钢结构的螺栓基础知识.docx
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钢结构的螺栓基础知识
钢结构的螺栓基础知识
8.5螺栓基础知识
紧固件
业界称之“工业之米”，其对于工业，相当于粮食对于人类。
紧固件分为标准件和异型件两大类。
一个国家的紧固件发展水平可以直接反映该国工业化程度。
其中，德国标准为国际公认的高标准，国际标准（ISO标准）中99.9%采用的是照搬德标，而我国紧固件标准的建立基础是国际标准。
标准件指由相关政府部门规定其属性并通过发布的使用的。
如国标，德标，美标，日标等。
异型件指根据工程需要按图纸加工的一些链接件。
如地脚螺栓，拉条等。
紧固件主要构成：
专业术语
1.规格：
即形状大小。
通常包括直径和长度。
螺栓、螺钉、螺柱（常见紧固件）表述方式如下（例）：
M20*70“M”表示“米”制螺纹（即国家标准螺纹）；
数字“20”代表螺栓直径；
数字“70”代表螺栓长度。
均以毫米（mm）计算，且螺栓、螺钉长度不含头部尺寸，螺柱则通常表示全长或有效长度（GB/T898/899通常表示的长度不含栽入部分，详见五金手册）。
M30*2*280称为细扣螺栓，中间2表示螺纹经
螺母常见表述方式如下：
（例）
M20同螺栓，“M”表示米制螺纹（即国家标准螺纹），数字“20”则表示内螺纹中径，与相同直径的螺栓配套使用。
垫圈的表述方式：
2.执行标准：
其具体规定了标准件的形状、光滑度，硬度指标力学性能等标准，有的标准对材质，工艺也有明确的规定，其函盖了某种标准件的绝大部分信息。
（有国标、非标美标日标德标欧标ISO国际标准）
3.材质：
就是原材料的化学成分，分为普碳钢、中碳钢、合金钢等。
4.级别：
特指螺栓的强度。
5.力学性能：
又说机械性能，包括硬度，屈服度，伸长率，断面率等
6.表面处理：
指给紧固件表面做特殊处理以达到防腐蚀或美观的效果。
发黑，镀锌等。
螺栓
螺栓的种类有：
6.六角螺栓：
栓头为六角形；包括钢结构用大六角螺栓和普通外六角。
普通外六角螺栓，执行标准有GB/T5780/1/2/3（国标5780/2为半牙螺栓，5781/3为全牙螺栓）
5780/1为4.8S一下，通常称为普通螺栓，国标螺栓或普栓等；
5782/3泛指8.8级以上（10.9级12.9级）的高强螺栓，栓头略厚。
钢结构用大六角螺栓，常用直径型号为（M12目前国内没有生产）M16M20M22M24M27M30为10.9S级。
“S”代表钢结构专用栓。
注：
同级别的六角螺栓和大六角螺栓的区别在于，栓头厚度及最短弦长标准不同，大六角栓头部要厚较大，即栓头相对较大。
同为M20的六角螺栓最短弦长比较如下
六角弦长30大六角弦长为34
2.地脚螺栓：
如图1-1
图1-1
国家地脚螺栓（9字形），执行标准GB/T799-1988，如下图：
L型地脚螺栓执行JB/ZQ4364标准即为直角，国标规定L底长为直径的4倍（一般按客户要求做）。
术语说满外长、中线长。
T型地脚螺栓，等腰梯形栓头，栓头需要大型设备热打才能成型，如图1-2.
