超高强度螺栓.pdf
抄录
本文阐述了“超高强度螺栓 SHTB®”，其抗拉强度达到了传统 F10T 螺栓的 1.5 倍，并且成功地克服了延迟断裂问题。
为攻克延迟断裂难题，我们重点开展了以下技术突破：
1）开发了延迟断裂特性的新型评估方法；
2）研制出抗延迟断裂性能优异的特种钢材；
3）创新设计了低应力集中的螺栓结构形态；
4）通过长期暴露试验进行工程实证。
SHTB 成功研发后，钢结构连接部位的体积被缩减到了传统设计的 2/3，这在以下这些方面带来了显著的效益：
1）工程建设成本降低；
2）施工周期缩短；
3）高空作业安全性提升（螺栓数量减少带来的坠落风险降低）。
1. 引言
在钢结构领域，主要的连接技术包含高强度螺栓连接这一种，同时还有焊接连接这一种。
高强度螺栓连接是一种利用工业生产的钢材和高强度螺栓进行紧固从而形成连接部位的方法。与焊接连接不同，这种连接方式的质量不依赖于焊工的技能水平，即便没有高度专业的技能，也能够确保既定的质量。
一方面，超高层建筑等结构物在大型化发展过程中，构件趋向厚壁化和高强度化。仅依靠传统的 F10T 高强度螺栓（抗拉强度 1000N/mm²级）已无法满足需求。这使得单个连接部位需要大量螺栓。进而不可避免地导致连接部位庞大化和施工效率下降。所以，市场对高强度螺栓的高强度化需求日益迫切。
为应对这一市场需求，我们设定了两个目标：
（1）在实用范围内实现厚板和高强度材料的高强度螺栓连接；
减少高强度螺栓连接部位的数量，能够使连接部位变得紧凑，施工更加省力，效率也能得到提升，最终目的是开发 F15T 级超高强度螺栓。
在开发初期，因为对延迟断裂存在担忧，所以 F11T 高强度螺栓实际上被禁止使用了。业界普遍的观点是，“可安全使用的高强度螺栓强度上限为 F10T”。
因此，开发 F15T 级超高强度螺栓是一项重大的技术挑战，要实现它需要以下这些综合措施：
（1）开发延迟断裂特性的评估方法；
（2）开发具有优异抗延迟断裂特性的钢材；
（3）开发不易发生延迟断裂的螺栓形状；
（4）通过实际使用环境中的螺栓暴露试验验证抗延迟断裂性能。
通过这些努力，我们成功开发出了抗拉强度达到 1400N/mm²级别的螺栓。同时，通过新型螺纹形状，实现了 F10T 高强度螺栓 1.5 倍的抗拉强度，这种螺栓被称为“超高强度螺栓 SHTB®”（以下简称 SHTB）。
SHTB 在 1999 年得到了建设大臣（现今的国土交通大臣）的一般认证。2001 年，它首次被应用于超高层建筑。从那之后，其应用范围逐渐稳步地扩大了。
本文将介绍SHTB的技术及其应用案例。
2. 延迟断裂的克服
2.1 延迟断裂的发生过程
高强度螺栓在进行高强度化时，其中一个最大的技术难题是要克服延迟断裂。
钢材承受静态应力后，经过一段时间会突然发生断裂，这种断裂现象被称为延迟断裂，它属于氢脆化的一种形式。
延迟断裂在钢材强度方面，强度越高越容易发生。对于高强度螺栓来说，当钢材的抗拉强度超过 1200N/mm²时，其发生延迟断裂的概率会显著增加。
历史上，JIS 标准制定过 F13T 级高强度螺栓，其抗拉强度为 1300N/mm²。1964 年，F13T 高强度螺栓发生了延迟断裂事故。1967 年，F13T 被从 JIS 标准中删除。随后，1979 年 F11T 级高强度螺栓也被实际禁用。这导致高强度螺栓的强度上限退至 F10T 级。原因是无法消除对 F11T 级以上高强度螺栓发生延迟断裂的担忧。
