高强度螺栓

高强度螺栓（High-strength bolt）是用优质碳素钢或低合金钢材料制成的一种特殊螺栓，^[1][7]由于螺栓的强度高，故称高强度螺栓。^[4]与普通螺栓不同，高强度螺栓连接的工作原理是有意给螺栓施加很大的预拉力，使被连接件接触面之间产生挤压力，因而垂直于螺杆方向有很大摩擦力，依靠这种摩擦力来传递连接剪力。^[8]

高强度螺栓从性能等级上可分为8.8级和10.9级，根据其受力特征可分为摩擦型高强度螺栓与承压型高强度螺栓，根据螺栓构造及施工方法不同，可分为大六角头高强度螺栓和扭剪型高强度螺栓。^[7]高强度螺栓加工工艺分成三部分：头部的加工、杆部加工和螺纹加工。^[9]

高强度螺栓具有安装简便、迅速、能装能拆和承压高、受力性能好、安全可靠等优点，^[7]在桥梁、机械装备、宇宙飞船、海洋钻井平台、^[2]发电机组、大型建筑、汽车摩托车制造等领域应用广泛。^[3]

高强度钢螺栓1934年前后已在英国的永久性建筑物上有使用的记载，但高强度螺栓的正式应用，是在其后十几年左右才开始的。当初的研究主要是在美国进行，而在日本桥梁工程界，小西、田岛等的研究也很有成效。^[10]高强度螺栓连接的历史，首先开始于摩擦连接，经过十几年的发展，先是使用摩擦连接后又普及了承压连接。1964年前后发生了著名的F13T的滞后破坏事件。其后高强度螺栓便停止使用13kg级的螺栓，向加强施工管理，利用螺栓本身高抗剪强度的承压连接的方向发展。^[10]

中国自20世纪60年代开始在部分铁路桥梁上使用高强度螺栓，80年代才开始在锅炉钢结构上使用，90年代引进国外轿车和生产技术的高强度螺栓等级为12.9级‚抗拉强度为1200MPa，屈服强度为1080MPa。后中国科技人员经过努力，研制出性能与CA488发动机飞轮螺栓产品相当的高强度螺栓，以及耐延迟断裂性能良好的高强度螺栓钢，并解决了高强度螺栓由于海洋环境的腐蚀作用引起的应力腐蚀断裂的难题。中国学者对高强度螺栓的研究主要集中在高强度螺栓氢脆断裂机制、热处理工艺改进和高强度螺栓失效分析等方面，为高强度螺栓材料的研制提供重要依据。^[3]

高强度螺栓除了材料强度高外，还被施加了很大的预拉力，使被连接构件的接触面之间产生较大的挤压力，因而当构件有相对滑动趋势时会在接触面产生垂直于螺栓杆方向的摩擦力。这种挤压力和摩擦力对外力的传递有很大影响。^[5]

高强度螺栓和与之配套的螺母和垫圈合称连接副，须经热处理（淬cuì火和回火）后方可使用。大六角头高强度螺栓连接副包括一个螺栓、一个螺母和两个垫圈；扭剪型高强度螺栓连接副包括一个螺栓、一个螺母和一个垫圈。^[4]

高强度螺栓从性能等级上可分为8.8级和10.9级，根据其受力特征可分为摩擦型高强度螺栓与承压型高强度螺栓，根据螺栓构造及施工方法不同，可分为大六角头高强度螺栓和扭剪型高强度螺栓。^[7]

高强度螺栓的规格有M12、M16、M20、M22、M24、M27、M30、M36等几种。螺栓、螺母、垫圈均应附有质量证明书，并符合设计要求和国家标准的规定。高强度螺栓（大六角头螺栓、扭剪型螺栓等）孔的直径应比螺栓杆公称直径大1.0－3.0mm。螺栓孔应具有H14（H15）的精度。^[4]

高强度螺栓的形状、连接构造与普通螺栓基本相同。^[8]但高强度螺栓就是可承受的载荷比同规格的普通螺栓要大。普通螺栓的材料是Q235（即A3）制造的。高强度螺栓的材料45号钢或其它优质材料，制成后进行热处理，提高了强度。高强度螺栓和普通螺栓两者的区别是材料强度的不同。^[6]

