钢结构高强度螺栓预拉力施工

钢结构高强度螺栓预拉力施工

【摘要】高强度螺栓以其加工方便，可拆换，承受动力荷载能力强，耐疲劳，塑性、韧性好等优点在目前国内的钢结构建筑中得到较多设计师的青睐，由于高强螺栓起着连接、紧固、定位、密封等重要作用，直接影响钢结构建筑的质量，因此本文就此研究关于高强螺栓的施工要点以作为施工中的参考。

【关键词】高强螺栓、预拉力

1、行业发展前景

“十二五”期间，我国的钢铁企业和钢铁制造业在积极的产业政策扶持下，将呈现持续健康的发展态势。据初步统计，2011年的我国钢铁产量仍将保持一定的增长水平，国内仍将是钢材、钢结构和钢铁制品消费的主要市场。

由于钢结构具有结构牢固、造型美观、施工简便、可回收利用、造价相对较低的特点，在未来五年城市建设和基础设施建设中仍将占据相当比重，随着城市功能的提升，土地资源紧缺，超高层住宅的普及，建筑钢结构市场仍将保持较大增长规模。

从市场前景看，国家加工基础设施建筑投入力度，建筑钢结构的运用将向能源、基础设施、高层住宅等领域倾斜，公路、铁路桥梁建设中钢结构比重将增加，城市地铁和轻轨工程、立交桥、高架桥等城市公共设施都将越来越多的采用钢结构。

2、螺栓连接的分类及特点

螺栓连接分为普通螺栓连接、高强度螺栓连接两类。

普通螺栓连接是未对螺栓进行紧固（施加预拉力）的连接。

高强度螺栓连接是指对螺栓有紧固要求（施加预拉力）的连接，螺栓提供连接板之间的巨大紧固力，用连接板面间的摩擦来提供连接的强度和刚度。

高强度螺栓连接传递剪力的机理和普通螺栓连接不同，普通螺栓连接靠螺栓杆承压和抗剪来传递剪力，高强度螺栓连接靠被连接板件间的强大摩擦阻力来传递剪力。即使在连接中使用了高强度螺栓，但未施加预拉力，仍称为普通螺栓连接。

3、高强度螺栓连接的分类及特点

3.1高强度螺栓连接方式优点是施工简便、受力好、耐疲劳、可拆换、工作安全可靠。

按传力方式分为摩擦型连接和承压型连接两种。高强螺栓连接副是高强螺栓和配套螺母、垫圈的合称，强度等级8.8/8H、10.9S/10H。预拉力很大，依直径等级不同，可达80～355kN。目前我国使用的大六角头高强度螺栓有8．8级和10．9级两种，扭剪型高强度螺栓只有10．9级一种。

摩擦型连接和承压型连接属于同一个连接接头的两个阶段。

3.2两种类型螺栓的特点

3.2.1共同点：

属于抗剪为主或者剪-拉（压）受力提点的接头连接。

对高强度螺栓连接副质量和预拉力的要求相同。

3.2.2不同点：

3.2.2.1强度极限状态不同：摩擦型靠被连接板件间的强大摩擦阻力传递剪力，是以接头连接件摩擦面之间滑移为极限破坏状态；承压型连接靠被连接板件间的摩擦力和螺栓杆共同传递剪力，连接件间允许相互滑动，是以螺栓被剪断或板承压破坏为极限破坏状态。

3.2.2.2承压型高强螺栓传力开始时在标准荷载作用下连接件间无滑动，剪力由摩擦力和螺杆抗剪共同传递；但当荷载很大时，连接件间有较大塑性变形；接近破坏时，连接件间有相对滑动，摩擦只起推迟滑移作用。剪力由螺杆传递，其特点与普通螺栓相同。因此，有与普通螺栓相同的极限状态—螺栓剪坏、孔壁挤压坏、构件被拉断。承压型连接在荷载设计值下，螺栓或连接件达到最大承载能力，作为其承载能力极限状态；在荷载标准值下，连接件间产生相对滑移，作为其正常使用极限状态。

3.2.2.3螺栓受力状态不同：摩擦型连接中螺栓不承受剪力，只提供预拉力，处于受拉状态；承压型连接螺栓初受拉外，还承受剪力，局部承压，处于复杂受力状态。

3.2.2.4摩擦面抗滑移系数值要求不同：摩擦型连接设计对抗滑移系数值有明确的要求；承压型连接的强度设计不需要抗滑移系数值，因而可不进行摩擦面抗滑移系数的试验和复验。

3.2.2.5连接接头的变形不同：摩擦型连接接头几乎没有变形；承压型连接属于接头滑移以后的阶段，因此其接头变形随荷载的增大而增加。承压型的承载力比摩擦型高，可节约螺栓。

3.2.2.6适用范围不同：摩擦型连接适用于重要的连接，或对变形比较敏感的连接；承压型连接适用于次要的连接，或允许出现变形的连接，直接承受动力荷载的构件连接、承受反复荷载作用的构件连接、冷弯薄壁型钢构件连接一般不用承压型连接。

