第三章 鋼結構的連接
3.6 鋼結構螺栓的種類與構造
3.6.1 鋼結構螺栓連接概述
鋼結構螺栓連接(bolt connecting for steel structure)，將兩個以上的鋼結構零部件或構件用螺栓連接成為一體的連接方法。螺栓連接是構件預裝和結構安裝中更簡便的連接方式。
上圖為梁柱節點全螺栓連接
螺栓連接在金屬結構安裝中更早使用。19世紀30年代后期，螺栓連接逐漸被鉚釘連接代替，僅在構件組裝中作為臨時固定措施。20世紀50年代出現了高強度螺栓連接方法。高強度螺栓用中碳鋼或中碳合金鋼制成，其強度比普通螺栓高2～3倍。高強度螺栓連接具有施工方便、可靠等優點，60年代以后在一些冶金工廠的鋼結構制造安裝中開始應用。
上圖為梁拼接的全螺栓連接
3.6.2 螺栓的規格
鋼結構中常用的螺栓規格有M12、M16、M20、M24、M30，M為螺栓符號，數字為公稱直徑。
螺栓按照性能等級分3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9共十個等級，其中8.8級以上螺栓材質為低碳合金鋼或中碳鋼并經過熱處理(淬火、回火)，通稱為高強度螺栓，8.8級以下（不含8.8級，精制普通螺栓也包含8.8級）通稱為普通螺栓。下表為螺栓的性能等級及力學性能。
螺栓性能等級標號由兩部分數字組成，分別表示螺栓的公稱抗拉強度和材質的屈強比。如性能等級分4.6級的螺栓其含義為：部分數字（4.6中的“4”）為螺栓材質公稱抗拉強度（N/mm2）的1/100，即表示fu≥400N/mm2；第二部分數字（4.6中的“6”）為螺栓材質的屈強比的10倍，即表示fy/fu=0.6；兩部分數字的乘積（4×6=“24”）為螺栓材質公稱屈服點（或屈服強度）的（N/mm2）的1/10，即表示fy≥240N/mm2。
鋼結構普通螺栓按制作精度可分為A、B、C級三個等級。A、B級為精制螺栓，一般用于機械產品，C級為粗制螺栓。除特殊說明外，鋼結構普通螺栓一般為普通粗制C級螺栓，性能等級4.6級或4.8級。
螺栓連接的強度設計值采用GB50017-2003《鋼結構設計規范》表3.4.1-4 取值
3.6.3 螺栓的分類
螺栓有很多叫法，螺釘、螺栓釘、標準件、緊固件等。
廣義上螺栓包括普通螺栓、高強螺栓、地腳錨栓、膨脹螺栓、化學錨栓、螺釘、栓釘等；狹義上的螺栓分為普通螺栓連接和高強度螺栓兩種。
（1） 普通螺栓連接
普通螺栓按制作精度分粗制螺栓、精制螺栓。
普通螺栓按照形式可分為六角頭螺栓、雙頭螺栓、沉頭螺栓等；
上圖是沉頭螺栓
1）粗制螺栓
C級螺栓一般為粗制螺栓，用碳素結構鋼制成，為使螺栓順利地穿入螺孔，其孔徑應比螺栓公稱直徑d大1.0～2.0mm，為II類孔。螺栓孔距排列要便于扳手擰緊螺帽。當粗制螺栓用于柱、梁、屋架的構件連接時，應采用加托板的連接構造。此時螺栓處于受拉狀態，其剪力由托板承受(如下圖)。
粗制螺栓所用材料強度等級低，限制了其在結構連接中的使用范圍，但在剪力較小的工作平臺次梁、墻皮梁、屋面梁及支撐、鉸接支座等的連接中仍得到廣泛應用。
上圖為普通螺栓
粗制螺栓還普遍用于廠房鋼結構的預拼裝、鉚接構件鉚接前的預緊固以及高強度螺栓連接前的組裝和安裝節點焊接前的臨時緊固等。粗制螺栓作為固定螺栓使用時，需在找正后將其擰緊并采取防松措施。
