钢结构紧固件两问

作者丨袁迪单位丨中建五局钢结构公司 1

作者丨袁迪

单位丨中建五局钢结构公司

摩擦型高强螺栓与承压型高强螺栓有什么区别？

1.1承载能力极限状态不同：

摩擦型高强螺栓连接是以外部剪力达到板件接触面间由螺栓拧紧力所提供的最大摩擦力作为极限状态，即保证连接在整个使用期间内外剪力不超过最大摩擦力。板件不会发生相对滑移变形（螺杆和孔壁之间始终保持原有空隙值），被连接板按弹性整体受力。

承压型高强螺栓连接允许外剪力超过最大摩擦力，被连接板件之间发生相对滑移变形，直到螺栓杆与孔壁接触，之后连接就靠螺栓杆身剪切和孔壁承压以及板件接触面间的摩擦力共同传力，最后以杆身剪切或孔壁承压破坏作为连接受剪的极限状态。

由受剪承载力公式可知，如图1所示，承压型螺栓连接设计不需要摩擦面抗滑移系数值，承压型螺栓连接可以不对摩擦面处理有特殊要求。

图1 高强螺栓受剪承载力公式

1.2正常使用极限状态不同：

摩擦型高强螺栓——荷载基本组合作用下连接摩擦面发生相对滑移；

承压型高强螺栓——荷载标准组合作用下连接件之间发生相对滑移。

1.3使用工况不同：

摩擦型高强螺栓——重要结构或承受动力荷载的结构；

承压型高强螺栓——承受静力荷载和间接承受力荷载的结构。

1.4孔径差异：

摩擦型高强螺栓——靠摩擦力传递荷载，所以螺孔和螺杆之差为1.5~2.0mm；

承压型高强螺栓——保证在正常使用情况下，剪力不大于摩擦力，当荷载继续增大，连接板间将发生相对滑移，连接依靠螺杆抗剪和孔壁承压来传力。因此，螺杆与螺孔之差略小，为1.0~1.5mm。

1.5施工检验方法差异：

图2 普通螺栓和高强螺栓检验要求

由图2可知，普通螺栓、高强螺栓由于其设计的受力原理不同，其在施工检验方法上也有区别。同等级普通螺栓各项机械性能要求均比高强螺栓略高，但高强螺栓较普通螺栓多一项冲击功的验收要求。

1.6安全储备：

当高强螺栓同时承受摩擦面间的剪力与螺栓杆轴方向的外拉力时，摩擦型高强螺栓、承压型高强螺栓承载力分别符合下式要求：

式中：Nv、Nt——分别为某个高强度螺栓所承受的剪力和拉力（N）；Nvb、Ntb——单个高强度螺栓的受剪、受拉承载力设计值（N）；

式中：Nv、Nt——所计算的某个高强度螺栓所承受的剪力和拉力（N）；Nvb、Ntb、Ncb——单个高强度螺栓按普通螺栓计算时的受剪、受拉和承压承载力设计值（N）；

由上述公式可知，在相同荷载组合下，同直径承压型高强螺栓在设计上的安全储备要高于摩擦型高强螺栓。

普通螺栓承载力一定比高强螺栓小吗？

高强螺栓（High-Strength Friction GripBolt）全名为高强度摩擦预紧螺栓。高强螺栓和普通螺栓的核心区别并不是强度，而是受力形式，本质为是否施加预紧力，并利用静摩擦力抗剪。根据GB50017-2017，计算单个普通螺栓（B类）8.8级和高强度螺栓8.8级抗拉、抗剪强度。

例：一个8.8级M22螺栓，普通螺栓取设计抗拉强度400kN；设计抗剪强度320kN；高强螺栓取预紧力P为150kN。

通过上述计算可知，相同等级下，普通螺栓的抗拉强度、抗剪强度设计值都要高于高强螺栓。研究普通螺栓和高强螺栓弹塑性变形的规律，理解二者设计破坏时的极限状态。

图3、图4分别为普通螺栓与高强螺栓抗剪连接的应力应变曲线。

图3普通螺栓抗剪连接的变形曲线

图4承压型高强螺栓抗剪连接的变形曲线

由图3、4可知，两者设计破坏时的极限状态如下：

普通螺栓：螺杆发生超过设计允许的塑性变形从而被剪坏。普通螺栓连接，从承受剪力前，连接板间就会产生相对位移，使得螺栓杆和连接板接触，发生弹塑性形变。

高强螺栓：外剪力大于静摩擦力，连接板间发生相对位移，设计上视为破坏。高强螺栓连接，摩擦力先承受剪力，当荷载增大到摩擦力不足以抵抗剪力时，连接板发生相对滑移，该状态视为极限状态，虽然此时高强螺栓连接破坏，但螺杆与连接板发生接触，依然可以利用其自身的弹塑性形变，继续承受剪力。

综上所述，由单个螺栓承载力计算可知，普通螺栓的抗拉、抗剪设计强度均高于高强螺栓，因此，高强螺栓的“高强”实质为正常工作时，不允许连接节点发生任何相对滑移，换而言之即为节点弹塑性变形小、刚度大、安全储备高。同时这也符合“强节点，弱杆件”的抗震设计原理。高强螺栓之“高强”，并非在于其承载能力设计值，而是表现在其设计节点的刚度大、安全性能高、抗破坏能力强。