4、钢结构高强度螺栓预拉力施工控制工艺

4.1高强度螺栓施工作业条件

4.1.1施工前应根据工程特点设计施工操作平台或吊篮，并按施工组织设计的要求加工制作或采购。

4.1.2高强度螺栓的有关技术参数已按有关规定进行复验合格。

4.1.3结构安装的刚度单元内的框架构件已经吊装到位，校正合格后应及时进行高强度螺栓的施工。

4.1.4强度螺栓连接副实物、摩擦面经检验或复验合格且在有效保证期限(自出厂起六个月为质量保证期）内。

4.1.5每个连接接头，宜先用普通螺栓临时定位。

4.1.6六角头高强度螺栓施工所用的扭矩扳手，使用前必须校正，其扭矩误差不得大于±5%，合格后方准使用。校正用的扭矩扳手，其扭矩误差不得大于±3%。

4.2安装前注意事项

高强度螺栓连接副，应由制造厂按批配套供货，高强度螺栓连接副应在同批内配套使用；高强度螺栓不允许存在任何淬火裂纹且其外包装未发生破损而导致连接副表面状态发生变化。

高强度螺栓的栓孔应采用钻孔成型，孔边应无飞边、毛刺。螺栓孔不得采用气割扩孔。

高强度螺栓连接处板迭上所有螺栓孔，均应采用量规检查，其通过率为：用比孔的公称直径小1.0mm的量规检查，每组至少应通过85％；用比螺栓公称直径大0.2～0.3mm的量规检查，应全部通过。凡量规不能通过的孔，须经设计单位同意后，方可扩钻或补焊后重新钻孔。扩钻后的孔径不得大于原设计孔径

2.0mm（JGJ82之规定，GB50205系要求不超过1.2倍螺栓直径），补焊时，应用与母材力学性能相当的焊条补焊，严禁用钢块填塞。每组孔中经补焊重新钻孔的数量不得超过20％。处理后的孔应作出记录。

在高强度螺栓连接摩擦面处的构件钢板表面应平整，无焊接飞溅、无毛刺及飞边、无油污、铁屑。用钢丝刷沿受力垂直方向除去浮锈。

高强度螺栓的初拧、复拧、终拧应在同一工作日内完成。

4.3节点处理

高强度螺栓连接应在其结构架设调整完毕后，再对接合件进行矫正，消除接合件的变形、错位和错孔。高强度螺栓连接安装时，在每个接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：

（1）不得少于安装总数的1／3；

（2）不得少于2个临时螺栓；

（3）冲钉穿人数量不宜多于临时螺栓的30％。

组装时先用穿杆对准孔位，在适当位置插入临时螺栓，用扳手拧紧。不允许使用高强度螺栓兼作临时螺栓（但采用转角法终拧时除外），以防损伤螺纹引起扭矩系数的变化。

4.4高强度螺栓的安装顺序

高强度螺栓的拧紧应分为初拧、终拧。由于连接处钢板不平整、不密贴，致使先拧紧的螺栓的一部分预拉力损耗在钢板变形上，当其临近螺栓拧紧板缝消失后，其预拉力就会松弛，而导致与后拧的高强度螺栓预拉力有很大的差别，为克服这一现象，提高拧紧预拉力的精度，使各螺栓受力均匀，因此高强度螺栓的拧紧应分为初拧和终拧。对于大型节点应分为初拧、复拧、终拧。

高强度螺栓的初拧、复拧、终拧应在同一工作日内完成。

一个接头上的高强度螺栓，应从螺栓群中部开始安装，逐个顺序向外拧紧。初拧、复拧、终拧都应从螺栓群中部开始向四周扩展逐个拧紧，每拧一遍并经检查合格后，均应用不同颜色的油漆划线标记螺栓与螺母、垫圈与钢板的相对位置，防止漏拧。

接头如有高强度螺栓连接又有电焊连接时，应按设计要求规定的顺序进行，设计无规定时，按先栓后焊的施工工艺顺序进行。

高强度螺栓的紧固顺序从刚度大的部位向不受约束的自由端进行，同一

节点内从中间向四周进行，以使板间密贴。

4.5高强度螺栓的安装工艺细则

（1）高强度螺栓的安装应在结构构件中心位置调整好后进行，其穿入方向应以施工方便为准，并力求一致。

高强度螺栓连接副组装时，螺母带圆台面的一侧应朝向垫圈有内倒角的一侧。对于大六角头高强度螺栓连接副组装时，螺栓头下垫圈有内倒角的一侧应朝向螺栓头。

对于大六角头高强度螺栓连接副，垫圈设置内倒角是为了与螺栓头下的过渡圆弧相配合，因此在安装时垫圈带倒角的一侧必须朝向螺栓头，否则螺栓头就不能很好与垫圈密贴，影响螺栓的受力性能。对于螺母一侧的垫圈，因倒角侧的表面较为平整、光滑，拧紧时扭矩系数较小，且离散率也较小，所以垫圈有倒角一侧应朝向螺母。

