日本高强度螺栓技术研究的新进展

　　高强度螺栓技术（以下简称高栓）是钢结构桥梁连接中常用的连接方式之一，近年来在桥梁结构中得到广泛应用。美国、日本在这个领域的研究处于世界领先地位。

　　高栓的连接，按照其传力方式，可分为摩擦型高栓连接、承压型高栓连接、扭剪型高栓连接等几种。

　　高栓到底是何时开始使用的尚不明确，但有资料记载，美国是世界上最早开始研究高栓的国家，始于20世纪40年代。日本从20世纪50年代开始使用高栓，首次使用于1954年架设的某铁路桥，以此为契机，随后在铁路桥上大量使用高栓。1961年还制定了高栓技术标准，即日本工业规格JIS B 1186。随后，日本公路协会又出版发行了《公路钢桥高强度螺栓摩擦连接设计指南》。

　　我国铁路钢桥自20世纪60 年代初期开始用高栓连接代替铆钉连接，至今已有50余年的历史。现在，铁路钢桥工地连接主要采用高栓连接和焊接连接两种连接技术。公路桥的钢桁梁、桁架拱桥的工地连接也有不少采用高栓连接。

　　日本如何对待高栓病害

　　钢桥的代表性损伤之一，是高栓的松动、掉落。螺栓松动、掉落的原因之一是高栓的延迟破坏（或称为延迟断裂）。延迟破坏是高强度钢构件在高应力和环境影响下，由于韧性逐渐降低，经过一定时间后发生的脆性破坏。

　　日本钢桥也经常发生高栓松动、掉落的现象。福岛县三岛大桥于1975年建成（图1）。在1987年发生过高栓掉落现象，桥梁管理人员以高栓损伤为重点进行检查，并把已损伤的高栓进行了更换。但是，高栓损伤仍继续发生。

　　按照日本在2014年颁布的对桥梁、隧道每5年进行一次定期检查的部令，桥梁管理人员用检测车对该桥的高栓进行了检查，而且是进行了非常详细的检查。检查后结合以往的检查资料、设计资料进行综合分析，还做了高栓自身的强度试验、成分调查分析等。

　　分析后认为：对桥梁整体而言，并没有发现致命的损伤，所看到的高栓损伤为“延迟破坏”。并且认为今后仍存在高栓继续损伤、掉落的可能性。为确保通行车辆的安全性，及时地对全部松动与掉落的高栓进行了更换与补修，如图2。

　　对高栓松动、掉落现象检查的目的是为了进行安全性评估，评估时主要着眼于每组高栓中的松动、掉落数量。如果每组高栓中松动、掉落根数不满5%，可认为对承载能力的影响较小；如果超过5%，就需要慎重对待。

　　图3所示是对某桥进行检查的结果，每组高栓的掉落根数没有超过5%【1（掉落）/44（全体）=2.3%】。但是，由于是使用F11T超强高栓，恐怕今后仍会发生高栓掉落现象。因此，按健全性诊断标准评定为Ⅱ级（结构物的机能不产生故障，但从预防角度看仍希望采取措施）。

　　高栓技术的发展方向

　　1.高栓连接

　　超高强度螺栓。现在高栓摩擦连接用的螺栓的强度等级为1000MPa。有F10T、S10T两种类型（实际上日本还有F11T型）。建筑领域开发了一种将10T级乘以1.4倍的14T 级的高栓，并且在许多建筑工程中采用。由于S14T级螺栓的缺点是易发生延迟破坏，所以正在开发不易发生延迟破坏的材料、缓解螺纹根部应力集中的新型螺旋形状。

　　钢桥领域，目前还没有采用S14T，但正在进行S14T级高栓采用方面的技术标准的调查与研究。在物质材料研究机构（NIMS），正在开发18T级的材料、新型螺旋形状，以尽量回避螺纹根部的延迟破坏。为了验证延迟破坏还在进行室外暴露试验，试验时限定了使用环境、要求达到检验需要的。

　　高栓的大直径化，为实现高轴力的有效方法之一。在公路桥规范中规定了直径20、22、24三种规格的高栓。在建筑领域如输送电铁塔中已经采用了直径超过32的高栓。

　　通过对大直径高栓的连接构造进行试算后认为，根据螺栓布置有关的最小中心间距的规定，必须加大螺栓布置的间距。由于开孔使断面有削弱的部分，可考虑通过优化螺栓布置来弥补。鉴于大跨度桥梁中梁、索塔构件厚度的不断加大，M30高栓直径仍显小，急需M32或M36的高栓。

