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高強(qiáng)度螺栓強(qiáng)在哪里?

上海材料工程大學(xué)高性能鋼團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)一年多的反復(fù)試驗(yàn),與其他7位合作者合作,成功研制出世界上第一個(gè)被稱(chēng)為世界最強(qiáng)緊固件的19.8級(jí)超高強(qiáng)度螺栓。


通過(guò)材料和熱處理工藝優(yōu)化,16.8級(jí)和19.8級(jí)螺栓室溫抗拉強(qiáng)度分別滿足1600~1770MPa和1900~2070MPa。


剪切測(cè)試(依據(jù)GJB 3376-1998)結(jié)果表明,16.8級(jí)和19.8級(jí)螺栓剪切力分別達(dá)到97KN和115KN;


室溫拉伸疲勞強(qiáng)度測(cè)試(依據(jù)GJB 3376-1998及GJB715.30A-2002,載荷比=0.1)結(jié)果表明,研制的緊固件滿足疲勞壽命要求(平均疲勞壽命不低于65000次,單個(gè)疲勞壽命不低于45000次);


耐延遲斷裂性能試驗(yàn)(根據(jù)GJB 715.12-1990,大氣環(huán)境下恒定拉應(yīng)力保持96小時(shí))結(jié)果表明,螺栓在測(cè)試時(shí)間內(nèi)未發(fā)生斷裂破壞,卸載后螺栓表面及螺紋處未發(fā)現(xiàn)裂紋;新研制的超高強(qiáng)度螺栓綜合性能滿足使役要求。

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超高強(qiáng)度緊固件可以在相同夾緊力下,通過(guò)減少自身尺寸來(lái)降低重量和增加安裝空間,因此可以對(duì)被連接部件進(jìn)行功能和體積優(yōu)化,從而使裝備達(dá)到整體減重和性能優(yōu)化的目的。


那么,什么是高強(qiáng)度螺栓?高強(qiáng)度螺栓究竟強(qiáng)在哪?今天,法士威帶你來(lái)了解一下。

1?什么是高強(qiáng)度螺栓?

高強(qiáng)度螺栓(High-Strength Friction Grip Bolt),英文直譯為:高強(qiáng)度摩擦預(yù)緊螺栓,英文簡(jiǎn)稱(chēng):HSFG。可見(jiàn),我們中文施工中所說(shuō)的高強(qiáng)度螺栓是高強(qiáng)度摩擦預(yù)緊螺栓的簡(jiǎn)稱(chēng)。在日常溝通中,僅僅是簡(jiǎn)略了“摩擦(Friction)”“預(yù)緊(Grip)”兩個(gè)詞,卻造成了許多工程技術(shù)人員對(duì)高強(qiáng)度螺栓基本定義的理解,產(chǎn)生了誤區(qū)。


誤區(qū)一:材料等級(jí)超過(guò)8.8級(jí)的螺栓,就是“高強(qiáng)度螺栓”?


高強(qiáng)度螺栓和普通螺栓的核心區(qū)別并不在于使用材料的強(qiáng)度,而是受力的形式。本質(zhì)是是否施加預(yù)緊力,并利用靜摩擦力抗剪。


實(shí)際上在英標(biāo)規(guī)范,美標(biāo)規(guī)范中提到的高強(qiáng)度螺栓(HSFG BOLT)只有8.8級(jí)和10.9級(jí)兩種(BS EN 14399 / ASTM-A325&ASTM-490),而普通螺栓卻有包含有4.6,5.6,8.8,10.9,12.9等(BS 3692 11款表2);由此可見(jiàn),材料強(qiáng)度高低并不是區(qū)別高強(qiáng)度螺栓與普通螺栓的關(guān)鍵。

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2?高強(qiáng)度螺栓強(qiáng)在哪?

按照GB50017,計(jì)算單個(gè)普通螺栓(B類(lèi))8.8級(jí)和高強(qiáng)度螺栓8.8級(jí)抗拉及抗剪強(qiáng)度。

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通過(guò)計(jì)算我們可以看到,相同等級(jí)的情況下,普通螺栓的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值都要高于高強(qiáng)度螺栓。


那么高強(qiáng)度螺栓,“強(qiáng)”在哪里?


為回答這一個(gè)問(wèn)題,必須從兩種螺栓的設(shè)計(jì)工作狀態(tài)入手,研究其彈塑性變形的規(guī)律,并理解到設(shè)計(jì)破壞時(shí)的極限狀態(tài)。


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設(shè)計(jì)破壞時(shí)的極限狀態(tài)


普通螺栓:螺桿本身發(fā)生超過(guò)設(shè)計(jì)允許的塑性變形,螺桿被剪壞。


普通螺栓連接,開(kāi)始承受剪力前連接板間就會(huì)發(fā)生相對(duì)滑移,繼而螺栓桿和連接板接觸,發(fā)生彈塑性形變,承受剪力。


高強(qiáng)度螺栓:有效摩擦面間的靜摩擦力被攻克,兩塊鋼板發(fā)生相對(duì)位移,設(shè)計(jì)考量上即為破壞。


高強(qiáng)度螺栓連接,摩擦力首先承受剪力,當(dāng)荷載增大到摩擦力不足以抵抗剪力,靜摩擦力被攻克,連接板發(fā)生相對(duì)滑移(極限狀態(tài))。但此時(shí)雖然破壞,但螺栓桿與連接板發(fā)生接觸,依然可以利用其本身的彈塑性形變,承受剪力。


誤區(qū)二:承載能力高就是高強(qiáng)度螺栓?


由單個(gè)螺栓的計(jì)算可知,高強(qiáng)度螺栓抗拉和抗剪的設(shè)計(jì)強(qiáng)度均低于普通螺栓。其高強(qiáng)實(shí)質(zhì)是:正常工作時(shí),節(jié)點(diǎn)不允許發(fā)生任何相對(duì)滑移,即:彈塑性變形小,節(jié)點(diǎn)剛度大。


可見(jiàn),在給定設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)荷載的情況下,用高強(qiáng)度螺栓設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)并不一定能節(jié)省螺栓使用數(shù)量,但是其變形小,剛度大,安全儲(chǔ)備高。適合用主梁,等要求節(jié)點(diǎn)剛度較大的位置,符合“強(qiáng)節(jié)點(diǎn),弱桿件”的基本抗震設(shè)計(jì)原理。


高強(qiáng)度螺栓之強(qiáng),并非在于其本身的承載能力設(shè)計(jì)值,而是表現(xiàn)于其設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的剛度大,安全性能高,抗破壞的能力強(qiáng)。


3?高強(qiáng)度螺栓和普通螺栓的對(duì)比

普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓由于其設(shè)計(jì)的受力原理不同,其在施工檢驗(yàn)方法上有極大的區(qū)別。

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同等級(jí)普通螺栓各項(xiàng)機(jī)械性能要求均比高強(qiáng)度螺栓略高,但高強(qiáng)度螺栓較普通螺栓多一項(xiàng)沖擊功的驗(yàn)收要求。

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高強(qiáng)度螺栓:(M24,L60,8.8級(jí))
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普通螺栓:(M24,L60,8.8級(jí))

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可見(jiàn)普通螺栓大約為高強(qiáng)度螺栓價(jià)格的70%,結(jié)合其驗(yàn)收要求的對(duì)比,可以得出,其溢價(jià)部分就應(yīng)該是為了保證材料的沖擊功(韌性)性能。


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