延迟断裂是由外部因素引起的。这些外部因素包括钢材制造过程、热处理环境、酸洗、电镀或腐蚀等。这些外部因素会侵入钢材，从而导致微量氢的产生。
土木建筑用高强度螺栓导致延迟断裂的氢，主要是由腐蚀作用产生的。其断裂过程可归纳为以下情况（如图 1 所示）：
螺栓腐蚀，氢侵入螺栓内部。
侵入的氢在螺纹部或颈部等应力或塑性应变集中区域扩散并聚集。
当聚集的氢量超过钢材的断裂临界值时，裂纹开始形成。
裂纹形成后，应力集中加剧，导致裂纹在更低的氢量下扩展。
当裂纹扩展到一定阶段时，发生延迟断裂。
因此，要防止高强度螺栓在使用期间出现延迟断裂的情况。需要阻断上述的任何一个过程，或者尽可能地对各个过程的进展进行抑制。
SHTB 开发了高容许氢量的钢材，同时设计了不易发生延迟断裂的螺栓形状，从而显著提升了抗延迟断裂性能。
2.2 延迟断裂特性评估方法的开发
延迟断裂特性的评估方法没有达成统一。各研究机构采用各自的方法进行评估，各评估机构也采用各自的方法进行评估。
传统的延迟断裂特性评估方法主要是通过酸水溶液中的断裂时间来评价延迟断裂特性，同时也会通过酸水溶液中的断裂应力比来评价延迟断裂特性。
这些方法存在问题。酸溶液中的氢具有侵入特性，而螺栓实际使用环境是大气腐蚀环境，在这种大气腐蚀环境下氢也有侵入特性，并且酸溶液中的氢侵入特性与大气腐蚀环境下的氢侵入特性是不同的。
因此，可能会因为酸溶液的种类不同，使得钢材延迟断裂特性的评估结果出现相反的情况，也可能会出现实验室的评估结果与实际环境中延迟断裂的发生情况不相符等问题。
为了解决这些问题，我们研发出了钢中氢量的升温脱附分析方法，同时还研发出了以氢量为基准的新型延迟断裂特性评估方法。
这种评估方法以氢量为基准。它通过比较钢材不发生断裂的氢量上限值[Hc]与实际环境中侵入并蓄积在钢材中的氢量[HE]。如果[Hc]显著大于[HE]，那么就可以判定该钢材在使用中不会发生延迟断裂。
最后测量断裂时间。
[HE]通过进行模拟实际环境的干湿循环试验（CCT），来测定在腐蚀条件下侵入并蓄积在钢材中的氢量。
图 2 展示了以下内容：通过改变化学成分和热处理条件，将抗拉强度调整为 1078 - 1627N/mm²的 6 种钢材，在实验室测定了[Hc]、[HE]，同时这些相同钢材在冲绳海滨地区进行暴露试验，测定了延迟断裂发生的概率，图 2 显示了两者之间的关系。
两者显示出相关性且是良好的，这表明该评估方法能够用于对实际环境中的延迟断裂特性进行评价。
此外，对于应力加载形式为循环应力的结构部件或机械零件，或者氢环境与高强度螺栓不同的结构部件或机械零件，只要能够适当选择[Hc]和[HE]的测定条件，那么这种以氢量为基准的方法就能够适用。
2.3 具有优异抗延迟断裂特性的高强度钢开发
高强度螺栓通常通过淬火和回火赋予强度，其组织为回火马氏体。
回火马氏体钢的延迟断裂起点通常是原奥氏体晶界开裂。所以，提升钢材抗延迟断裂特性的关键就是强化原奥氏体晶界。
原奥氏体晶界强化的方法包括：
（1）降低P、S等晶界偏析元素含量；
（2）添加Nb、Ti、V等微合金元素细化奥氏体晶粒；
（3）通过高温回火防止原奥氏体晶界上薄膜状渗碳体析出。
一方面，腐蚀从外部侵入会产生微量氢，而这会导致高强度螺栓出现延迟断裂。所以，通过使侵入钢中的氢无害化，能够提升高强度螺栓的抗延迟断裂性能。
研究发现，Nb 的碳化物具有捕获钢中氢的特性。