　　2.高栓轴力控制办法

　　在钢桥领域，高栓轴力控制，一般采用扭矩法控制轴力，这是因为规定高栓在弹性范围内工作。但是，在建筑领域采用的是螺帽旋转法控制轴力，是在超过弹性的塑性阶段拧紧螺帽。在本州四国联络桥工程中，采用屈服强度法控制轴力，认为在弹性响应限界的屈服强度范围内，提高轴力是可行的。基于这种考虑，日本钢结构协会的某技术委员会正在组织开发新型的屈服强度法扳手，并进行其适用性研究。

　　3. 高栓摩擦连接结合面滑移系数的设定

　　最早规定把高栓摩擦连接接头作为钢桥的设计标准，以红色生锈面为基本时代，从防锈的观点涂敷无机富锌漆，这时滑移系数为0.4。到了2012年，在进行公路桥梁规范修订时，规定根据结合面条件的不同来设定滑移系数，当采用无机富锌漆时，只要满足一定的条件，滑移系数可取为0.45。对于更换或更新之类的修补、补强，在构件结合面两侧进行不同的结合面处理，或者对不同结合面处理时，根据实际情况设定适当的滑移系数。即根据结合面处理及其组合，至于一律取0.4还是超过0.4，要根据实际情况决定。

　　现在，对滑移系数的设定没有评价方法，一般根据需要进行标准滑移试验，再根据试验结果确定设计滑移系数。但是，当所得到的试验结果与设计标准中所表示的滑移系数相差较大时，滑移系数怎样取值没有明确。因此，在（国研）土木技术研究所和大阪市立大学，以统一标准滑移试验为目的，根据试验结果就滑移系数的设定方法共同进行研究，以确定合理的滑移系数。

　　4. 结合面滑移系数的提高

　　提高高栓摩擦连接结合面的高滑移系数，可通过各种各样的手段获得。例如：对结合面进行机械切削形成纹路以此来改善滑移系数。2012年，在修改公路桥规范时，规定当涂敷无机富锌漆时，抗滑移系数超过0.45；当确保一定的涂膜厚度时，抗滑移系数为0.40～0.45。如采用防腐性能优越的喷合金材料为结合面时，还可以获得更高的抗滑移系数。考虑实际的架设工程，对连接板喷合金材料、母材采用无机富锌漆涂敷，这样两种不同材料进行结合面处理时，可以获得更高的抗滑移系数，当满足一定的条件时，滑移系数可达到0.54。在建筑邻域，结合面采用喷铝时，滑移系数超过0.8。

　　5. 高栓装置的高耐久性

　　高栓结合的另一个需研究的重大课题是高栓的头部、螺帽、螺纹处的腐蚀。高栓结合部的腐蚀，如图4所示，主要是由于螺纹部的涂膜厚度不足，导致螺帽部、螺纹部、大六角头螺栓头部易腐蚀。

　　解决这个问题的方法之一，是把连接部做成平滑状。从打入式承压螺栓受到启发，研究采用埋头高栓的摩擦连接接头，埋头高栓是为高栓摩擦连接接头开发的。埋头的开角比打入式高栓的开角大，这是由螺栓轴力的徐变特性、埋头部的应力集中决定的。

　　图5是埋头高栓的例子，图6所示为采用埋头高栓的摩擦连接接头的标准滑移试验。通过采用这种螺栓，连接接头表面平滑, 涂膜厚度也有保证，耐腐蚀性能也有所提高。

　　由于按埋头形加工连接板，所以，在拉力作用下，螺栓轴力的降低比常用高栓大，滑移屈服强度降低10%左右。根据这个特性，对滑移系数作适当设定，耐久性高的连接部的实现是可能的。另外，考虑实际制造误差的埋头螺栓的制造容许值的设定，稍微增大连接板侧埋头加工部的埋头螺栓的开角角度，可改善滑移系数。

　　借鉴国外技术 推动国内发展

　　高栓连接是桥梁构件（杆件）连接中常用的连接方式，在公路、铁路桥梁中被大量的采用。美国、日本学者在高栓连接方面的研究起步早于中国，做了大量深入细致的研究工作。日本规定高栓延迟破坏不允许超过5%、健全性诊断评定标准、开发大直径高栓等，对我国在这方面的应用与研究具有重要的参考意义。

　　我国在学习引进美国、日本的高栓技术的同时，也在不断的提高、发展。早期主要靠引进日本的技术与产品，如曾经进口日本M27高栓、学习日本做屈服强度法控制轴力、进口日本扳手等。后来、我们自力更生，已成功研发出第一代、二代、三代高栓扳手产品，其扭矩精度为5%。目前，第四代产品的样机已试制成功。本译文收集了日本近期在高栓方面的研究工作，旨在介绍国外在这个领域的研究动态，以推动国内在高栓方面的技术发展。

