高强度螺栓：分类与工艺 | 指南

什么是高强度螺栓？

由高强度钢制成的螺栓，或需要较大预紧力的螺栓，可以称为高强度螺栓。高强度螺栓主要用于桥梁、轨道、高压和超高压设备的连接。此类螺栓的断裂大多为脆性断裂。用于超高压设备的高强度螺栓需要较大的预应力，以确保容器的密封性。

基础知识

1. 根据美国螺栓材料的强度，可将其分为以下两种类型：

a) ASTMA325、A325M、F1852——最小抗拉强度 120/105Ksi (830MPa)

b) ASTMA490、A490M、F2280——最小抗拉强度 150Ksi (1040MPa)

后缀“M”表示公制单位；F1852 和 F2280 为扭转剪切型拉力控制高强度螺栓。

2. 美国高强度螺栓分为 1 型和 3 型（2 型已停产）。不同类型的高强度螺栓使用不同的材料，表面处理方式也不同（表面处理方式参见 RCSC 高强度螺栓规范表 2.1）。

高强度螺栓类型标志（RCSC 高强度螺栓规范 2.3.3）

高强度螺栓类型标志（RCSC 高强度螺栓规范 2.3.3）

3. 大六角头高强度螺栓和扭剪式拉力控制高强度螺栓仅在安装方式上有所不同，其他性能完全相同。

4. 高强度螺栓连接类型（RCSC高强度螺栓规范第4节）

a) ST型：中等紧固连接节点，连接面无需处理。

b) SC型：摩擦连接节点，连接面需要处理。

c) PT型：对连接节点施加预紧力，连接面无需处理。

5. 压力式连接和摩擦式连接。两者均使用相同的高强度螺栓，但承载能力的概念不同，对钢材表面的要求也不同。压力式连接仅适用于荷载方向垂直于槽孔方向的标准孔、短槽孔和长槽孔；摩擦式连接适用于标准孔、超大孔、短槽孔和长槽孔。

6. 高强度螺栓后缀的含义：

N：用于承压连接，高强度螺栓的螺纹位于剪切面内。

例如：A490-N

X：用于承压连接，高强度螺栓的螺纹位于剪切面外。

TC：扭转剪切型拉力控制高强度螺栓

例如：A325-TC

T：长度≤4d时，A325螺栓可全螺纹连接，表示为A325T。

适度拧紧连接节点

中等紧固状态是指连接件内的所有螺栓均已完全拧紧，连接件内的连接板紧密接触，且螺母无法在不使用扳手的情况下拧松。（RCSC 高强度螺栓规范 - 2009 8.1）

安装时，可以使用冲击扳手进行几次冲击，或者工人可以使用普通扳手全力拧紧。（RISC 高强度螺栓规范 - 2004 8.1）

美国高强度螺栓的英制和公制系列

美国高强度螺栓的尺寸单位可以是英制或公制。但英制单位和公制单位并非完全对应。高强度螺栓的直径、螺距、孔径、螺母形状、垫圈厚度和螺栓长度的选择均有所不同。RCSC 高强度螺栓的规格同时包含英制和公制单位。相关数据可在 AISC 360 J 章“连接设计”及其他专用公制标准中找到。