锚板型地脚螺栓：
图1-2
3.钢结构用扭剪型螺栓连接副（扭剪螺栓）：
直径分为M16、M20、M22、M24、M27、M30规格；与大六角螺栓同样应用于钢结构连接，相比之下扭剪螺栓具有施工快、一致性好等优点。
4.马车螺栓：
常见型号在M12一下；圆顶棱身栓头
螺母
地脚螺母常用GB41标准注：
相比双头螺栓上配母GB6170较厚，略显粗糙。
双头螺母常用GB6170标准。
6.GB41螺母：
（具体尺寸见紧固件手册）
较GB6170粗糙、略厚，外形无差别，价格稍低，常用于地脚螺栓上。
2.GB6170螺母：
（具体尺寸见紧固件手册）
新国标，较为精致。
通常国标螺母：
对边长=1.5倍直径；厚度=0.5倍直径
3.开槽螺母：
比较厚，一端有数个凹槽，常与销轴配套使用。
4.锁紧螺母：
侧内圈向外凸起，与垫圈紧密衔接，密闭性好；垫圈分为尼龙橡胶圈和金属圈，有耐高温需求的工程采用金属垫圈。
可以防震，起到放松动锁紧作用。
5.六角法兰螺母：
无需垫片含摩擦面，例如，自行车轴上的螺母。
6.碟形螺母
如图2-1
7.圆形螺母图2-1
8.盖母
9.扣紧母：
单牙母，常用于电力塔项目。
垫片垫片
GB97标准型，又分1/2/3种规格，1-3产品粗超度逐步降低。
GB96为大宽边平垫
弹垫
GB93国家标准会对断口高度值有明确范围。
圆柱头焊钉
焊钉，用于钢结构与混凝土的紧固链接，具有抗震作用，使用螺柱焊接时与瓷环配套使用！
通常用在高层结构建筑楼层板和桥梁结构上。
螺钉
螺钉，常见的为半圆头自功螺钉，不都是尖头。
又分为：
1.内六角螺钉：
如：
自行车车把手中间
2.沉头螺钉：
最具代表性的十字、一字螺钉
螺钉一般是属于小型号紧固件，一般为M3M4型号，常用在家具，家电上。
（双头）螺柱
6.GB901：
（两端螺纹）等长双头螺柱
A型：
粗杆，材料中轴直径相当于或略大于螺纹外径
图：
B型双头图：
A型双头
B型：
细杆，材料中轴直径相当于或略小于螺纹中经。
2.GB898/9：
通常用于机械设备上，一般客户所说长度不含“栽入部分长度”。
标准
HG标准（化工标准）：
HG20613（欧洲体系）、HG20634（美洲体系）、
SH3404（石化标准）、GB/T9125（国标管法兰紧固件）
化工部标准，一般为合金钢，耐高温，耐低温，耐腐蚀性强。
紧固件相关标准参数
6.紧固件强度指标：
3.6级4.6级9.8级（不常用标准），常用标准4.8级5.6级6.8级8.8级10.9级（10.9S级）12.9级。
①“4”指性能等级，即抗拉等级为4，即每平方毫米抗拉强度为400MPa；
“.8”为屈服比值，即0.8；
屈服强度=抗拉强度*屈服比值；
②8.8级以下统称为普通螺栓
③含8.8级以上为高强螺栓，一般需要热处理才能达到强硬度和韧度的要求。
8.8级螺栓，直径为M24一下可以采用热淬透性略差的碳钢像45#、35#制作，而M24以上规格则必须采用淬透性较好的合金钢，像40Cr、35CrMo等。
10.9级以上只能采用合金钢像35VB、20MnTiB等
热处理：
是将金属产品放在热处理设备内，进行加热（淬火）、冷却、保温（回火）等流程，通过改变表面或内部的组织结构，来控制其产品性能的一种工艺。
，
注：
螺栓的淬火温度一般为800度，回火温度一般在500~600度之间。
热处理回火时间越短，材料硬度越好，韧脆度越差。
热处理，通常用冷却液或油（没有固定的沸点）来冷却，不用水是为了避免瞬间温度变化过大而引起产品断伤或断裂。
美标8级标准相当与国标10级标准。
④10.9级和10.9S级的区别：
后者为钢结构专用螺栓（S代表钢结构专用），同样的级别后者对性能的限制更多，要求更高，如固定材质，系数范围等。
二.常用的硬度指标包括HRC洛氏指标和HB布氏硬度。
常用维氏硬度HV表示垫片硬度；而测量螺栓通常采用洛氏硬度表示，HRC通常表示高强度螺栓硬度。
