第三章 钢结构的连接
3.6 钢结构螺栓的种类与构造
3.6.1 钢结构螺栓连接概述
钢结构螺栓连接(bolt connecting for steel structure)，将两个以上的钢结构零部件或构件用螺栓连接成为一体的连接方法。螺栓连接是构件预装和结构安装中更简便的连接方式。
上图为梁柱节点全螺栓连接
螺栓连接在金属结构安装中更早使用。19世纪30年代后期，螺栓连接逐渐被铆钉连接代替，仅在构件组装中作为临时固定措施。20世纪50年代出现了高强度螺栓连接方法。高强度螺栓用中碳钢或中碳合金钢制成，其强度比普通螺栓高2～3倍。高强度螺栓连接具有施工方便、可靠等优点，60年代以后在一些冶金工厂的钢结构制造安装中开始应用。
上图为梁拼接的全螺栓连接
3.6.2 螺栓的规格
钢结构中常用的螺栓规格有M12、M16、M20、M24、M30，M为螺栓符号，数字为公称直径。
螺栓按照性能等级分3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9共十个等级，其中8.8级以上螺栓材质为低碳合金钢或中碳钢并经过热处理(淬火、回火)，通称为高强度螺栓，8.8级以下（不含8.8级，精制普通螺栓也包含8.8级）通称为普通螺栓。下表为螺栓的性能等级及力学性能。
螺栓性能等级标号由两部分数字组成，分别表示螺栓的公称抗拉强度和材质的屈强比。如性能等级分4.6级的螺栓其含义为：部分数字（4.6中的“4”）为螺栓材质公称抗拉强度（N/mm2）的1/100，即表示fu≥400N/mm2；第二部分数字（4.6中的“6”）为螺栓材质的屈强比的10倍，即表示fy/fu=0.6；两部分数字的乘积（4×6=“24”）为螺栓材质公称屈服点（或屈服强度）的（N/mm2）的1/10，即表示fy≥240N/mm2。
钢结构普通螺栓按制作精度可分为A、B、C级三个等级。A、B级为精制螺栓，一般用于机械产品，C级为粗制螺栓。除特殊说明外，钢结构普通螺栓一般为普通粗制C级螺栓，性能等级4.6级或4.8级。
螺栓连接的强度设计值采用GB50017-2003《钢结构设计规范》表3.4.1-4 取值
3.6.3 螺栓的分类
螺栓有很多叫法，螺钉、螺栓钉、标准件、紧固件等。
广义上螺栓包括普通螺栓、高强螺栓、地脚锚栓、膨胀螺栓、化学锚栓、螺钉、栓钉等；狭义上的螺栓分为普通螺栓连接和高强度螺栓两种。
（1） 普通螺栓连接
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为六角头螺栓、双头螺栓、沉头螺栓等；
上图是沉头螺栓
1）粗制螺栓
C级螺栓一般为粗制螺栓，用碳素结构钢制成，为使螺栓顺利地穿入螺孔，其孔径应比螺栓公称直径d大1.0～2.0mm，为II类孔。螺栓孔距排列要便于扳手拧紧螺帽。当粗制螺栓用于柱、梁、屋架的构件连接时，应采用加托板的连接构造。此时螺栓处于受拉状态，其剪力由托板承受(如下图)。
粗制螺栓所用材料强度等级低，限制了其在结构连接中的使用范围，但在剪力较小的工作平台次梁、墙皮梁、屋面梁及支撑、铰接支座等的连接中仍得到广泛应用。
上图为普通螺栓
粗制螺栓还普遍用于厂房钢结构的预拼装、铆接构件铆接前的预紧固以及高强度螺栓连接前的组装和安装节点焊接前的临时紧固等。粗制螺栓作为固定螺栓使用时，需在找正后将其拧紧并采取防松措施。
上图为柱脚螺栓的双螺母防松措施
2）精制螺栓
A级、B级螺栓为精制螺栓，孔一般为Ⅰ类孔，其孔径应比螺栓公称直径d大0.3～0.5mm。精制螺栓连接用于一些经常拆装和无法铆接的结构连接。精制螺栓一般用于机械产品，建筑钢结构中极少使用。
（2）高强度螺栓连接
用高强度钢制造的，或者需要施以较大预紧力的螺栓，皆可称为高强度螺栓。高强度螺栓施加预拉力和靠摩擦力传递外力。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，而且预拉力、抗滑移系数和钢材种类都直接影响高强螺栓的承载力。
上图是高强螺栓的工作原理
高强螺栓按其受力状况主要分为：摩擦型和承压型两种。
高强螺栓按施工工艺分为：扭剪型高强螺栓和大六角高强螺栓两种。
上图是扭剪型高强螺栓和大六角高强螺栓
1） 摩擦型高强螺栓连接，靠螺栓紧固压力使连接板层贴紧后在钢板接触表面产生的摩擦力来传递外力。对构件表面进行喷砂处理后生成赤锈面，可获得较大的摩擦系数，减少连接螺栓的数量。摩擦型高强度螺栓的孔径应比螺栓公称直径d大1.5～2.0mm。
2） 承压型高强度螺栓连接，是使构件间产生的摩擦力和螺栓轴剪切力与构件的承压力同时作用来传递应力的，其孔径应比螺栓公称直径d大1.0～1.5mm。制孔采用数控钻床钻孔和钻模钻孔等方法。