1. 美国高强度螺栓直径的英制系列和公制系列

英制单位（英寸）：1/2、5/8、3/4、7/8、1、1-1/8、1-1/4、1-3/8、1-1/2

公制单位（毫米）：M16、M20、M22、M24、M27、M30、M36

2. 美国高强度螺栓的开口尺寸

美国高强度螺栓的开口尺寸，无论是承压连接还是摩擦连接，都相同。

开口尺寸（英寸）（AISC 360 表 J3.3）

开口尺寸（毫米）（AISC 360 表 J3.3）

3. 螺栓和螺母的尺寸

高强度螺栓 A325 和 A490 的螺纹长度和螺距以及 A563 螺母的厚度（英寸）

要查找高强度螺栓和螺母的详细尺寸，请参阅 ASME B18.2.6 和 ASME B18.2.6M。

4. 垫圈厚度

F959M 压力垫圈厚度（毫米）（ASME B18.2.6M 表 5）

垫圈的使用

1. 适度拧紧关节（松紧关节）

a) 倾斜面：当倾斜角度超过 1:20 时，使用 ASTM F436 斜垫圈。

b) 槽口：使用 ASTM F436 垫圈或 5/16 英寸厚的普通钢垫片来堵住槽口。

c) 除 a) 和 b) 项外，不使用垫片。

2. 预紧螺栓和摩擦式连接接头

除以下情况外，无需使用垫片：

a) 当使用 A490 或 F2280 螺栓且连接材料的最小屈服强度小于 40Ksi (276N/mm) 时，大六角头螺栓需要两个 F436 垫圈，扭转剪切拉力控制螺栓需要一个 F436 垫圈。

b) 使用校准扳手时，需要在旋转部件下方放置一个 F436 垫圈。

c) 扭转剪切螺栓需要在螺母下方放置一个 F436 垫圈。

d) 使用力指示垫圈 (DTI)，如下图所示：

拧紧螺母：将垫圈置于螺栓头上，并将垫圈置于螺母上 (a)

拧紧螺母：将垫圈置于螺母上，并将垫圈置于螺母和垫圈之间

拧紧螺母：将指示垫圈置于螺栓头下方，并将垫圈置于螺栓头和指示垫圈之间

拧紧螺母：将垫圈置于螺母下方，并将垫圈置于螺栓头下方（图 d）

e) 用于超大孔和开槽孔的垫片（RCSC 高强度螺栓规格表 6.1）

ASTM F436 垫片加 3/8 英寸厚钢板垫片或与结构相同等级的连续钢板

超大孔和开槽孔的垫片尺寸应完全覆盖孔。

高强度螺栓长度的选择

螺栓完全安装到位后，其末端应超出螺母外表面，至少与螺母外表面齐平（参见RCSC高强度螺栓规范2.3.2）。正常情况下，应露出2-3圈螺纹。

1. 高强度螺栓长度选择（英制单位）（RCSC 高强度螺栓规范 2.3.3 条）

高强度螺栓的长度（英制单位）应为夹持长度（连接部件的总厚度）加上额外长度，该额外长度已充分考虑制造公差，并预留了足够的螺纹长度以安装大六角螺母。

每增加一个 F436 平垫圈，螺栓长度应增加 5/32 英寸；每增加一个 F436 斜垫圈，螺栓长度应增加 5/16 英寸。使用 F959 力指示垫圈时，应加上力指示垫圈的厚度。

根据上述原则确定的高强度螺栓长度应调整至下一个 1/4 英寸，当螺栓长度超过 6 英寸时，应调整至下一个 1/2 英寸。

螺栓附加长度（不含垫圈）（英寸）（RCSC 高强度螺栓规格表 C2.2）

2. 选择合适的公制高强度螺栓长度

美国标准不提供使用公制单位的额外长度，根据我们的经验，高强度螺栓的长度应为：夹持长度（连接件的总厚度）加上垫圈（包括限位垫圈）的厚度，再加上螺母的厚度，再加上螺纹2-3圈的螺纹厚度。我们建议将根据上述原则确定的高强度螺栓长度向上取整至3，并将螺栓长度的尾数调整为5或0。（美国规定，当螺栓长度≤100mm时，增加5mm；当长度>100mm时，增加10mm；我们建议当长度>100mm时，也增加5mm。）