8.8级螺栓的洛氏硬度为22~32之间，通常我们认为布氏硬度值是洛氏硬度的十倍，严格的所是略大些的。
三.伸长率即最大抗拉的伸长量与原长的比值。
如，4.8级螺栓伸长率要求在17%~18%；8.8级要求不小于13%，10.9级别要求不小于10%。
四.断面率即拉断螺栓瞬间的截面面积所占原来截面的比值，一般不小于48%。
紧固件材质
常用的螺栓材质Q235-B45#35#40Cr35CrMo20MnTiB35VB42CrMoQ345-B
Cr
Mo
Mn
Ti
V
B
铬
钼
锰
钛
钒
硼
注：
“45”为碳含量指标，即碳含量0.45%
“Q”代指屈服强度，“235”为屈服值，即235Mpa；因此其相当于4.6级=400*0.6=240Mpa
材质的演变：
随着铸造钢材技术的发展，紧固件原材料性能也越来越高，例
35#—ML35K45#—ML45K其可塑性更好，满足冷墩成型要求。
焊钉材质的为ML.15、ML.15Al
ML.15为含碳量为0.15%的冷镦钢，与Q235材质基本无差别，但ML.15材质含有害元素P、S较少，钢的纯度高，具有冷镦性能强，可塑性良好等特点。
能更好的避免在生产过程中，冷镦开裂的现象。
注：
我们一般用ML15材质做焊钉，其含碳量就是0.15%。
常用地脚螺栓材质：
Q23545#Q345（16Mn）
Q345（16Mn）是一种低合金钢，其抗冲击防震性，塑性和焊接性良好，而且耐低温性能好！
注：
我们厂所用的材质，一般指Q235-BQ345-B，后者抗拉性能和韧性较好。
Q345-A只限定了其化学成分，不保力学性能；只限定其抗拉强度下限约等于450MaP，无上限。
Q345-B即保证化学成分，又保力学性能（我们的地脚，拉条等产品符合此要求）及规定抗拉强度下限也规定了上限。
Q345-C在B基础上，耐低温，适应环境能力强，可保证-20℃冲击试验合格。
Q345-D比C适应环境能力更强，可保证-40℃冲击试验合格。
从A～D化学元素无大差别，主要是纯度差异，其性能在低温下差别明显。
国内C级原材不是很好采购，且尚无法采购小批量D级别原材，因此成本高，无法及时提供供货保障。
遇到客户有明确要求的，可建议用35CrMo代替，此材质完全可以达到CD级性能要求，市场上供应充足，价格合理。
常用螺母材质：
低碳钢ML.0.8ML.10
中碳钢45#35#
常用产品级别与材质的搭配
螺母级别：
4H5H6H8H10H
螺母级别与材质：
4H用低碳钢ML0.8、ML10
5H6H用中碳钢45#35#
8H10H用中碳钢45#35#35CrMo30CrMo做热处理即可达到硬度要求。
因螺母本省中心空的，其对材料淬透性要求不高，所以通常普碳钢可以满足要求。
注：
因Q235材质含碳量较高易裂缝，所以一般不用其做螺母，但行业内常这么要求，无需在意。
国内市场没有30CrMo，因此一般用含碳量略高的35CrMo代替。
螺栓级别：
4.8级5.6级6.8级8.8级10.9级（10.9S级）12.9级。
螺栓级别与材质：
普通螺栓4.8级5.6级——采用普碳钢常用材质Q23545#35#等，含碳量越高其原材越硬，抗拉强度值越大，可塑性越差。
Q235通过冷拔可提高其屈服强度至300Mpa满足5.6级要求。
高强螺栓8.8级——采用碳钢常用材质45#35#40Cr35CrMo等，需要热处理。
直径小于22的产品可以使用45#、35#材质；直径超过24的产品可采用淬火性能较好的40Cr材质。
高强螺栓10.9级及以上级别——采用合金钢常用材质40Cr35CrMo20MnTiB35VB等，增加不同金属元素可提高原材在抗拉强度、淬透性、环境适应力等方面的性能。
35CrMo材质具有高静力强度；淬透性好；耐高温、低温等优点适应环境能力较强。