从原材料看

高强度螺栓采用高强度材料制造。高强度螺栓的螺杆、螺帽和垫圈都由高强钢材制作，常用45号钢、40硼钢、20锰钛硼钢、35CrMoA等。普通螺栓常用Q235钢制造。^[6]

从强度等级上看

高强度螺栓使用日益广泛。常用8.8S和10.9S两个强度等级，其中10.9S级居多。普通螺栓强度等级要低，一般为4.4级、4.8级、5.6级和8.8级。^[6]

从受力特点来看

高强度螺栓通过施加预拉力和产生的摩擦力传递外力。普通螺栓连接靠栓杆抗剪和孔壁承压来传递剪力，拧紧螺帽时产生预拉力很小，其影响可以忽略不计，而高强度螺栓除了其材料强度很高之外，还给螺栓施加很大预拉力，使连接构件间产生挤压力，从而使垂直于螺杆方向有很大摩擦力。预拉力、抗滑移系数和钢材种类都直接影响高强度螺栓的承载力。根据受力特点分承压型和摩擦型。两者计算方法不同。高强度螺栓最小规格M12，常用M16－M30，超大规格的螺栓性能不稳定，设计中应慎重使用。^[6]

从使用上看

建筑结构的主构件的螺栓连接，一般均采用高强度螺栓连接。普通螺栓可重复使用，高强度螺栓不可重复使用。高强度螺栓一般用于永久连接。高强度螺栓是预应力螺栓，摩擦型用扭矩扳手施加规定预应力，承压型拧掉梅花头。普通螺栓抗剪性能差，可在次要结构部位使用。普通螺栓只需拧紧即可。高强度螺栓的受力首先是通过在其内部施加预拉力P，然后在被连接件之间的接触面上产生摩擦阻力来承受外荷载的，而普通螺栓则是直接承受外荷载的。^[6]

高强度螺栓除了材料强度高外，还被施加了很大的预拉力，使被连接构件的接触面之间产生较大的挤压力，因而当构件有相对滑动趋势时会在接触面产生垂直于螺栓杆方向的摩擦力。这种挤压力和摩擦力对外力的传递有很大影响。高强度螺栓连接按受力特征分为高强度螺栓摩擦型连接和高强度螺栓承压型连接。^[5]

高强度螺栓的杆身、螺母和垫圈都要用强度很高的钢材制作。高强度螺栓的性能等级有8.8级和10.9级。级别划分的小数点前的数字是螺栓钢材热处理后的最低抗拉强度，小数点后面的数字是屈强比（屈服强度与抗拉强度的比值）。高强度螺栓所用的螺母和垫圈由Q235钢或Q345钢制成。高强度螺栓连接应采用钻成孔，摩擦型连接的孔径比螺栓公称直径大1.5－2.0mm，承压型连接的孔径则大1.0－1.5mm。^[5]

高强度螺栓的预拉力是通过拧紧螺母实现的。一般采用扭矩法、转角法和扭剪法。^[5]

被连接板件之间的摩擦力不仅和螺栓的预拉力有关，还与被连接板件的材料及接触面的表面处理有关系。^[5]

高强度螺栓摩擦型连接单纯依靠被连接构件间的摩擦阻力传递剪力，以剪力等于摩擦力为承载能力的极限状态。单个高强度螺栓的抗剪承载力设计值为：^[5]

^[5]

式中0.9—抗力分项系数的倒数；^[5]

k—孔型系数；^[5]

nr—传力的摩擦面数；^[5]

μ—高强度螺栓摩擦面抗滑移系数；^[5]

P—单个高强度螺栓的预拉力设计值。^[5]

高强度螺栓连接由于螺栓中的预拉力作用，构件间在承受外力作用前已经有较大的挤压力，高强度螺栓受到外拉力作用时，首先要抵消这种挤压力。分析表明，当高强度螺栓达到规范规定的承载力0.8P时，螺栓杆的拉力已基本不再增大。故规范规定单个高强度螺栓的抗拉承载力设计值为：^[5]