螺栓长度可参考下表确定，如果使用指示垫圈，则应加上指示垫圈的厚度。

螺栓附加长度 M（毫米）：

孔距和边缘距规定

1. 最小孔距（AISC 360 J3.3）

孔中心距不应小于 2-2/3 d（d 为螺栓直径），一般为 3d。

2. 最低利润率

对于标准孔，任何方向的尺寸均不得小于下表规定的尺寸，或根据 AISC 360 J3.10 计算得出的尺寸。

对于超大尺寸孔和开槽孔，应遵循 AISC 360 J3.4 的规定。

最小裕量（英寸）（AISC 360 表 J3.4）

注：梁端连接角钢和剪力端板允许留出 1-1/4 英寸的裕量。

3. 最大孔距和侧距（AISC 360 J3.5）

从孔中心到任何靠近边缘的距离，应为连接板厚度的 12 倍，但不得超过 6 英寸（150 毫米）。

连接件的纵向间距限制如下：

a) 涂漆或未涂漆但不受大气腐蚀影响的连接件，间距不得超过较薄板厚度的 24 倍或 12 英寸（305 毫米）；

b) 未涂漆的耐候钢，受大气腐蚀影响，间距不得超过较薄板厚度的 14 倍或 7 英寸（180 毫米）。

防滑系数（RCSC 高强度螺栓规范 5.4.1）

美国钢材表面分为三个等级：A、B 和 C。

A 级：去除锈蚀和未涂层的钢材表面，或经喷砂处理后的 A 级涂层表面。=0.33

B 级：经喷砂处理后的未涂层钢材表面，或经喷砂处理后的 B 级涂层表面。=0.50

C 级：粗糙的热浸镀锌表面。=0.35

摩擦型连接通过系数（RCSC高强度螺栓规范5.4.1）

1. 标准孔的载荷为 1。

2. 超大孔和短槽孔的载荷为 0.85。

3. 垂直槽孔的载荷为 0.7。

4. 长槽的载荷为 0.6。

高强度螺栓的预紧力

高强度螺栓的预紧力（千磅）（AISC 360 表 J3.1）

高强度螺栓连接

高强度螺栓连接根据其受力情况可分为三种类型：摩擦连接、承压连接和拉力连接。其中，前两种连接主要承受剪切力，第三种连接主要承受拉力。摩擦连接是目前应用最广泛的连接方式。

摩擦式连接依靠连接板之间的摩擦力来承载载荷。连接中的螺栓孔不承受压力，螺栓也不会被剪断。这种连接方式应力传递顺畅，连接刚度良好。通常所说的高强度螺栓连接即属于这种摩擦式连接。在高强度螺栓摩擦连接中，板间摩擦力刚好达到极限承载力状态。

压力承载式连接的承载力极限状态是摩擦力被克服，连接板发生相对滑动，孔壁承受压力，螺栓被剪断。这种连接方式在摩擦力被克服后会产生一定的滑动变形，因此应用范围有限，但其承载力高于高强度螺栓摩擦连接，且经济性较好。

拉紧式连接：当外部作用力与高强度螺栓的轴向力相等时，诸如法兰连接、T型连接和螺栓球连接等高强度螺栓连接称为拉紧式连接。这种连接的特点是，外部作用力与高强度螺栓预紧力在连接件之间产生的压力相平衡。

高强度螺栓是高强度螺栓，属于标准件。高强度螺栓连接是铆接连接之后的一种新型钢结构连接方式，也是目前钢结构连接的主要方式。高强度螺栓在生产中的全称是高强度螺栓连接对，一般不简称高强度螺栓。

高强度螺栓的类型和规格

1. 根据外观区分

从外观上看，高强度螺栓可分为扭转剪切型高强度螺栓和大六角头高强度螺栓。

扭转剪切型高强度螺栓

用于钢结构的扭转剪切型高强度螺栓。螺栓连接对包括螺栓、螺母和垫圈，适用于摩擦式连接的钢结构。

大六角头高强度螺栓

用于钢结构的高强度大六角头螺栓为粗牙普通螺纹，分为8.8S和10.9S两个等级。一对连接件包含一个螺栓、一个螺母和两个垫圈。为保证扭矩系数的稳定性，高强度螺栓连接件应在同一批次生产。同一批次连接件的平均扭矩系数为0.110～0.150，扭矩系数的标准偏差不应大于0.010。