20MnTiB和35VB材质为当前钢结构螺栓指定材质，直径在24以下的钢结构螺栓严格要求采用20MnTiB材质。
钢结构螺栓直径为27、30时一般采用35VB材质。
高强螺栓12.9S：
常用材质35CrMo、42CrMo。
地脚螺栓材质与级别：
4S：
采用Q235材质，一般可以满足4.6S要求，但不到4.8S要求。
4~5S：
采用Q345（16Mn）可以满足5.6S要求，一般不能调质到8级。
6S：
采用45#本身具有每平方毫米600MaP的抗拉强度，相当于6级
8S：
小直径（M36以下）的采用45#通过热处理调质可达到8.8S要求
大直径（M36以上）的可采用渗透性更好的40Cr材料调质达到8.8S要求
10S：
小直径（M36以下）的40Cr可通过热处理调质可达到10.9S要求
大直径（M36以上）的可采用渗透性更好的35CrMo材料调质达到10.9S要求
注：
冷拔拉细可以增强材料的硬度和韧性，提高材质质量。
碳含量越多材料越硬，容易脆断，因此低碳钢的韧性使其能调质到高级别。
碳、磷是主要的有害元素，其含量上国家有严格的标准限制。
螺栓、螺母、垫圈的性能等级和推荐材料表，若客户需要也可使用其他材质，但需在合同中注明。
类别
性能等级
推荐材料
标准编号
适用规格
螺栓
10.9S
20MnTiBML20MnTiB
GB/T3077GB/T6478
M16、M20、M22、M24
35VB35CrMo
GB/T3077
M27、M30
螺母
10H
45#、35#、ML.35
GB/T699、GB/T6479
皆可用
垫片
——
45#、35#
GB/T699
手册上常用的标准件代号：
标准件
螺栓
螺母
平垫
弹垫
10.9S
8.8S
4.8S
双头
GB/T41-2000GB/T6170
GB6175
GB6176
…
GB/T97-2002
GB96
GB95
…
GB/T93-1987
执行标准
GB/T1228-2006
GB/T5782/3-2000
GB/T5780/1-2007
GB/T901-1988
标准件
大六角连接副
扭剪型连接副
焊钉
地脚螺栓
GB/T-1231
GB/T-3632
GB/T10433-2002
国标
L型
T型
执行标准
GB/T799-1988
JB/ZQ4362-97
JB/ZQ4362-97
紧固件的表面处理
表面处理步骤
成品——经过酸洗、中和处理或喷沙——除油除锈——钝化——表面处理（电镀热镀）
酸洗：
是用酸溶液除去成品表面的油、锈，通常需要中和反映。
喷沙：
即用高速微小沙粒冲洗陈品表面，以达到出油除锈的效果。
其避开了使用酸液对产品质量的伤害，通常在达克罗处理时使用。
钝化：
在产品表面生成一种非常薄的、致密的、覆盖性能良好的、牢固地吸附在金属表面上的钝化膜。
通常是氧化金属的化合物。
它起着防腐蚀的作用。
1.发黑，又叫法蓝（兰）处理，即加碱处理，NaOH、NaHNO3，客户无明确要求必做发黑处理，有效的掩盖由于热处理造成的产品表面不足，因此，主要用于需要热处理的高强紧固件。
2.电镀锌：
就是置换反应，镀锌厚度一般产品直径越大厚度越大。
国家规定镀锌厚度如表所示，实际镀锌厚度为3~5um左右。
可选银白、蓝白和彩锌。
镀彩锌：
有黄、黑（很少）、军绿色等。
电解镀锌产品表面常附着氢离子，会影响产品力学性能，就是常说的氢脆，因此需要做趋氢处理。
目前电镀锌，内涵铬元素通常是+6价，即Cr6+溶液反应，镀锌成本在300~650元/吨。
有客户要求用环保的+3价铬，即Cr3+溶液反应，成本在650~750元/吨。
3.热侵锌：
即把成品放入经过高温融化的固体锌溶液，特定时间后捞出进行离心处理的过程。
表面颜色常见的有灰白（相对低温锌层厚）和亮白（相对高温锌层薄）两种。
即热镀锌产品表面越光，镀锌层越薄；表面呈灰色，且厚度越均匀（没有结流）则越好。