　　国内高强度螺栓在桥梁的应用

　
　　泸定大渡河兴康特大桥，地处高地震烈度8级、复杂风场环境下，施工难度大，全桥长1411米，主桥长1100米，被称为“川藏第一桥”。

　　全桥一共57节钢桁梁，每一段钢桁梁，都是用高强度螺栓进行固定的。一排排的螺栓，如果有一个螺栓安装有偏差，其他螺栓就对不上孔，便无法安装上去。因此每一颗螺栓的安装精度，都是以毫米来计算的，螺栓直径24毫米，螺栓孔直径26毫米，只有2毫米可供周旋。总共算下来，兴康特大桥一共要使用接近60万颗高强度螺栓，是其他大型桥梁的数倍。

　　为了确保这些螺栓全部严丝合缝，所有的钢桁梁大节段在生产时均进行了试拼装，“零误差”后才拆开运送到工地上，待吊装时再重新组装。在钢桁梁吊装前，所有钢桁梁节段均要进行再验收，满足要求再吊装；螺栓拧好后在一天之内进行抽检。


　　港珠澳大桥是国家超级工程，世纪工程，两岸三地，一桥三通。全长55公里，大桥使用寿命120年，双向6车道，设计时速每小时100公里。

　　桥上的中国节，重771.1吨，每个中国节用9168套高强度螺栓连接而成，双塔共用18336套高强度螺栓。

　　高强度螺栓，你了解多少？

　　高强度螺栓在生产上全称叫高强度螺栓连接副，一般不简称为高强度螺栓。

　　根据安装特点分为：大六角头螺栓和扭剪型螺栓。其中扭剪型只在10.9级中使用。

　　根据高强度螺栓的性能等级分为：8.8级和10.9级。其中8.8级仅有大六角型高强度螺栓，在标示方法上，小数点前数字表示热处理后的抗拉强度；小数点后的数字表示屈强比即屈服强度实测值与极限抗拉强度实测值之比。8.8级的意思就是螺栓杆的抗拉强度不小于800MPa，屈强比为0.8；10.9级的意思就是螺栓杆的抗拉强度不小于1000MPa，屈强比为0.9。

　　结构设计中高强度螺栓直径一般有M16/M20/M22/M24/M27/M30，不过M22/M27为第二选择系列，正常情况下选用M16/M20 /M24/M30为主。

　　高强度螺栓在抗剪设计上根据设计要求分为：高强度螺栓承压型和高强度螺栓摩擦型。

　　摩擦型的承载能力取决于传力摩擦面的抗滑移系数和摩擦面数量，喷砂（丸）后生赤锈的摩擦系数最高，但从实际操作来看受施工水平影响很大，很多监理单位都提出能否降低标准来确保工程质量。

　　承压型的承载能力取决于螺栓抗剪能力和栓杆承压能力的最小值。在只有一个连接面的情况下，M16摩擦型抗剪承载力为21.6~45.0kN，而M16承压型抗剪承载力为 39.2~48.6 kN，性能要优于摩擦型。

　　在安装上，承压型工艺要简单一些，连接面仅需清除油污及浮锈。沿轴杆方向抗拉承载力，在钢结构规范中写的很有意思，摩擦型设计值等于0.8倍预拉力，承压型设计值等于螺杆有效面积乘以材料抗拉强度设计值，看起来似乎有很大区别，实际上两个值基本一致。

　　在同时承受剪力和杆轴方向拉力时，摩擦型要求是螺栓承受的剪力与受剪承载力之比加上螺杆承受轴力与受拉承载力应力比之和小于1.0，承压型要求是螺栓承受的剪力与受剪承载力之比的平方加上螺杆承受轴力与受拉承载力比的平方之和小于1.0，也就是说在同种荷载组合情况下，相同直径的承压型高强度螺栓在设计上的安全储备要高于摩擦型高强度螺栓的。

　　考虑到在强震反复作用下，连接摩擦面可能会失效，这时候的抗剪承载力还是要取决于螺栓抗剪能力和板件承压能力，因此抗震规范规定了高强度螺栓极限受剪的承载力计算公式。

　　尽管承压型在设计数值上占有优势，但由于其属于剪压破坏型式，螺栓孔为类似普通螺栓的孔隙型螺栓孔，在承受荷载作用时的变形远大于摩擦型，所以高强度螺栓承压型主要用于非抗震构件连接、非承受动荷载构件连接、非反复作用构件连接。