大六角高强度螺栓属于普通螺钉的高强度等级，而抗扭剪切高强度螺栓则是为更好地满足施工需求而改进的大六角高强度螺栓。

2. 根据绩效水平

根据高强度螺栓的性能等级，可将其分为8.8级、10.9级和12.9级。目前我国常用的大型六角高强度螺栓为8.8级和10.9级，而扭转剪切型高强度螺栓仅为10.9级。其中，大型六角高强度螺栓仅有8.8级。在标记方法上，小数点前的数字表示热处理后的抗拉强度；小数点后的数字表示屈服比，即屈服强度实测值与极限抗拉强度实测值的比值。8.8级表示螺栓杆的抗拉强度不小于800MPa，屈服比为0.8。 10.9 级表示螺栓杆的抗拉强度不小于 1000MPa，屈服比为 0.9。

3. 根据兵力划分

从剪切设计角度来看，高强度螺栓根据受力状态要求可分为：高强度螺栓承压型和高强度螺栓摩擦型。

对于高强度螺栓摩擦型，板间滑动被视为承载能力的极限状态。

连接件不允许相互滑动，变形较小，承载能力也较小。工艺保证措施：喷砂处理，使m=0.3～0.55。

高强度螺栓摩擦力示意图

高强度螺栓承压型以连接失效作为承载力极限状态。

连接件之间允许相互滑动。在力传递初期，标准荷载下动态连接件之间无滑动，剪切力由摩擦力和螺钉的抗剪强度共同传递。然而，当荷载较大时，连接件之间会发生较大的塑性变形。接近失效时，连接件之间会发生相对滑动，摩擦力仅起到延缓滑动的作用。剪切力由螺钉传递，其特性与普通螺栓相同。因此，其极限状态与普通螺栓相同——螺栓被剪断、孔壁被压碎、构件断裂。变形较大，不适用于动态荷载下的连接。

高强度螺栓承压示意图

建筑结构主要构件的螺栓连接通常采用高强度螺栓。普通螺栓可以重复使用，但高强度螺栓不可重复使用。

高强度螺栓连接工艺

1. 总则

（1）高强度螺栓连接在连接前，应检查连接对及摩擦面，合格后方可进行安装。

（2）各连接节点应先用临时螺栓或冲孔钉定位。为防止螺纹损坏导致扭矩系数变化，严禁使用高强度螺栓作为临时螺栓。每个节点的临时螺栓和冲孔钉数量应根据节点承受的荷载计算确定，并应符合以下规定：

① 固定螺栓数量不少于总安装螺栓数量的1/3；

② 临时螺栓数量不少于两个；

③ 钉子穿透数量不应超过临时螺栓数量的30%。

(3)高强螺栓的穿入应在调整结构中心位置后进行，穿入方向应以施工方便为原则，力求一致；安装时要注意垫圈的正反面，即：螺母有圆台的一侧应面向垫圈的倒角一侧；大六角头高强螺栓连接副靠近螺钉头一侧的垫圈，其倒角面朝向螺栓头。

（4）高强度螺栓的安装应确保其能够自由穿过孔洞，严禁强行穿过。如果无法自由穿过，则应使用铰刀修整孔洞；修整后的孔洞最大直径应小于螺栓直径的1.2倍。修整孔洞时，为防止铁屑落入板材叠层接缝中，应在铰孔前拧紧孔洞周围的所有螺栓，使板材叠层紧密粘合后再进行铰孔，严禁使用气割和铰孔两种方式。

（5）在高强度螺栓连接中，连接钢板的孔径略大于螺栓直径，并采用相应的钻孔方法。钻孔后钢板表面应平整，孔边缘无毛刺和飞边，连接板表面无焊渣、油污等。螺栓孔直径允许偏差表如下：

（6）除满足表2.10的要求外，高强度螺栓连接板螺栓孔的孔距和侧距还应考虑专用施工工具的操作空间。一般规格螺栓的操作空间如下表所示：

施工设备的作业空间尺寸

当量规中心到部件边缘的距离（即图中的 a）不满足要求，而 b 值有足够的空间时，可以考虑使用加长套筒进行螺纹连接。此时，套筒头部的直径一般为螺母对角线尺寸加 10mm。