（2）安装高强度螺栓时，严禁强行穿入（如用锤敲打）。如不能自由穿入时，该孔应用铰刀进行修整，修整后最大孔径应小于1.2倍螺栓直径。修孔时，为了防止铁屑落人板叠缝中，应将四周螺栓全部拧紧，板叠密贴后再进行铰孔。严禁气割扩孔。

（3）安装高强度螺栓时，构件的摩擦面应保持干燥，不得在雨中作业。

4.6高强度螺栓连接副的预拉力施加方法

预应力施加方法有扭矩法、转角法、扭掉螺栓尾部梅花卡法—自标量扭矩法、延伸张拉法。本文仅介绍延伸张拉法。

延伸法是先通过某种外力使螺栓达到规定的伸长量，再拧紧螺母，待去除外力之后，即可使联接保证所需的预紧力。

温度延伸法通过加热元件使螺栓轴加热以实现需要的伸长量。由于时间消耗长，且需要使用能容纳加热元件的专用螺栓，应用受一定限制。

液压延伸法是使用液压张紧缸将螺栓拉伸到要求的长度后，通过张紧工具上的转轮拨动螺母使其与被联接件接触，然后释放张紧缸油压来达到预紧的方法。这是目前预紧高强度螺栓联接最好的方法。

液压延伸张拉法优点：避免了通过扭矩张拉高强螺栓，操作便利；不通过扭矩转换，直接对高强螺栓栓杆施加预拉力 ，在延伸断面上是纯拉伸力，避免螺栓拉、扭复合受力，并可减小高强度螺栓的预拉力和承载能力损失，提高螺栓使用强度，具有较高的可再现性；避免因各种原因的扭矩系数不达标而导致螺栓的报废；张紧工具尺寸小，在同一结构上同时张紧同样的螺栓时此法很理想，

用同一个张紧缸可以张紧和松开几种不同尺寸的螺栓，具有快捷、经济、安全等优点；还可以减轻安装人员的劳动强度，有利于提高高强螺栓的安装质量。

适用范围：镀锌等特殊表面处理工艺的高强螺栓；仅扭矩系数过期，其它性能符合标准的高强螺栓；重复使用多次的高强螺栓；刚接柱基施加预拉力的锚栓；设计预拉力值较大、M30以上的非标高强螺栓安装。

4.7延伸法预拉力的控制

在延伸法预紧的不同阶段，螺栓参与变形的部分不同，如在螺栓拉拔阶段，整个螺栓参与拉伸变形，而在预紧阶段，螺栓超出上螺母的部分的变形会自由恢复，对预紧力不起作用，这就更加增加了采用传统的方法计算预紧力的困难。

由于被联接件的接合面处有一个压紧过程，故采用延伸法预紧螺栓时，以螺栓头部的延伸量作为预紧的控制值误差较大，以拉伸力作为预紧的控制值比较准确。

还有一些先进的检测设备，如超声波测长设备。超声波信号耦合可以从螺栓头部或螺栓底部产生。

5、高强度螺栓预拉力施工案例

照片1：某工程高强螺栓施加预加拉力

为了确定采用液压延伸法施工高强螺栓的预拉力定量标准，施工人员在安装前做预拉力标准试验，其要求如下：

改项目本次试验共制作9组试件，分为A、B、C三大组，各包括3组试件。其中A组采用大六角高强螺栓，作为对比试验组；B组采用液压延伸法施工高强螺栓，进行预拉力超张拉试验；C组也采用液压延伸法施工高强螺，待B组试验完后再确定其试验要求。

每组试件的基板30厚，两块连接板20厚，材质Q345C。

每组试件的摩擦面采用电弧喷铝，厚度100～150μm，摩擦面抗滑移系数工厂实测值不小于0.55。

高强螺栓均采用10.9S/10H的高强螺栓连接副。液压延伸法施工高强螺

栓的表面处理方法采用 “达克罗①”表面处理。

通过本试验，应确定在恒定初始螺母扭矩作用下液压延伸法施工高强螺栓的预拉力超张拉值，在扣除预拉力损失后，液压延伸法施工高强螺栓的预拉力为355kN。

采用液压延伸法施工高强螺栓的试件的承载力不小于采用大六角高强螺栓对比组的承载力。满足设计及施工个项目指标要求。

参考文献

[1] 中华人民共和国国家规范：《钢结构工程施工质量验收规范》GB 50205-2001；

[2]中华人民共和国行业标准：

《钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程》 JGJ82-91；

[3]《钢结构用扭剪型高强度螺栓副》GB/T3632－2008；

[4] 何文辉,范云蕾,肖岩,郭玉荣.高强螺栓端板连接钢梁-方钢管混凝土框架结构抗震性能研究[J]. 建筑结构学报. 2009(04)

[5] 周焕廷,冯郑红.高强螺栓连接的极限承载能力研究[J]. 武汉理工大学学报. 2009(09)

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。