热镀锌缺点：
①高温镀锌相当于对产品二次回火，严重影响产品硬度，破坏力学性能，因此美国标准有明文规定10.9级以上栓严谨采用热处理防腐。
②锌层较厚，几何尺寸变化大，因此配螺母需要做扩孔处理。
热镀锌常用上锌量来表示：
即每平方米上锌重量为多少克。
上锌量在270g/m2以上，可以满足40um的厚度要求。
现实中镀锌前后产品每吨重量差在10~15Kg。
测量上锌层厚度一般取三个面求平均值。
上锌量与厚度转换公式：
M克/㎡除以铁的密度7850Kg/m³=Nμm
热侵会附着在螺纹里，需要做离心处理。
温度越高时间越短，上锌越薄：
温度低时间越长，上锌越厚。
机械镀锌又叫粉末镀锌，高速高温冲刷。
注：
由于镀锌厚度的影响，热度锌螺栓要对螺母做微加大处理不然拧不上。
螺母进行扩孔处理后，通常会有些框，但国家没有具体规定扩孔的标准，因此只需要保证实验载荷就算合格。
即在螺栓拉断时螺母不脱落即为合格。
工人常说的的30杠，40杠即是扩孔数值单位。
4.达克罗，分为含铬和不含铬两种，铬是一种有毒元素，生产过程污染环境含铬，即用锌铬酸盐对产品进行喷刷，只有银白色，通常需要两次涂层。
无铬，新型绿色表面处理工艺，有多种颜色，常见的有黑色，军绿色。
达克罗是由美国引进，因为其采用喷沙除油除锈，而且其要求温度是在200~300℃之间，其对产品质量无太大损伤，因此是比较理想的防锈处理方式，但达克罗有一定的环境污染。
即使无太大的质量损伤，但因为表面不够光滑，也会影响高强螺栓检测是的系数值，因此，达克罗重要的保检测一步是的皂化。
缺点是：
附着力差，怕磕碰。
皂化：
在金属表面附着一层皂化材料,主要起润滑作用.金属在拉拔的时候用到。
5.真空渗锌镀锌，热镀锌的一种，即在真空加高温双重环境下将锌的快速渗透在产品表层，形成一定厚度的锌铁合金层，业界有人将他理解成一种热处理工艺，15年以上防锈。
渗锌工件有很强的耐腐蚀性，表面硬度增高，无氢脆！
广泛应用于公、铁路建设，造船，航空，风电，水电等领域。
据说可以保证30年不锈，在我国青藏高铁上有用到。
处理方式
涂层厚度
耐腐蚀期
成本
优缺点
处理方式
常用产品
本色
2~3月
附加成本最低
产品表面粗糙
黄油处理
4.8紧固件
法蓝
3~8um
6个月
160~260元/吨
覆盖热处理后的红云，产品表面美观一致
加碱处理
8.8紧固件
电镀锌
M12以下8um，以上8~12um
1年以上
小件产品成本300-450/吨；长大件550-600/吨悬挂式镀锌
产品表面光亮；“氢脆”效应使得影响产品硬度
电解置换处理
8.8以下可做，含10.9S以上紧固件不做电镀锌
热侵锌
43~100um
8年以上
大件1200~1500/吨，小件2000-2500/吨
表面光亮：
热处理温度过高影响产品力学性能
500度融锌热侵
8.8以下可做，含10.9以上紧固件一般不做热浸锌
真空镀锌
20~120um
30年以上
大件1500~1700吨，小件2200-2700/吨
耐磨性好，不影响力学性能；表面亮度不足
真空环境下渗透
铁道扣件
及其它恶劣环境条件下
达克罗
8~12um
5~10年
与真空镀锌成本差不多
环保，耐高温，结合力好；耐磨性不好，怕磕碰
表面喷刷
钢结构
机械镀锌
30年以上
1500~1700元/吨
上锌层相对薄，且耐腐蚀
极地高铁结构
钢结构螺栓连接副
大六角连接副：
必成套，即一栓、两垫圈、一螺母。
因其属于高张力栓，靠其自身张力锁紧，故用平垫而不用弹垫，弹垫在此无助于锁紧，反会破坏其摩擦系数。
大六角检测的必要指标实验和要求：
6.楔负载实验
螺栓头下置100楔垫，在拉力实验机器上将螺栓拧在带有内螺纹的专用夹具上（大于等于d）然后进行拉力实验。
要求：
100楔垫尺寸及硬度要符合GB/T3098.1的规定。
进行实验时，拉力载荷在下表规定的范围内，断裂应发生在螺纹或螺纹与螺杆交界处。