高强度螺栓连接板螺栓孔间距的允许偏差如下表所示：

注：孔的分组规定如下：

1. 在节点处，连接板与杆件连接的所有连接孔归为一组；

2. 接头处的孔：万向节——拼接板上一半的孔为一组；阶梯接头——两个接头之间的孔为一组；

3. 相邻两个节点或接头之间的连接孔为一组，但不包括第1点和第2点所述的孔；

4. 在弯曲构件的翼缘上，每1米长度内的孔为一组。

大六角头高强度螺栓连接工艺

（1）大六角头高强度螺栓连接对的扭矩系数

对于大六角头高强度螺栓连接对，当螺栓拧紧时，施加在螺母上的扭矩值 M 与螺栓的轴向拧紧力（轴向力）P 之间存在对应关系：

M = K·D·P

公式中：D ---- 螺栓公称直径，mm；

P ---- 螺栓轴向力，kN；

M ---- 施加在螺母上的扭矩值，kN·m；

K --- 扭矩系数

扭矩系数 K 与以下因素有关：

① 螺母与垫圈接触面的平均半径和摩擦系数；

② 螺纹形状、螺距和螺纹接触面之间的摩擦系数；

③ 螺栓和螺母的螺纹表面处理和损伤等。

高强度螺栓连接对的扭矩系数K是衡量高强度螺栓质量的主要指标。扭矩系数由供货方提供。同一批次连接对扭矩系数的平均值为0.110~0.150（10.9级），其标准偏差应小于等于0.010。安装使用前，必须根据供货批次进行复检。

大六角头高强度螺栓连接对应按批次进行检验和复检。所谓批次，是指：性能等级、材质、炉号、螺纹规格和长度相同的螺栓（螺栓长度≤100mm时，长度差≤15mm；螺栓长度>100mm时，长度差≤20mm，可视为相同长度），经过机械加工、热处理和表面处理工艺的螺栓属于同一批次。性能等级、材质、炉号、螺纹规格、机械加工、热处理工艺相同的螺栓，表面处理工艺相同的螺母属于同一批次；性能等级、材质、炉号、螺纹规格、机械加工、热处理工艺和表面处理工艺相同的垫圈属于同一批次；由同一批次的螺栓、螺母和垫圈组成的连接对，即为同一批次的连接件。

（2）扭矩法构造

对于大六角头高强度螺栓连接对，在确定扭矩系数K时，由于螺栓的轴向力（预紧力）P由设计规定，因此可以根据计算确定的施工扭矩值M，使用扭矩扳手（手动、电动、气动）按照该施工扭矩值进行最终拧紧，这就是扭矩法的原理。

确定螺栓轴向力P时，应以设计预紧力值为基准。通常考虑螺栓施工预紧力损失的10%，即螺栓施工预紧力（轴向力）P为设计预紧力值的1.1倍，如下表所示为大六角高强度螺栓的预紧力（轴向力）P值。

高强度大六角头螺栓的施工预紧力（kN）

螺栓的扭矩系数在储存和使用过程中容易发生变化，因此一般在施工现场安装前对扭矩系数进行复检。复检合格后，根据复检结果确定施工扭矩，并据此安排施工。

用于扭矩系数测试的螺栓、螺母和垫圈应从同一批次的螺栓对中随机抽取，一般根据批次大小抽取5～10套（因为通过扭矩系数测试的螺栓仍可在工程中使用，如果条件允许，可以多抽取一些样本，以便更好地反映该批次螺栓的扭矩系数）。测试状态应与螺栓的使用状态相同，且不允许重复使用。扭矩系数复检应在国家认可的合格检测单位进行，测试中使用的轴向力计和扭矩扳手应经计量认证。

在采用扭矩法进行最终拧紧之前，应先进行初拧，对于螺栓数量较多的大型连接，还需要进行复拧。初拧的目的是使接触面紧密贴合，螺栓“拧紧”。通常，常用规格（M20、M22、M24）螺栓的初拧扭矩为200-300N·m，螺栓的轴向力可达10-50kN。实际操作中，操作人员可以使用普通扳手，用手拧紧即可。

