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高強(qiáng)度螺栓的發(fā)展
鉚栓的應(yīng)用歷史相當(dāng)悠久，一直到1950年代仍被廣泛使用，但鉚栓施工時(shí)需先將鉚栓加熱至火紅（約900℃），再由熟練工人將鉚栓移放到鉚栓安裝工人準(zhǔn)備好的錐形接筒中，然后再由技術(shù)工人進(jìn)行打擊錐形筒使鉚頭成型。
鉚栓施工過(guò)程不僅危險(xiǎn)且專業(yè)技工人員難覓，施工時(shí)又會(huì)產(chǎn)生打擊噪音，又因鉚栓之強(qiáng)度及夾緊效率較差，施工品質(zhì)控制困難。近年來(lái)由于焊接技術(shù)急速進(jìn)步及高強(qiáng)度螺栓生產(chǎn)使用，鉚栓目前因其本身局限已甚少使用被高強(qiáng)度螺栓完全取代。
國(guó)內(nèi)鉚栓使用的后期最后代表物為民國(guó)六十二年塑料企業(yè)捐建的林口體育館圓形屋頂框架結(jié)構(gòu)（現(xiàn)為國(guó)立體育學(xué)院）。
常用螺栓分為普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓兩種，普通螺栓又稱為機(jī)械螺栓（common bolts或machine bolts），依據(jù)ASTM A307的規(guī)定生產(chǎn)，一般使用于與耐震設(shè)計(jì)無(wú)關(guān)的輕型結(jié)構(gòu)物、次要結(jié)構(gòu)物，或暫時(shí)固定用途（例如工藝梁），且不得使用于承受反復(fù)載荷、振動(dòng)或者疲勞載重之結(jié)構(gòu)物之中，安裝時(shí)螺栓擰緊至緊貼狀態(tài)即可。
高強(qiáng)度螺栓則用于主要的結(jié)構(gòu)物，應(yīng)大部分設(shè)計(jì)者了解高強(qiáng)度螺栓與普通螺栓價(jià)差不大、可用普通螺栓處又不是很多，因此為避免施工者安裝錯(cuò)誤和誤用，而全面采用高強(qiáng)度螺栓。本文針對(duì)高強(qiáng)度螺栓應(yīng)用重點(diǎn)介紹。
高強(qiáng)度螺栓規(guī)格
國(guó)內(nèi)常用的高強(qiáng)度螺栓分為 ASTM 及 JIS 規(guī)格。通常用的 ASTM 高強(qiáng)度螺栓有 A325 及 A490 兩種，具體使用情況如表一所示。
表一 ASTM 高強(qiáng)度螺栓通用情況
A325 螺栓主要成分為 TYPE1 及 TYPE3 兩種，TYPE1 為一般結(jié)構(gòu)用，如需要時(shí)可以熱浸鍍鋅，耐候鋼材應(yīng)配合使用TYPE3螺栓，采用 TYPE3 螺栓時(shí)設(shè)計(jì)圖上應(yīng)特別標(biāo)明，A325 螺栓的機(jī)械性如表二所示。
表二 ASTM高強(qiáng)度螺栓機(jī)械性能
A490 螺栓的材料強(qiáng)度比 A325 高，但是 A490 螺栓不可熱浸鍍鋅。A490 螺栓分為 3 種 TYPE 同樣耐候鋼材配合使用 TYPE3 型螺栓。A325 及 A490 螺栓標(biāo)準(zhǔn)直徑以英尺為單位，以 1/8 英尺為單位增量，且皆介于 1 英尺至 1.5 英尺之間，以 1 英尺左右的直徑較常用。
有些特殊的情況，所需螺栓直徑超過(guò) 1.5，此時(shí)可采用 A490 螺栓。A490 螺栓使用情況如表一所示，材料強(qiáng)度如表二所示。ASTM 高強(qiáng)度螺栓的螺頭及螺帽皆為六角形頭，其中螺帽必須為重型六角形螺帽。
JIS 規(guī)格的高強(qiáng)度螺栓分為六角螺栓頭的 F 系列以及為減輕材料用量及美觀需求而發(fā)展之圓螺栓頭之 S 系列（見(jiàn)圖一），圓螺栓頭在安裝后拆卸較困難。
圖一 JIS F10T圓頭型扭矩控制高強(qiáng)度螺栓
材料強(qiáng)度不同，F(xiàn)系列又分為 F8t、F10t 及 F11t 三種，s系列則分成 s8t 及 s10t 二種，其中 F11t 材質(zhì)因品質(zhì)較不易控制，僅部分制造商有制造生產(chǎn)資質(zhì)，其材料強(qiáng)度如表三所示。