Mo、V 的碳氮化物在螺栓淬火加热温度下能够大量融入基体之中。所以在回火过程中，它们可以作为微细碳化物析出从而起到强化作用。
基于此，对 Mo、V 添加钢的氢捕获行为与延迟断裂特性的关系进行了深入研究。结果显示，V 碳化物氢捕获钢在腐蚀发生期间（例如雨天）能够捕获有害氢并使其无害化，而在腐蚀停止的时候（比如晴天）则能够将捕获的氢释放到大气中。
表 1 展示了高强度螺栓用钢的化学成分，这种钢是利用上述晶界强化技术和氢无害化技术开发出来的。
V 在淬火加热时，部分会以未固溶的碳氮化物形式来钉扎奥氏体晶界，以此达到细化晶粒的目的。在回火时，它会从基体中析出微细的碳化物，从而强化钢材。同时，这些微细的 V 碳化物还能够捕获氢，使氢无害化。正因如此，V 的添加量较高。
图 3 展示了开发钢的相关情况。这种开发钢的抗拉强度为 1450N/mm²。并且图 3 还显示了该开发钢的延迟断裂试验结果。
开发钢的[Hc]为2.72ppm，表现出极高的数值。
照片 1 展示了经过延迟断裂试验后的断口形貌。传统钢的断口呈现出明显的原奥氏体晶界断裂特征。而开发钢的断口为穿晶断裂的准解理断口。这表明晶界断裂被有效地抑制了。
钢材[He]具有微细析出物氢捕获特性，其有增加趋势。CCT 试验测得[He]为 2.31ppm，冲绳实际螺栓暴露试验中[He]最大值约为 1ppm。所以可以认为开发钢在实际环境中不会发生延迟断裂，具有令人满意的抗延迟断裂特性。
该开发钢应用于土木建筑领域。该开发钢作为 12.9T 级（抗拉强度 1200N/mm²级）汽车发动机螺栓用钢实现了实用化。
2.4 降低应力集中和塑性应变集中的螺栓形状开发
图 4 展示了日本钢结构协会螺栓强度班在 1968 年到 1972 年所开展的暴露试验里，高强度螺栓断裂部位与断裂数量之间的关系。
可见高强度螺栓延迟断裂导致的断裂多发于螺纹部位，这里的螺纹部位存在高应力或塑性应变集中，尤其是不完全螺纹部。
SHTB 基本形状尺寸遵循 JSS II 09-1981 以及 JIS B 1186-1979。它为了缓解螺栓各部位的应力集中和塑性应变集中，采用了独特形状，这种形状与传统 F10T 高强度螺栓不同（如图 5 所示）。
（1）开发新型螺纹（SHTB螺纹）；
（2）改进螺栓轴到螺纹部的过渡区形状；
（3）增大螺栓头下圆角；
（4）改变螺母形状。
(1) SHTB螺纹的开发
SHTB 螺纹的形状研究是基于 FEM 解析的。在这项研究中，将谷的形状规定为三圆弧复合曲线。
图6展示了SHTB螺纹的形状尺寸。
螺纹牙侧面到谷部的转折点处圆弧半径与 JIS 公制粗牙螺纹谷底半径相同，此半径为 H/6（H 指螺纹牙理论高度）。传统 F10T 高强度螺栓采用的 JIS 公制粗牙螺纹谷底半径也是 H/6。而预期存在高应力集中和塑性应变集中的谷底圆弧半径增大至 JIS 螺纹的 4 倍，即 2H/3。螺距、基准牙高、外径和牙侧角与 JIS 螺纹一致。
图 7 展示了 SHTB 螺纹与 JIS 螺纹在自由螺纹部的相关情况。其中有弹性解析的应力集中系数分布，还有弹塑性解析的 F15T 相当设计螺栓张力引入时的等效塑性应变分布（塑性区用着色部分表示）以及最大等效塑性应变。
SHTB 螺纹的应力集中大约是 JIS 螺纹的 60%。SHTB 螺纹的最大等效塑性应变降低到了大约 10%。
此外，SHTB 螺纹的形状尺寸使得其有效截面积比 JIS 螺纹的有效截面积增加了约 4%。这一特点对于螺栓的高强度化是有作用的。