一般来说，初拧、复拧和最终拧紧的顺序是从中间向两侧或周围对称进行的。初拧和最终拧紧的螺栓应做不同标记，以避免漏拧和过拧等安全隐患，也便于检验人员检查紧固质量。

3. 角部构造

由于扭矩系数的离散性，尤其是在螺栓制造质量和施工管理不善的情况下，扭矩系数会超出标准值（平均值和变异系数）。在这种情况下，采用扭矩法施工，即用扭矩值来控制螺栓轴向力，会产生较大的误差。为了解决这个问题，引入了角法施工。旋转角法是通过控制螺母的旋转角度来控制螺钉的弹性伸长量，从而控制螺栓轴向力的方法。

实验结果表明，螺栓初拧后，螺母的旋转角度与螺栓的轴向力相对应；当螺栓在弹性范围内受力时，二者呈线性关系。根据这种线性关系，在确定螺栓的施工预紧力（通常为设计预紧力的1.1倍）后，可以很容易地得到螺母的旋转角度，施工人员可以根据该旋转角度进行紧固，从而满足设计要求。这是角形施工法的基本原理。

高强度螺栓角接法施工分为两个步骤：初拧紧和终拧紧（必要时可进行二次拧紧），初拧紧的要求比扭矩法更为严格。这是因为连接板之间会存在间隙。初期，螺母的旋转角度主要被板间间隙所消耗，旋转角度与螺栓轴向力之间的关系不稳定；初拧紧的目的在于消除板间间隙的影响，为终拧紧奠定一个大致一致的基础。

角接法施工在中国已有40多年的历史，但目前尚无初拧紧扭矩的标准，每个工程的具体情况都需要根据实际情况确定。一般来说，对于常用的螺栓（M20、M22、M24），初拧紧扭矩设定在200-300N·m较为合适。最终拧紧是在初始拧紧的基础上进行的，然后将螺母旋转一定角度，使螺栓的轴向力达到结构的预紧力。下图为角部加固法的施工示意图。

角部施工法

角部施工法的施工顺序如下：

初拧：使用固定扭矩扳手，从螺栓组中心向外依次拧紧螺母。

初拧检查：一般采用敲击法，即用小锤逐一检查，目的是防止螺栓拧入过深。

标记：初拧完成后，逐一标记螺栓，如图所示。

终拧：使用专用扳手将螺母旋转至额定角度，如图所示，使螺栓组的拧紧顺序与初拧相同。

终拧检查：终拧完成后，逐一检查螺母的旋转角度是否符合要求，并使用量角器检查螺栓与螺母上标记线之间的相对旋转角度。

标记：用不同颜色的笔在最后拧紧的螺栓上做标记，以防止泄漏和重新拧紧，并由质检员检查。

目前用于最终拧紧的工具包括气动扳手、电动扳手、电动定角扳手和手动扳手等。扳手控制螺母角度的一般方法是在套筒上标记旋转角度，这样当套筒套在螺母上时，就可以用笔在钢板上标记套筒角度的起始位置。启动机器后，等待套筒角度的终点线与钢板上的标记重合，最终拧紧完成。此时，套筒的旋转角度即为螺母的旋转角度。使用定角扳手时，螺母的旋转角度由扳手控制，当达到指定角度时，扳手会自动停止。为了保证最终拧紧角度的精度，拧紧过程中应注意防止螺栓和螺母同向旋转。为此，需要有人协助用挡块固定螺栓头的一侧。

施工前应重新检验螺母的旋转角度。重新检验程序与扭矩法施工相同，即从同一批次的螺栓对中随机抽取待检螺栓、螺母和垫圈，一般根据批次大小抽取5～10套。检验状态应与螺栓使用状态相同，且不允许重复使用。旋转角度的重新检验应在国家认可的合格检验单位进行，检验所用的轴向力计、扳手、量角器等仪器应经计量机构认证。