总之，摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓实际上是同一种螺栓，不同之处在于设计是否考虑滑移。设计上，摩擦型高强螺栓摩擦面不能滑动，螺杆不承受剪力，一旦摩擦面滑移，就认为达到设计破坏状态，在技术上比较成熟、可靠；承压型高强螺栓摩擦面可以滑动，螺杆也承受剪力，更终破坏与普通螺栓破坏相同（螺栓剪坏或钢板压坏）。
3） 大六角高强螺栓，由一个高强度螺栓、一个螺母和两个垫圈可组成高强度螺栓连接副。
上图是大六角高强螺栓和扭剪型高强螺栓的垫片配置
施工时，先用粗制螺栓将结构临时固定，待结构安装找正后，再从螺栓群中部开始逐个将粗制螺栓换上高强度螺栓并进行初拧，初拧后再顺次进行复拧和终拧。
上图是不同长度的大六角头高强度螺栓连接副
进行大六角头高强度螺栓连接副安装时，螺栓两边应各加一个垫圈(图3a)。初拧扭矩值为终拧扭矩值的50％，复拧扭矩值等于终拧扭矩值，终拧扭矩值计算公式为：Tc=K*Pc*d。式中Tc为终拧扭矩值，N·m；K为扭矩系数；Pc为施工预拉力，kN；d为高强度螺栓螺纹直径，mm。施拧采用扭矩扳手，每次使用前应进行扭矩校正。
上图是手动大六角头扭矩扳手
上图是电动大六角头扭矩扳手
4） 扭剪型高强螺栓，一个高强度螺栓、一个螺母和一个垫圈组成扭剪型高强螺栓连接副。
上图是扭剪型高强螺栓
上图是扭剪型电动扳手
上图是扭剪型高强螺栓安装原理
进行扭剪型高强度螺栓连接副安装时，应仅在螺母一侧加一个垫圈(图3b)。初拧扭矩值计算公式为：Tc=0.065*Pc*d。式中Tc为初拧扭矩值，N·m；Pc为施工预拉力，kN；d为高强度螺栓螺纹直径，mm。终拧采用专用扳手将尾部梅花头拧断为止。质量检查的应放在施工过程的监督检查。
（3） 地脚锚栓
地脚锚栓别名地脚螺栓、地脚螺丝、地脚丝等，用于钢结构柱脚与混凝土基础连接的构件。一般采用Q235、Q345圆钢制作。
上图是不同种类的地脚锚栓（直径大于24mm应采用锚板形式）
安装时由钢框固定地脚锚栓组，与绑扎钢筋笼一起安装，然后浇筑混凝土，螺栓头应露出混凝土面一定长度。待混凝土达到一定强度后，安装钢柱脚，柱底二次灌浆。
上图是钢框固定地脚锚栓组
上图是地脚锚栓示意图
上图是二次灌浆前钢结构柱脚的图片（为保护锚栓顶不螺纹用橡皮套包装）
（4） 化学锚栓
化学锚栓是一种新型的紧固材料，由化学药剂与金属杆体组成的。用于在已建成的混凝土结构上安装其他结构的连接件。可用于各种钢结构、幕墙、大理石干挂施工中的后加埋件安装，也可用于设备安装，公路、桥梁护栏安装，建筑物加固改造等场合。
上图是化学锚栓的螺杆和药剂
化学锚栓是继膨胀锚栓之后出现的一种新型锚栓，是通过特制的化学粘接剂， 螺杆胶结固定于砼基材钻孔中，以实现对固定件锚固的复合件。因为化学锚栓的抗拔承载力较大，可替代埋件锚筋，常用在施工现场忘记安装钢结构预埋件但混凝土已浇筑完成，用后加的化学锚栓埋件来补救。
上图是不同直径的化学锚栓承载力（不同厂家产品略有差异）
化学锚栓的施工步骤如下：
1）根据工程设计要求，在基材（如混凝土）中相应位置钻孔，孔径、孔深及螺栓直径应由技术人员或现场试验确定。
2）用冲击钻或水钻钻孔。
3）用专用气筒、毛刷或压缩空气机清理钻孔中的灰尘，建议重复进行不少于3次，孔内不应有灰尘与明水。
4）保证螺栓表面洁净、干燥、无油圬。
5）确认玻璃管锚固包无外观破损、药剂凝固等异常现象，将其圆头朝外放入锚固孔并推孔底。
6）使用电钻及专用安装夹具，将螺杆强力旋转插入直孔底，不应采用冲击方式。
7）当旋孔底或螺栓上标志位置时，立刻停止旋转，取下安装夹具，凝胶后完全固化前避免扰动。超时旋转导致胶液流失，影响锚固力。（旋转时间不应超过30秒，转速不应低于300转/分，不大于750转/分，螺栓推进速度约为2cm/秒，不允许采用冲击方式。）
（5） 膨胀螺栓
膨胀螺栓的作用与化学锚栓作用相同，用于受力较小的锚固件。
上图不同规格的膨胀螺栓
混凝土结构有裂缝的部位和容易产生裂缝的部位，不得采用膨胀螺栓。同时，主要承重结构、重要管道以及高速运转、承受冲击荷载和振动较大的设计采用的膨胀螺栓，应按计算的设计抗拉力和设计抗剪力选用大一级的规格型号。
3.6.4 螺栓的排列和构造要求
螺栓排列分为并列和错列两种：
并列——简单、整齐、紧凑所用连接板尺寸小，但构件截面削弱大；
错列——排列不紧凑，所用连接板尺寸大，但构件截面削弱小；
（1）受力要求
垂直受力方向：为了防止螺栓应力集中相互影响、截面削弱过多而降低承载力，螺栓的边距和端距不能太小；
顺力作用方向：为了防止板件被拉断或剪坏，端距不能太小；
对于受压构件：为防止连接板件发生鼓曲，中距不能太大。
（2）构造要求
螺栓的边距和中距不宜太大，以免板件间贴合不密，潮气侵入腐蚀钢材。
（3）施工要求
为了便于扳手拧紧螺母，螺栓中距应不小于3do；
根据以上要求，GB50017-2003《钢结构设计规范》给定了螺栓的容许间距。