^[5]

由于外拉力的作用，板件间的挤压力降低。每个螺栓的抗剪承载力也随之减小。另外，由试验可知，抗滑移系数随板件间的挤压力的减小而降低。规范规定按下式计算高强度螺栓摩擦型连接的抗剪承载力，μ仍用原值：^[5]

^[5]

式中Nv、Nt—受力最大的高强度螺栓所承受的剪力和拉力的设计值；^[5]

、—单个高强度螺栓抗剪、抗拉承载力设计值。^[5]

高强度螺栓承压型连接的传力特征是剪力超过摩擦力时，构件间发生相对位移，螺栓杆身与孔壁接触，螺栓受剪的同时孔壁承压。但是，另一方面，摩擦力随外力的继续增大而逐渐减弱，到连接接近破坏时，剪力完全由杆身承担。高强度螺栓承压型连接以螺栓或钢板破坏为承载能力的极限状态，可能的破坏形式和普通螺栓相同。高强度螺栓承压型连接不应用于直接承受动力荷载的结构。^[5]

高强度螺栓承压型连接的承载力设计值的计算方法与普通螺栓相同，只是应采用高强度螺栓的抗剪承载力设计值。^[5]

高强度螺栓承压型连接的抗拉承载力设计值的计算方法与普通螺栓相同。^[5]

对此种情况，采用下面的公式计算：^[5]

^[5]

^[5]

式中Nv、Nt—某个高强度螺栓所承受的剪力和拉力；^[5]

、、—单个高强度螺栓按普通螺栓计算时受剪、受拉和承压承载力设计值。^[5]

高强度螺栓的螺杆、螺母和垫圈，其成品应再经热处理，以进一步提高强度因此，高强度螺栓的力学性能，是以经热处理后的数值为准，并另定其性能等级。其性能等级代号以两个强度值表示，前一个数值表示经热处理后的最低抗拉强度σb（8或10，即800N/mm2或1000N/mm2），后一个数值表示螺栓经热处理后的屈强比α（0.8或0.9）。常用的高强度螺栓性能等级有下列两种：^[11]

8.8级用于大六角头高强度螺栓，其制作用的原材料钢材牌号为45号钢、35号钢；^[11]10.9级用于扭剪型高强度螺栓时，其原材料钢材牌号为20MnTiB钢。大六角头高强度螺栓也可达到10.9级，其制作的原材料钢材牌号为20MnTiB钢、40B钢及35VB钢。^[11]

扭剪型及大六角头型高强度螺栓的原材料经热处理后的力学性能如下表：^[11]

中国从1957年开始研究高强度螺栓及其连接，并率先应用于桥梁中，为中国钢结构采用高强度螺栓连接奠定了基础。此后在修建成昆铁路时推广应用，使高强度螺栓连接的理论和应用研究取得很大进展。高强度螺栓的应用范围，从桥梁结构扩展到建筑钢结构、机械装备金属结构，乃至宇宙飞船、海洋钻井平台等。^[2]

随着能源、汽车、机械、建筑、轻工等各个行业的发展，对制造各类紧固螺栓的使用材料提出了更高的要求，迫切需求具有高强度的螺栓材料。国际上十分重视该项技术的发展，中国重点基础研究发展规划项目（973）“新一代钢铁材料的重大基础研究”已经启动，高强度螺栓钢的研究发便是其中的一个重要课题。总结高强度螺栓钢的发展趋势如下：^[3]

高强度高性能钢材

随着钢强度的提高，其延迟断裂敏感性越大。在抗拉强度＞900MPa‚硬度≥31HRC的强度水平时，延迟断裂的敏感性逐渐增大。服役应力越大的螺栓，发生断裂后所造成的危害也越大，所以开发抗延迟断裂性能优良的高强度螺栓钢，对保护人民生命和财产安全、扩大高强度螺栓应用领域具有重大意义。^[3]