(2) 螺栓轴到螺纹部过渡区形状的改进
传统 F10T 高强度螺栓的螺栓轴部是从公称直径直接过渡到螺纹部的。
SHTB 在轴部与螺纹部之间新增了一段平行过渡段，其长度等于有效直径的 4 倍螺距。这样做是为了让应力能够从轴部尽可能平缓地传递到螺纹部。
图 8 展示了在引入标准螺栓张力（329kN）的情况下，从不完全螺纹部开始，到自由螺纹部，再到螺母内螺纹部，其最大主应力和最大等效塑性应变的 FEM 解析结果。
SHTB 利用螺纹和过渡区形状改进所产生的协同效应，使得 JIS 螺纹中突出的不完全螺纹部的应力和塑性应变明显降低，这对于提升 JSSC 暴露试验中延迟断裂多发的不完全螺纹部的抗延迟断裂性能有着重要的作用。
(3) 螺栓头下圆角的增大
把传统的螺栓头下圆角从 1.5 - 2.0mm 增大到 2.5mm 。这样一来，在引入张力时，螺栓头下部的应力集中情况就和 SHTB 螺纹部的应力集中情况相当了。
(4) 螺母形状的变更
SHTB 螺纹的谷底半径增大了。所以单牙螺纹的啮合阻力比 JIS 螺纹降低了约 10%。
为了弥补这一欠缺，把螺母的螺纹牙数进行了适当的增加，使其达到了 JIS 螺纹用螺母的 1.2 倍。
增加螺纹牙数，各牙分担的应力就会减少。这样就能有效降低螺纹谷底部的最大应力，同时也能降低塑性应变。
2.5 通过实际螺栓暴露试验验证SHTB的抗延迟断裂性能
如在 2.3 节中所提到的，提升高强度螺栓的极限扩散氢量[Hc]，这是提升抗延迟断裂性能的一种有效且直接的手段。
因此，SHTB 开发了一种钢材，这种钢材的[Hc]值达到了标准 F10T 高强度螺栓用钢材的 3 倍以上。
实际产品化的 SHTB 使用的钢材，其[Hc]比图 3 试验所用的钢材进一步提高了。
另一方面，螺栓中蓄积的氢量[He]因实际使用环境而异。
为了验证 SHTB 的抗延迟断裂性能，我们进行了加速暴露试验。同时，为了调查其[HE]，我们又进行了户外暴露试验。
2.5.1 加速暴露试验
将 M22 SHTB（以下简称 SHTB22）固定在厚度为 44mm（22 + 22）的被连接件上，接着开展 3.5%盐水循环浸渍试验。
如图 9 呈现的那样，SHTB22 经过紧固之后，被悬挂在了旋转的车轮之上，并且每一个小时都会浸入到盐水中一次。
被连接件在螺栓头部设有宽 10mm 且深 5mm 的沟槽，在螺母侧也设有这样的沟槽。板的中央部设有宽 10mm 且深 10mm 的十字交叉沟槽，通过这些沟槽能让盐水侵入到螺栓轴部。
引入张力约为340kN（抗拉强度的75%）。
试验使用了 128 个试样，这些试样是按照不同钢材批次、热处理批次以及不同时期来进行分组的。
暴露超过5年未发生任何断裂。
期间暴露螺栓的腐蚀程度远超实际使用环境的预期。
本试验定期回收试样，测定SHTB中蓄积的氢量[HE]。
暴露开始约半年后达到饱和状态，其最大值约为 1.5ppm，这个最大值约是 SHTB[Hc]的 1/2 左右。
2.5.2 户外暴露试验
冲绳（具志头村）代表严苛腐蚀环境，在该地进行了 800 个 SHTB22 的户外暴露试验；东京（代々木）代表大城市环境，在该地也进行了 800 个 SHTB22 的户外暴露试验。
冲绳于1995年10月开始暴露，东京于1996年5月开始。
截至2007年6月，暴露时间超过11年，两地均未发生断裂。