上圖為柱腳螺栓的雙螺母防松措施
2）精制螺栓
A級、B級螺栓為精制螺栓，孔一般為Ⅰ類孔，其孔徑應比螺栓公稱直徑d大0.3～0.5mm。精制螺栓連接用于一些經常拆裝和無法鉚接的結構連接。精制螺栓一般用于機械產品，建筑鋼結構中極少使用。
?。?）高強度螺栓連接
用高強度鋼制造的，或者需要施以較大預緊力的螺栓，皆可稱為高強度螺栓。高強度螺栓施加預拉力和靠摩擦力傳遞外力。普通螺栓連接靠栓桿抗剪和孔壁承壓來傳遞剪力，擰緊螺帽時產生預拉力很小，其影響可以忽略不計，而高強螺栓除了其材料強度很高之外，還給螺栓施加很大預拉力，使連接構件間產生擠壓力，從而使垂直于螺桿方向有很大摩擦力，而且預拉力、抗滑移系數和鋼材種類都直接影響高強螺栓的承載力。
上圖是高強螺栓的工作原理
高強螺栓按其受力狀況主要分為：摩擦型和承壓型兩種。
高強螺栓按施工工藝分為：扭剪型高強螺栓和大六角高強螺栓兩種。
上圖是扭剪型高強螺栓和大六角高強螺栓
1） 摩擦型高強螺栓連接，靠螺栓緊固壓力使連接板層貼緊后在鋼板接觸表面產生的摩擦力來傳遞外力。對構件表面進行噴砂處理后生成赤銹面，可獲得較大的摩擦系數，減少連接螺栓的數量。摩擦型高強度螺栓的孔徑應比螺栓公稱直徑d大1.5～2.0mm。
2） 承壓型高強度螺栓連接，是使構件間產生的摩擦力和螺栓軸剪切力與構件的承壓力同時作用來傳遞應力的，其孔徑應比螺栓公稱直徑d大1.0～1.5mm。制孔采用數控鉆床鉆孔和鉆模鉆孔等方法。
總之，摩擦型高強螺栓和承壓型高強螺栓實際上是同一種螺栓，不同之處在于設計是否考慮滑移。設計上，摩擦型高強螺栓摩擦面不能滑動，螺桿不承受剪力，一旦摩擦面滑移，就認為達到設計破壞狀態，在技術上比較成熟、可靠；承壓型高強螺栓摩擦面可以滑動，螺桿也承受剪力，更終破壞與普通螺栓破壞相同（螺栓剪壞或鋼板壓壞）。
3） 大六角高強螺栓，由一個高強度螺栓、一個螺母和兩個墊圈可組成高強度螺栓連接副。
上圖是大六角高強螺栓和扭剪型高強螺栓的墊片配置
施工時，先用粗制螺栓將結構臨時固定，待結構安裝找正后，再從螺栓群中部開始逐個將粗制螺栓換上高強度螺栓并進行初擰，初擰后再順次進行復擰和終擰。
上圖是不同長度的大六角頭高強度螺栓連接副
進行大六角頭高強度螺栓連接副安裝時，螺栓兩邊應各加一個墊圈(圖3a)。初擰扭矩值為終擰扭矩值的50％，復擰扭矩值等于終擰扭矩值，終擰扭矩值計算公式為：Tc=K*Pc*d。式中Tc為終擰扭矩值，N·m；K為扭矩系數；Pc為施工預拉力，kN；d為高強度螺栓螺紋直徑，mm。施擰采用扭矩扳手，每次使用前應進行扭矩校正。
上圖是手動大六角頭扭矩扳手
上圖是電動大六角頭扭矩扳手
4） 扭剪型高強螺栓，一個高強度螺栓、一個螺母和一個墊圈組成扭剪型高強螺栓連接副。
上圖是扭剪型高強螺栓
上圖是扭剪型電動扳手
上圖是扭剪型高強螺栓安裝原理
進行扭剪型高強度螺栓連接副安裝時，應僅在螺母一側加一個墊圈(圖3b)。初擰扭矩值計算公式為：Tc=0.065*Pc*d。式中Tc為初擰扭矩值，N·m；Pc為施工預拉力，kN；d為高強度螺栓螺紋直徑，mm。終擰采用專用扳手將尾部梅花頭擰斷為止。質量檢查的應放在施工過程的監督檢查。