降低成本、减小能耗

用廉价的硼钢替代含Ni、Cr、Mo等高价格的合金钢，降低成本；以冷锻代替热锻、减少热处理工序的非调质钢。锻造前不需软化处理的低碳不退火钢以及不需剥皮和拉拔的高精度轧材等的广泛使用不仅可以降低能耗，还可减轻螺纹牙尖的脱碳倾向，提高螺栓成品率。^[3]

提高螺栓钢的质量和可靠性

螺栓零件的可靠性、使用寿命等与螺栓钢的冶金质量、表面状况有密切关系，甚至一些加工性能亦与其有重要的关系。通过提高钢材纯净度，降低S、P含量可改善钢的变形能力、减轻晶界脆化、减少钢中非金属夹杂物，可改善钢材韧塑性，提高钢材耐延迟断裂性能。此外成品螺栓的制造精度、紧固技术和检测方法等也是影响高强度螺栓可靠性的重要因素。^[3]

高强度螺栓的杆身、螺母和垫圈都要用强度很高的钢材制作。^[5]其常用材料有：^[3]

低合金钢一般为中碳含量，从合金成分来看，有Cr、Cr-Mo、Cr-Ni、Ni-Cr-Mo、Mn和Mn-Cr等系列。低合金螺栓钢的应用范围很广，强度级别从700－1100MPa都可选用。低合金钢是主要的高强度螺栓用钢。^[3]

随着冷锻技术的发展，对冷锻螺栓钢的需求也大大增加。原来用于制造高强度螺栓的材料为中碳钢和中碳合金钢。但是这类钢的硬度高、冷变形抗力大，需要在冷锻前进行球化退火处理，耗能很大，为此开发了低碳硼钢。低碳硼钢成分设计的基本原理是降低含碳量，改善钢的冷变形能力。加入微量硼，弥补因降碳而造成的强度和淬透性的损失。另外，根据需要还可加入少量Cr、Mn等合金元素，进一步提高淬透性。^[3]

低碳硼钢的特点是：

用少量硼代替大量合金元素，经济效果明显；^[3]

碳及合金元素含量低，轧材可以直接冷锻变形，不需预先球化处理，节约大量能源；^[3]

淬火变形和开裂的倾向小，可用水淬处理，节约淬火用油，改善了操作条件和工作环境；^[3]

性能良好。在相同强度水平下韧性较中碳合金钢有明显改善。而且疲劳破坏抗力高。脱碳敏感性小。^[3]

硼钢螺栓在汽车、建筑、机械等部门得到了应用，且数量不断增加。强度从700－1100MPa的螺栓都可用硼钢制造。^[3]

非调质钢不含多量合金元素，而且不用调质处理，只需控制热加工变形量及随后的冷却速度，便能保证必要的力学性能，可节约热处理能耗，缩短生产周期，降低钢材的成本。非调质钢螺栓主要应用于汽车制造业，但总体数量仍然较少，应用范围不广。与调质钢相比，其成本虽然下降，但是韧性较低，强度水平也不够稳定，冷锻时模具寿命较低，这些问题制约了非调质钢的应用范围。非调质钢主要用于700－800MPa级别的螺栓，有时也用于900MPa以上级别。一般700－800MPa级的螺栓用非调质钢含碳量为0.25％左右的C-Mn系，或含碳为0.10％左右的C-Mo系中再加入微量的Nb、V、Ti等元素，其组织为铁素体＋珠光体。强度级别在900MPa以上时，多用含碳0.10％左右的C-Mo-Si系中加入Cr、Ti、B等元素，以提高淬透性，保证得到满意的强度和韧性，其组织为铁素体＋贝氏体。为了改善非调质钢的韧性，使强韧性配合良好，除控制化学成分外，还可以通过调整加工工艺（如热加工温度、轧制变形量及轧后控冷等）来达到目的。^[3]

凡是碳含量小于0.25％的非合金钢（碳素钢）或低碳低合金结构钢经强烈淬火，获得80％以上甚至100％低碳马氏体组织，这类钢统称为低碳马氏体钢。其硬度为45－50HRC，屈服强度为1000－1300MPa，抗拉强度为1200－1600MPa，具有很好的塑性（A≥10％，Z≥40％）、韧性（AKV≥59J）。良好的冷加工性、可焊性，及热处理畸变小等优点。因此，低碳马氏体的应用日益广泛，成为发挥钢材强韧性潜力，延长机器零件寿命的一个重要途径。应用在高强度螺栓中的材料有15MnVB、20MnSi、20钢、20MnTiB等。^[3]