照片2展示了冲绳的试验情况。
暴露地点距离海岸线大概 100 米，在强风的时候，海浪的飞沫能够直接溅射到螺栓上面。
螺栓的头部和螺母暴露在外，它们因直接与大气接触而腐蚀严重，已经无法维持初始的形状。
本试验也定期回收试样测定SHTB的侵入氢量[HE]。
图10显示了[HE]的变化趋势。
[HE]在暴露约2年后基本达到饱和状态，随后保持稳定。
最大[HE]约1ppm，为SHTB[Hc]的1/3。
这也解释了为何本试验中SHTB未发生断裂。
3. SHTB的力学性能与设计强度
3.1 力学性能
(1) 钢材的机械性能
图 11 展示了这样的情况：从螺栓上截取了 JIS 4 号拉伸试样，并且给出了该拉伸试样的拉伸试验结果示例。
SHTB 的屈服强度钢结构用高强度垫圈，其中 0.2%屈服强度，其平均值为 1345N/mm²。SHTB 的抗拉强度平均值为 1452N/mm²。
延伸率达到了 17.1%，它满足 JIS 对 F10T 规定的 14%以上的要求。断面收缩率为 51.3%，也满足 JIS 对 F10T 规定的 40%以上的要求。
(2) 螺栓的最大抗拉强度
表2展示了SHTB的拉伸试验结果。
试验采用10°锥形垫圈和平垫圈两种配置。
最大抗拉强度的平均值为 457kN，这个平均值是 F10T-M22 标准值 297kN 的 1.54 倍。
抗拉强度未达到 F15T 级的最低标准值 1500N/mm²，然而最大抗拉强度却超过了 F10T 的 1.5 倍。原因如前文所述，SHTB 的有效截面积比 JIS 螺纹大约增加了 4%。
(3) 变形性能（螺栓张力-螺母旋转角关系）
以 300N·m 作为初始紧固扭矩的起点，然后旋转螺母，以此来测定 SHTB22 的变形性能。
图12展示了螺栓张力与螺母旋转角的关系。
螺栓的自由螺纹部约8牙（含不完全螺纹）。
所有的断裂都出现在自由螺纹部。在断裂之前，螺母旋转的圈数超过了 2 圈。这表明螺母具备充分的变形性能。
(4) 松弛特性
图 13 展示了 SHTB22 在 SS400 钢材上紧固的情况，该钢材厚度为 46mm（12 + 22 + 12），同时展示了其紧固后的松弛试验结果。
图中以紧固1分钟后的螺栓张力为100%，表示张力残余率。
螺栓张力变化通过粘贴在螺栓轴部的应变计测量。
SHTB22 的张力残余率大概为 95%。以往测定的 F10T 高强度螺栓松弛特性呈现出一种趋势，而 SHTB22 的张力残余率趋势与以往测定的 F10T 高强度螺栓松弛特性趋势相同。
3.2 设计强度
SHTB 的 M24 获得了国土交通大臣的材料认证。
表3列出了SHTB机械性能的标准值，
表 4 按公称直径分别展示了设计螺栓张力和最大抗拉强度，同时在括号内附上了 F10T 高强度螺栓的设计强度，以供参考。
这里表3数据有点问题！
4. SHTB的应用
4.1 SHTB在连接部位的设计与施工
图 14 将采用 SHTB 的梁连接节点设计示例与采用传统 F10T 的梁连接节点设计示例进行了比较。
应用 SHTB 能让螺栓连接部位的体积缩小到传统设计的大约三分之二，还能带来建设成本降低、工期缩短以及钢架施工效率提升等多种效益，如图 15 所示。
需要注意的是，对于像小梁这样的铰接节点，SHTB 的优势不太明显。在同一建筑中，可能会同时使用 SHTB 和 F10T。不过，通过螺栓头部的标记（包括商品名和公司标志）以及螺母高度的差异，是可以轻松将它们区分开来的，并且施工管理方面没有问题。