　　这两种型式的正常使用极限状态也是有区别的：

　　摩擦型连接是指在荷载基本组合作用下连接摩擦面发生相对滑移；

　　承压型连接是指在荷载标准组合作用下连接件之间发生相对滑移；

　　普通螺栓

　　1. 普通螺栓分A、B、C三种。前两种是精制螺栓，较少用。一般说的普通螺栓，均指C级普通螺栓。

　　2. 在一些临时连接及需拆卸的连接中，常用到C级普通螺栓。建筑结构常用的普通螺栓有M16、M20、M24。某些机械工业粗制螺栓直径可能比较大，用途特殊。

　　高强度螺栓

　　3.高强度螺栓的材料与普通螺栓不同。高强度螺栓一般用于永久连接。常用的有M16~M30。超大规格的高强度螺栓性能不稳定，应慎重使用。

　　4.建筑结构的主构件的螺栓连接，一般均采用高强度螺栓连接。

　　5.工厂出厂的高强度螺栓并不分承压型还是摩擦型。

　　6. 究竟是摩擦型高强度螺栓或者是承压型高强度螺栓？实际上是设计计算方法上有区别：

　　（1） 摩擦型高强度螺栓以板层间出现滑动作为承载能力极限状态。

　　（2）承压型高强度螺栓以板层间出现滑动作为正常使用极限状态，而以连接破坏作为承载能力极限状态。

　　7.摩擦型高强度螺栓并不能充分发挥螺栓的潜能。在实际应用中，对十分重要的结构或承受动力荷载的结构，尤其是荷载引起反向应力时，应该用摩擦型高强度螺拴，此时可把未发挥的螺栓潜能作为安全储备。除此以外的地方应采用承压型高强度螺栓连接以降低造价。

　　普通螺栓与高强度螺栓区别

　　8.普通螺栓可重复使用，高强度螺栓不可重复使用。

　　9.高强度螺栓一般由高强钢材制成（45号钢(8.8s)，20MmTiB(10.9S)，是预应力螺栓，摩擦型用扭矩扳手施加规定预应力，承压型拧掉梅花头。普通螺栓一般由普通钢材(Q235)制成，只需拧紧即可。

　　10.普通螺栓一般为4.4级、4.8级、5.6级和8.8级。高强度螺栓一般为8.8级和10.9级，其中10.9级居多。

　　11.普通螺栓的螺孔不一定比高强度螺栓大。实际上，普通螺栓螺孔比较小。

　　12.普通螺栓A、B级螺孔一般只比螺栓大0.3~0.5mm。C级螺孔一般比螺栓大1.0~1.5mm。

　　13.摩擦型高强度螺栓靠摩擦力传递荷载，所以螺杆与螺孔之差可达1.5～2.0mm。

　　14.承压型高强度螺栓传力特性是保证在正常使用情况下，剪力不超过摩擦力，与摩擦型高强度螺栓相同。当荷载再增大时，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，与普通螺栓相同，所以螺杆与螺孔之差略小些，为1.0～1.5mm。

　　柱脚锚栓
　　
　　15. 锚栓没有等级，只有材料之分：Q235和Q345。建筑结构上用锚栓最多的就是柱脚锚栓。

　　16.柱脚锚栓既不属于普通螺栓也不属于高强度螺栓。严格来说，它不属于螺栓。柱脚锚栓一般采用M20或M24。

　　17. 柱脚锚栓的制造标准应该同普通螺栓的制造标准。柱脚锚栓埋入的长度应该与其与混凝土之间的摩擦力，还有就是锚栓的形式有关。

　　膨胀螺栓和化学螺栓

　　18. 不管是膨胀锚栓还是化学锚栓，均非国标规范中的连接形式，应避免使用这类连接，尤其是重要的连接中。均应采用事先预埋件。

　　19. 膨胀锚栓主要靠膨胀管的张开与砼产生摩擦力来抗拔的。抗拔力的大小与施工工艺关系较大，人为因素较大，抽检做抗拉实验也没用。

　　20. 化学锚栓是采用打孔机打孔成型，然后灌入化学浆料，将栓杆放入，以成锚固作用。

　　21. 膨胀螺栓和化学螺栓，其实都属于锚栓性质。在某些情况下，因为没有事先预埋，就需要用到膨胀螺栓或化学锚栓了。但这种情形应该在设计中努力避免。因为锚栓都应该预埋。例如柱脚锚栓。因为只有这样，才能保证最佳的粘接和受力。而且事后打孔，常常会对砼中的受力钢筋以及砼本身造成损伤。

　　22. 砼规范中，对于预埋在混凝土中的构件，都称之为预埋件。根据建设部文件，膨胀螺栓不得用于幕墙。一般新建工程，严禁采用膨胀锚栓，都应该采用预埋。

　　（作者：中铁大桥局集团有限公司 陈开利，金蜘蛛紧固件网综合整理）