高强度螺栓种类较多，形状也不尽相同，外部尺寸更是千变万化，但整体上其主要结构和整体外部形状具有一定的相似性。根据这些相似性可以分成三个主要部分：头部、杆部和螺纹部分。高强度螺栓机械加工一般不需要精度极高的专用机床，在普通设备上即可完成加工。根据其三个主要部分，可将其加工工艺分成三部分：头部的加工、杆部加工和螺纹加工。每一部分的加工工艺又因其尺寸形状及技术要求的不同分成若干种类，采用不同的加工方法；虽然将其分成了三部分，但三部分的加工是相辅相成的，相互关联的，可能共存于同一工序，也可能共存于同一工步。^[9]

螺栓头部形状直接决定产品毛坯形式。一般来说，方头螺栓毛坯可选用冷拉方钢，六角头螺栓毛坯可选用冷拉六角钢，半圆头螺栓毛坯应选用锻件毛坯；头部形状特别设计的螺栓应根据具体形状具体分析选用毛坯。头部成形加工在普通车床上加工即可完成。一些高强度螺栓内端面与杆部中心线有端面跳动和垂直度要求，一般在0.04－0.10mm之间，这时粗加工时头部宽度一般预留0.2mm的加工余量，精加工杆部外圆时选用精度较高，机床依靠机床本身精度来保证头部内端面形位公差的要求。为保证高强度螺栓抗拉强度，内端面处要求倒角R，数值一般为R1±0.2。^[9]

对高强度螺栓来说，杆部与头部接触部位要求一定圆角，避免承受较大拉力时该部位断裂，同时避免热处理冷却时产生裂纹。杆部外圆单边预留加工1.5mm余量，对于杆部细长的螺栓为避免热处理时变形较大，可以预留2mm余量，或者直接将毛坯调质到要求硬度，但硬度不易过高，一般在HRC32以下。锻件毛坯技术要求中规定表面缺陷层、头部与杆部同轴度要求，具体数值视产品要求而定，一般数值不大于0.3mm。锻后如无特殊要求，锻件应正火处理，降低硬度，适应后续机械加工。杆部的加工主要是外圆表面加工，车削和磨削是其主要加工方法。车削外圆，当螺栓杆部外圆尺寸精度和表面粗糙度要求不高时车削可以获得外圆的最终尺寸和精度。车削外圆时螺栓头部为夹紧部位，头部宽度较小，需要另一端面以中心孔辅助夹紧定位。这就需要车削外圆表面前钻端面的中心孔，大小根据螺栓大小及材料种类而定。当外圆表面尺寸精度和表面粗糙度要求较高时，车外圆后需要增加其他工序，主要指磨削，双边预留0.2－0.45mm余量，杆部长径比较大或者需多次磨削加工的，余量取大值。^[9]

螺纹部分是螺栓最主要部分。可以分成有效螺纹部分，收尾部分（退刀部分）和螺纹末端三部分；螺纹三个主要要素：螺距、牙形半角和螺距，直接影响螺纹配合精度，也是加工重点注意要素。磨削外圆一般采用无心外圆磨削，其生产效率高，操作简单方便，但调整机床较费事，砂轮的打磨也需要一定技术水平，特别是头部内端面有跳动和垂直度要求的螺栓，其形位公差由砂轮精度来保证，砂轮一定要严格修整。螺纹加工方法很多，可以车削、铣削、磨削和滚压等，对高强度螺栓来说，滚压螺纹是最好选择。这种加工工艺生产率高，精度可达到4h，表面粗糙度可达Ra0.2μm。但滚压螺纹对坯径尺寸精度要求较高。坯径的加工可以磨床加工，也可以普通车床加工。螺纹末端收尾处需预留一定退刀空间，大约2－3mm。^[9]

高强度螺栓连接施工时，应符合下列要求：

1，高强度螺栓连接副应有质量保证书，由制造厂按批配套供货；^[12]