表三 JIS 高強(qiáng)度螺栓材料強(qiáng)度
JIS 螺栓直徑以 mm 為單位，一般常用的直徑規(guī)格在 12mm 至 24mm 之間。有過(guò)去的熱浸鍍鋅經(jīng)驗(yàn)可知，高強(qiáng)度螺栓在熱浸鍍鋅前處理酸洗過(guò)程中會(huì)吸收氫氧，因此會(huì)產(chǎn)生延遲破壞現(xiàn)象，延遲破壞就是高強(qiáng)度螺栓緊固一段時(shí)間后發(fā)生突然斷裂現(xiàn)象，這是因?yàn)榻饘俳Y(jié)晶內(nèi)蓄含的氫氧壓力過(guò)大的結(jié)果。
延遲破壞在 F10t 以上之高強(qiáng)度螺栓才會(huì)發(fā)生，F(xiàn)8t 以下不會(huì)發(fā)生，故摩擦結(jié)合所使用的熱浸鍍鋅高強(qiáng)度螺栓只能用 F8t 以下。
因?yàn)橹袊?guó)土木水利工程學(xué)會(huì)所編著的《熱浸鍍鋅鋼橋設(shè)計(jì)施工手冊(cè)》明確標(biāo)明建筑使用 F8t 螺栓、F10 螺帽、F35 的華司組合及鍍鋅試驗(yàn)片的疲勞強(qiáng)度約比黑漆母材低 12kgf/mm2，因此對(duì)熱浸鍍鋅的高強(qiáng)度螺母 F8t 應(yīng)視情況考慮酌增螺栓用量。
高強(qiáng)度螺栓的標(biāo)識(shí)
螺栓的外觀如圖二所示，螺栓在螺栓頭會(huì)標(biāo)識(shí)其種類，如圖三及四所示，以方便使用及施工管理。
圖二 螺栓外觀及尺寸
圖三 ASTM 高強(qiáng)度螺栓之標(biāo)示
圖四 JIS 高強(qiáng)度螺栓之標(biāo)示
螺栓需配合螺帽及墊圈使用，螺栓、螺帽加上墊圈組成螺栓組，表四及表五分別為 ASTM 及 JIS 高強(qiáng)度螺栓組的組合。耐候鋼材應(yīng)該配合耐候型螺栓、螺帽及墊圈使用。
表四 ASTM 高強(qiáng)度螺栓組
注：螺帽除A563-B外，其余皆為重型六角形螺栓。
表五 JIS 高強(qiáng)度螺栓組
另外墊圈可以避免螺栓或螺帽鎖緊過(guò)程因旋轉(zhuǎn)而傷及鋼板，亦可分散螺栓頂部壓力過(guò)于集中，此外，將墊圈在旋轉(zhuǎn)端（螺栓頭端或螺帽端）可以降低旋轉(zhuǎn)面的摩擦力。
高強(qiáng)度螺栓長(zhǎng)度及螺牙的確定
一般只需指定螺栓標(biāo)準(zhǔn)直徑 d 及螺栓長(zhǎng)度 L，螺栓所需長(zhǎng)度為夾距（鎖緊物厚度）與 L1（螺帽厚度加上墊圈厚度及螺栓突變長(zhǎng)度）之和，如圖五及圖六所示。
螺栓安裝所需的長(zhǎng)度 1 螺牙長(zhǎng)度在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范及施工規(guī)范中并未規(guī)定，若采用長(zhǎng)度太短則無(wú)法使用，太長(zhǎng)則因螺牙長(zhǎng)度不夠而導(dǎo)致螺帽緊固時(shí)將會(huì)卡在螺牙頭處而無(wú)法夾緊鋼板，或突出太長(zhǎng)會(huì)影響美觀及其他件安裝的干涉。
在 2000 PCSC 對(duì)高強(qiáng)度螺栓安裝所需長(zhǎng)度定義為經(jīng)妥善安裝完成之后螺栓長(zhǎng)度（自螺栓頭部?jī)?nèi)側(cè)面至尾端間距），一般情況下 L1 大約等于 1.5d 加墊圈厚度；或螺帽厚加墊圈厚度加 2 至 3 個(gè)螺牙距離之總長(zhǎng)度，至于螺牙長(zhǎng)度，市面上螺栓所提供的螺牙長(zhǎng)度與螺栓的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，相同直徑，不同長(zhǎng)度的螺栓及其螺牙長(zhǎng)度為固定值見(jiàn)圖六。
若所采購(gòu)的螺栓長(zhǎng)度太長(zhǎng)，則會(huì)因?yàn)槁菅篱L(zhǎng)度不足而導(dǎo)致螺帽緊固時(shí)會(huì)將鋼板無(wú)法夾緊。所以為了使高強(qiáng)度螺栓鎖緊時(shí)有足夠的預(yù)緊力，具有足夠的螺牙長(zhǎng)度是必要的先決條件。