SHTB 的施工要领和传统扭剪型高强度螺栓是基本一样的。它的初拧扭矩大概是 F10T 的 2 倍。它的终拧扭矩也比较高。所以需要选用能够适配 SHTB 扭矩的紧固工具。
首次使用 SHTB 的客户，新日铁或 NS 螺栓的技术人员会进行施工指导，这样做是为了避免出现操作问题。
4.2 SHTB的应用案例
2001 年首次在“大阪日航海湾酒店”超高层建筑中得到应用。从那时起，SHTB 的应用案例已超过 250 个，其中螺栓总重约 1 万吨，数量有 1500 万套。这些应用案例主要集中在高层项目和大型项目中。
图16以圆形大小展示了产品上市后约5年内的应用领域分布。
高层办公楼以及综合体这类项目应用较多，大柱距的商业设施和店铺等也应用较多，高荷载的工厂和仓库等同样应用较多。
医院和酒店多采用钢骨钢筋混凝土结构。因为层高等方面存在限制，所以梁构件常常使用等截面 H 型钢或者焊接组装的大翼缘 H 型截面（490N 级）。柱构件也大多为十字形或 H 形开口截面，并且需要用螺栓进行连接。正因如此，SHTB 的成本削减效果非常显著。
照片 3 展示了采用钢管混凝土柱与钢梁混合结构的大型购物中心案例。照片 4 也展示了这种结构的案例。约 14 万套 SHTB 被用于大梁连接节点。
螺栓数量减少使得紧固时间缩短，拼接板轻量化提升了施工效率与安全性，这些为 7000 吨钢结构约 40 天的施工周期做出了重要贡献。
此外，获得了外墙等附属部件安装更便捷这一附加效果，并且除了预期效益之外也有此效果。
照片 5 展示了这样一个情况：为了提高抗震性，同时减少焊接工作量，采用了外隔板工法，这是 SHTB 的一个应用实例。
在大梁与隔板的连接处，当梁高为 900 - 1200mm 时，使用了大概 20 万套 SHTB。这样做减小了隔板的突出尺寸，对钢材重量的增加起到了抑制作用，并且还提升了运输效率。
可以说SHTB是推动新工法开发和普及的产品。
SHTB 被应用后，图 17 所展示的极厚/高强度构件螺栓连接变得较为容易。并且，它有望成为照片 6 所呈现的那种需要严格进行质量管理以及熟练焊工操作的现场焊接连接的替代技术，从而为钢结构的稳定质量保障贡献力量。
此外，目前 SHTB 主要应用于建筑结构。然而，通过对 SHTB 进行热浸镀锌或初级防锈处理，它就可以被扩展至桥梁、铁塔等严苛环境领域。
热浸镀锌 SHTB（12GSHTB®）已经实现商品化。它首次被应用于通信铁塔的抗震加固工程。
12GSHTB 在建筑领域中，其外部框架的应用数量逐渐增多。照片 7 呈现了大型仓库支撑节点的应用实例。
5. 结论
本文介绍了一种“超高强度螺栓 SHTB®”，它的强度约为传统 F10T 高强度螺栓的 1.5 倍，并且能够克服延迟断裂。
SHTB把连接部位的体积减小到传统设计的三分之二。它在降低建设成本方面表现出色，能将建设成本降低；在缩短工期方面也很优异，能使工期缩短；在提升施工安全性方面更是表现良好，能提升施工的安全性。其应用案例主要集中在高层和大型项目上，并且这些应用案例在稳步增长。
此外，开发了防锈规格螺栓和高疲劳强度螺栓。以 SHTB 技术为前提，新的建筑结构也被提出。SHTB 的开发正在对建筑结构产生深刻的改变。
未来的应用范围不局限于建筑领域。SHTB 有希望在土木领域广泛应用钢结构用高强度垫圈，也有希望在工厂等所有钢结构中广泛应用。