2，高强度螺栓连接施工前，应对连接副和连接件进行检查和复验，合格后再进行施工；^[12]

3，高强度螺栓连接安装时，在每个节点上应穿入的临时螺栓和冲钉数量由安装时可能承担的荷载计算确定，并应符合下列规定：^[12]

不得少于安装总数的1/3；^[12]不得少于两个临时螺栓；^[12]冲钉穿入数量不宜多于临时螺栓的30%。^[12]

4，不得用高强度螺栓兼作临时螺栓，以防止损伤螺纹；^[12]

5，高强度螺栓的安装应能自由穿入，严禁强行穿入，如不能自由穿入时，应用锉刀进行修整，修整后的孔径应小于1.2倍螺栓直径；^[12]

6，高强度螺栓的安装应在结构构件中心位置调整后进行，其穿入方向应以施工方便为准，并力求一致，安装时注意垫圈的正反面；^[12]

7，高强度螺栓孔应采取钻孔成形的方法，孔边应无飞边和毛刺，螺栓孔径应符合设计要求；^[12]

8，高强度螺栓连接构件的螺栓孔的孔距和边距应符合设计要求。^[12]

大六角头高强度螺连接施工一般采用的紧固方法有扭矩法和转角法两种。^[12]

扭矩法施工时，一般先用普通扳手进行初拧，初拧扭矩可取为施工扭矩的50%左右，目的是使连接件贴紧。在实际操作中，可先让一个操作工使用普通扳手拧紧；然后使用扭矩扳手，按施工扭矩值进行终拧。对于较大的连接节点，可以按初拧、复拧及终拧的次序进行，复拧扭矩等于初拧扭矩。一般拧紧的顺序从中间向两边或四周进行。初拧和终拧的螺栓均应做不同的标记，避免漏拧、超拧发生，且便于检查。扭矩法在中国应用广泛。^[12]转角法是用控制螺栓应变即控制螺母的转角来获得规定的预拉力，因不需专用扳手，故简单有效。终拧角度可预先测定。高强度螺栓转角法施工分为初拧和终拧两步（必要时可增加复拧），初拧的目的是消除板缝影响，给终拧创造一个大体一致的基础。初拧扭矩一般取终拧扭矩的50%为宜，原则是使板缝贴紧为准。^[12]

扭剪型高强度螺栓施工相对于大六角头高强度螺栓连接施工简单得多。其是采用专用的电动扳手进行终拧，梅花头拧掉则终拧结束。扭剪型高强度螺栓的拧紧可分为初拧、终拧两步。对于大型节点可分为初拧、复拧、终拧三步。初拧采用手动扳手或专用定矩电动扳手，初拧值为预拉力标准值的50%左右。复拧扭矩等于初拧扭矩值。初拧或复拧后的高强度螺栓应用颜色在螺栓上涂上标记，然后用专用电动扳手进行终拧，直至拧掉螺栓尾部梅花头，读出预拉力值。^[12]

高强度螺栓施工质量应有下列原始检查验收记录：高强度螺栓连接副复验数据、抗滑移系数试验数据、初拧扭矩、终拧扭矩、扭矩扳手检查数据和施工质量检查验收记录等。对大六角头高强度螺栓应进行以下检查：^[12]

用小锤（0.3kg）敲击法对高强度螺栓进行检查，切防漏拧；^[12]终拧完成后，48小时内应进行终拧扭矩检查。按节点数抽查10%，且不应少于10个；每个被抽查节点按螺栓数抽查10%，且不应少于2个。检查时在螺栓尾部端头和螺母相对位置划线，然后将螺母退回60°左右，再用扭矩扳手重新拧紧使两线重合，测得此时的扭矩值与施工扭矩值的偏差在5%以内为合格。^[12]

对扭剪型高强度螺栓连接副终拧后检查以目测尾部梅花头拧掉为合格。对于因构造原因不能在终拧中拧掉梅花头的螺栓数量不应大于该节点螺栓数的5%，并应按大六角头高强度螺栓规定进行终拧扭矩检查。^[12]