螺栓軸拉力-軸向變形曲線
螺栓緊固過(guò)程會(huì)先鎖到緊貼狀態(tài)，所謂的緊貼狀態(tài)就是使用專用的扳手?jǐn)Q螺栓數(shù)圈是結(jié)合面貼合之緊固狀態(tài)。緊密狀態(tài)下的螺栓內(nèi)已經(jīng)承受了部分預(yù)拉力。
圖八為螺栓自貼緊情況開(kāi)始，螺栓之軸拉軸向變形的曲線關(guān)系，橫坐標(biāo)為螺帽旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，等同于軸向變形，縱坐標(biāo)為螺栓拉力，曲線至緊貼狀態(tài)開(kāi)始呈線性關(guān)系，然后在螺牙處會(huì)先屈服，曲線進(jìn)入非線性階段，緊接著螺牙處產(chǎn)生頸縮而強(qiáng)度開(kāi)始下降，最后螺牙處斷裂。
圖八 螺栓之軸拉力-軸向變形關(guān)系曲線
螺栓受拉力時(shí)，臨界斷面發(fā)生在螺牙處，螺牙的最大拉力強(qiáng)度為材料抗拉強(qiáng)度與漲緊力面As的乘積
。其中，
=0.75 至 0.79Abn = 每公分螺牙數(shù) d=螺栓標(biāo)準(zhǔn)直徑Ab=螺栓標(biāo)準(zhǔn)斷面積（cm2）=πd/4 材料的屈服發(fā)生在螺牙的凹痕處，螺牙的屈服會(huì)發(fā)生在局限在局部區(qū)域，而螺栓的軸向拉變形的關(guān)系曲線并沒(méi)明確的在那個(gè)時(shí)間點(diǎn)，螺栓在螺牙出屈服時(shí)的載重為 proof load，等于螺栓材料的屈服強(qiáng)度與張力面積的乘積，A325 螺栓的 proof load 約為自身抗拉強(qiáng)度的 70%，A490 螺栓的 proof load 約為自身抗拉強(qiáng)度的 80%。
所以高強(qiáng)度螺栓在安裝時(shí)需要加一預(yù)緊力 Tb，此預(yù)緊力為螺栓抗拉強(qiáng)度80%表八為 A325 與 A490 螺栓最小預(yù)緊力，表九為 JIS 螺栓最小預(yù)緊力。
A572 螺栓的最小預(yù)拉力約等于其 proof load，A490 螺栓最小預(yù)緊力也很接近其 proof load，實(shí)際施工時(shí)預(yù)拉力會(huì)高出最小預(yù)緊力，因此螺栓在施加預(yù)緊力時(shí)基本上已經(jīng)屈服。
原則上，在不使用螺栓破壞，且不至使螺栓產(chǎn)生永久塑性變形至易產(chǎn)生松弛前提下，螺栓的預(yù)緊力越大越好。
表八 A325 及 A490 螺栓最小預(yù)緊力
表九 JIS 螺栓最小預(yù)緊力
螺栓緊固方法
普通螺栓的緊固程度并無(wú)明確規(guī)定，鎖緊時(shí)所施加的力一般只要連接緊密即可。但因鎖緊時(shí)未施加拉力，因此容易出現(xiàn)螺帽松弛脫落現(xiàn)象，為防止松脫的方法可用彈簧墊圈或采用雙螺帽的方法由外螺帽將內(nèi)螺帽壓緊以防止兩螺帽同步旋轉(zhuǎn)而松弛。
采用雙螺帽時(shí)內(nèi)螺帽需使用重型六角螺帽，外螺帽可采用一般螺帽（見(jiàn)圖九），一般高強(qiáng)度螺栓不論承載型的或者擦阻型因預(yù)緊后存在張力，此預(yù)緊力引致接觸面正應(yīng)力可產(chǎn)生抗扭轉(zhuǎn)摩擦阻力，因而可使螺帽產(chǎn)生不松脫現(xiàn)象，所以不必附加防脫裝置。
圖九
但若是由于特殊用途（例如振動(dòng)機(jī)械或者車體重要結(jié)構(gòu)位置）必須采用特殊夾頭來(lái)防止螺帽松動(dòng)的情況，螺栓的夾頭決定螺栓及螺牙長(zhǎng)度或形式，以便用來(lái)防止松脫，螺帽夾緊裝置詳細(xì)信息見(jiàn)圖十。
圖十
結(jié)語(yǔ)
高強(qiáng)度螺栓目前在汽車領(lǐng)域使用較為廣泛，主要使用在汽車強(qiáng)度連接及其重要的部位，像汽車的輪轂等位置，為汽車的安全穩(wěn)定行駛起到無(wú)可替代的作用。