掉头或断在螺杆上则为不合格。
注：
当螺栓长度不足只直径的三倍时，可不做楔负载实验，允许用拉力载荷试验或芯部硬度实验代替。
拉力载荷应符合下表要求：
螺纹规格d
M16
M20
M22
M24
M27
M30
公称应力截面积是As/mm2
157
245
303
353
459
561
10.9S拉力载荷（kN）
163-195
255-304
315-376
367-438
477-569
583-696
芯部硬度应符合下表要求：
性能等级
维氏硬度
洛氏硬度
最小值（min）
最大值（max）
最小值（min）
最大值（max）
10.9S
312HV30
367HV30
33HRC
39HRC
2.保证载荷实验
将螺母拧入螺纹心棒，实验时夹头的移动速度不应超过3mm/min。
对螺母施加下表规定的保证载荷，持续15s，螺母不应脱落或破裂。
当去掉载荷后，应可用手将螺母旋转出。
螺纹规格D
M16
M20
M22
M24
M27
M30
公称应力截面积是As/mm2
157
245
303
353
459
561
保证力Sp/Mpa
1040
10H保证载荷（As*Sp）/kN
163
255
315
367
477
583
3.垫片硬度实验
实验在支撑面上进行，10H垫片洛氏硬度为30HRC
4.扭矩系数实验
实验室对螺栓做配套的组合实验，扭矩系数要严格控制在0.11-0.15之间。
系数过大或过小都会导致螺栓拧不紧或超拧。
影响扭矩系数的因素：
1螺牙的精度。
注：
螺牙精度的检验主要是“通止规”。
即通规和止规，通规要求手拧至底儿无障碍，止规要求满帽丝则止，不凸不凹方是合格。
6.螺母内牙的光滑程度；
6.垫片表面的光滑度；越光扭矩系数越小，光滑度适中为好，既不能太滑也不能太粗糙。
④外因。
包括温度，湿度，运输破坏等，因此在运输时要求栓母垫分开装箱的。
HV30标准扭矩系数有效保证时间为6个月。
HV30直径*扭力系数*设计预拉力=实际扭力数
扭剪螺栓连接副：
必成套，即一栓、一垫圈、一螺母。
自身具有高胀力。
纽剪螺栓检测的必要指标实验和要求：
（技术验收）
1.楔负载实验
2.保证载荷实验
3.垫片硬度实验
试验在“支承面”上进行，执行GB/T230.1或GB/T4340.1的规定。
4.紧固轴力实验
连接副的禁固轴力试验在轴力计或测力环上进行，必成套试验，不能重复使用。
下表为禁固轴力标准：
螺纹规格
M16
M20
M22
M24
M27
M30
每批紧固轴力的
平均值/kN
公称
110
171
209
248
319
391
min
100
155
190
225
290
355
max
121
188
230
272
351
430
紧固轴力表批准差σ≦x/kN
10.0
15.5
19.0
22.5
29.0
35.5
注：
若长度达不到直径的的三倍，可不做紧固轴力实验，改用“心部硬度实验”代替。
影响紧固轴力的实验的因素：
6.螺牙的精度；
6.螺母内牙的光滑程度；
③垫片表面的光滑度；部件表面越光越有效，可以减小摩擦，刚好的满足要求。
④外因。
包括温度，湿度，运输破坏等，因此在运输时要求栓母垫分开装箱的。
焊钉的投标指标
1.外形尺寸。
客户要求长度包括，含帽全长减去熔长。
①比起其他螺栓紧固件起标注长度是含帽长；②其标注长度是不含标准规定的熔长。
注：
在现实市场买卖中商家对第②项是不重视的，但在投标或重大项目中就必须严格按要求来。
2.拉拔试验
将实验焊钉焊在小块钢板上，然后做拉力实验，当拉力达到下表要求时，不得断裂；继续增大拉力载荷直至拉断，断裂不应发生在焊逢和热影响区内。
d/mm
Φ10
Φ13
Φ16
Φ19
Φ22
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