?。?） 地腳錨栓
地腳錨栓別名地腳螺栓、地腳螺絲、地腳絲等，用于鋼結構柱腳與混凝土基礎連接的構件。一般采用Q235、Q345圓鋼制作。
上圖是不同種類的地腳錨栓（直徑大于24mm應采用錨板形式）
安裝時由鋼框固定地腳錨栓組，與綁扎鋼筋籠一起安裝，然后澆筑混凝土，螺栓頭應露出混凝土面一定長度。待混凝土達到一定強度后，安裝鋼柱腳，柱底二次灌漿。
上圖是鋼框固定地腳錨栓組
上圖是地腳錨栓示意圖
上圖是二次灌漿前鋼結構柱腳的圖片（為保護錨栓頂不螺紋用橡皮套包裝）
?。?） 化學錨栓
化學錨栓是一種新型的緊固材料，由化學藥劑與金屬桿體組成的。用于在已建成的混凝土結構上安裝其他結構的連接件?？捎糜诟鞣N鋼結構、幕墻、大理石干掛施工中的后加埋件安裝，也可用于設備安裝，公路、橋梁護欄安裝，建筑物加固改造等場合。
上圖是化學錨栓的螺桿和藥劑
化學錨栓是繼膨脹錨栓之后出現的一種新型錨栓，是通過特制的化學粘接劑， 螺桿膠結固定于砼基材鉆孔中，以實現對固定件錨固的復合件。因為化學錨栓的抗拔承載力較大，可替代埋件錨筋，常用在施工現場忘記安裝鋼結構預埋件但混凝土已澆筑完成，用后加的化學錨栓埋件來補救。
上圖是不同直徑的化學錨栓承載力（不同廠家產品略有差異）
化學錨栓的施工步驟如下：
1）根據工程設計要求，在基材（如混凝土）中相應位置鉆孔，孔徑、孔深及螺栓直徑應由技術人員或現場試驗確定。
2）用沖擊鉆或水鉆鉆孔。
3）用專用氣筒、毛刷或壓縮空氣機清理鉆孔中的灰塵，建議重復進行不少于3次，孔內不應有灰塵與明水。
4）保證螺栓表面潔凈、干燥、無油圬。
5）確認玻璃管錨固包無外觀破損、藥劑凝固等異常現象，將其圓頭朝外放入錨固孔并推孔底。
6）使用電鉆及專用安裝夾具，將螺桿強力旋轉插入直孔底，不應采用沖擊方式。
7）當旋孔底或螺栓上標志位置時，立刻停止旋轉，取下安裝夾具，凝膠后完全固化前避免擾動。超時旋轉導致膠液流失，影響錨固力。（旋轉時間不應超過30秒，轉速不應低于300轉/分，不大于750轉/分，螺栓推進速度約為2cm/秒，不允許采用沖擊方式。）
?。?） 膨脹螺栓
膨脹螺栓的作用與化學錨栓作用相同，用于受力較小的錨固件。
上圖不同規格的膨脹螺栓
混凝土結構有裂縫的部位和容易產生裂縫的部位，不得采用膨脹螺栓。同時，主要承重結構、重要管道以及高速運轉、承受沖擊荷載和振動較大的設計采用的膨脹螺栓，應按計算的設計抗拉力和設計抗剪力選用大一級的規格型號。
3.6.4 螺栓的排列和構造要求
螺栓排列分為并列和錯列兩種：
并列——簡單、整齊、緊湊所用連接板尺寸小，但構件截面削弱大；
錯列——排列不緊湊，所用連接板尺寸大，但構件截面削弱??；
（1）受力要求
垂直受力方向：為了防止螺栓應力集中相互影響、截面削弱過多而降低承載力，螺栓的邊距和端距不能太??；
順力作用方向：為了防止板件被拉斷或剪壞，端距不能太??；
對于受壓構件：為防止連接板件發生鼓曲，中距不能太大。
?。?）構造要求
螺栓的邊距和中距不宜太大，以免板件間貼合不密，潮氣侵入腐蝕鋼材。
?。?）施工要求
為了便于扳手擰緊螺母，螺栓中距應不小于3do；
根據以上要求，GB50017-2003《鋼結構設計規范》給定了螺栓的容許間距。
