、幕墙、大理石干挂施工中后预埋件的安装。还可用于设备安装、路桥护栏安装、建筑物加固改造等。
上图为化学锚栓的螺杆及药剂
化学锚栓是继膨胀锚栓之后出现的一种新型锚栓。它们是通过特殊的化学粘合剂和螺杆胶结固定在混凝土基材的钻孔中，实现紧固件锚固的复合材料零件。由于化学锚栓具有较大的拉拔承载能力，可以替代预埋锚杆。施工现场经常忘记安装钢结构预埋件钢结构螺栓检测，而混凝土已经浇筑完毕，采用后来添加的化学锚栓预埋件来补救。
上图为不同直径化学锚栓的承载能力（不同厂家的产品略有差异）
化学锚栓的施工步骤如下：
1）根据工程设计要求，在基材（如混凝土）相应位置钻孔。孔径、孔深和螺栓直径应由专业技术人员或现场试验确定。
2）用冲击钻或水钻钻孔。
3）用专用气缸、刷子或压缩空气机清除钻孔内的灰尘。建议重复此过程不少于3次。孔内不应有灰尘或露天水。
4）确保螺栓表面清洁、干燥、无油污。
5）确认玻璃管锚袋无外观损伤、化学凝固或其他异常现象，将其圆端向外放入锚孔内，推至孔底。
6) 使用电钻和专用安装夹具，用力旋转并插入螺钉，直至其到达孔底。不应使用冲击方法。
7）当螺杆到达孔底或螺栓上标记位置时，立即停止转动，取下安装夹，凝胶化后避免扰动，直至完全凝固。旋转时间过长导致胶水流失，影响锚固力。 （旋转时间不应超过30秒，旋转速度不应小于300转/分且不大于750转/分，螺栓前进速度约为2厘米/秒，不允许采用冲击方法。）
(5)膨胀螺栓
膨胀螺栓与化学锚栓的作用相同，用于受力较小的锚栓。
上图中不同规格的膨胀螺栓
混凝土结构有裂缝的部位和易产生裂缝的部位不宜使用膨胀螺栓。同时，主要承重结构、重要管道以及高速运行、承受较大冲击载荷和振动的膨胀螺栓，根据计算的设计抗拉强度和抗拉强度，应采用较大规格和型号的膨胀螺栓。设计剪切强度。
3.6.4 螺栓布置及结构要求
螺栓布置分为平行和交错两种：
并行——简单、整洁、紧凑。所用连接板尺寸较小，但元件截面大大削弱；
交错布置——布置不紧凑，所用连接板尺寸较大，但元件截面较小；
(1) 力量要求
垂直受力方向：为防止螺栓应力集中相互影响，因截面过度弱化而降低承载力，螺栓边距和端距不能太小；
沿力作用方向：为防止板材被拉扯或剪切，端距不能太小；
对于受压元件：为防止连接板鼓起，中间距离不能太大。
（二）结构要求
螺栓边距和中距不宜过大，以免板与板之间配合松动，水分侵入而腐蚀钢材。
（三）施工要求
为了便于扳手拧紧螺母，螺栓之间的距离不应小于3do；
基于上述要求，GB50017-2003《钢结构设计规范》给出了螺栓的允许间距。
如需查看往期课程，请点击以下链接：
第一章 钢结构概述
第二章 钢结构材料
第三章 钢结构连接
