5扭剪型高强度螺栓联接的设计
扭剪型高强度螺栓联接的设计
（1）扭剪型高强度螺栓联接结构形式及应用
扭剪型高强度螺栓联接由一个螺栓、一个螺母和一个垫圈构成，如图2.1-3所示。它具有强度高、安装简便、质量容易保证、可以单面拧紧等优点。主要用于铁路、公路、建筑、化工、冶金等钢结构的联接。
图2.1-3扭剪型髙强度螺栓联接
1一螺栓 2—垫圈 3—螺母
（2）紧固件品种与规格
目前，我国扭剪型髙强度螺栓国家标准只有一个品种（GB/T 3632—1995)，规格为M16、M20、M22和M24的粗牙螺纹。
（3）常用材料及机械性能
推荐使用的材料及性能见表2.1-19。
表2.1-19 扭剪型高强度螺栓、螺母推荐
使用的材料及机械性能（摘自GB/T 3632—1995)
| 联接件 | 性能等级 | 推荐材料 | 力学性能 | 硬度HRC |
| 螺栓 | 10.9S | 20MnTiB | 抗拉强度：1040- 1240 Mpa | 33 〜39 |
| 螺母 | 10H | 35, 45, 15MnVB | 保证应力：≥ 1040 MPa | ≤28 |
| 垫圈 | — | 35、45 | — | 35 〜45 |
（4）预紧力及其控制
高强度螺栓联接通常用来承受较大的外载荷，为充分发挥螺栓的能力，应将高强度螺栓拧紧到塑性变形，即让预紧力达到或超过螺栓的屈服点。
我国标准规定的预紧应力ð′的平均值为：ð′=0.75ðs
预紧力的控制建议采用转角法或力矩-转角法。力矩-转角法控制预紧力的拧紧操作程序如下：先用力矩扳手按规定的拧紧力矩拧紧螺栓，规定的拧紧力矩一般按预紧应力为0.3ðs〜0.8ðs计算得到，然后用螺母转角法控制最后的预紧力，使其达到或超过屈服点。该方法控制预紧力的误差约为±5%，单用螺母转角法控制预紧力，误差约为±25%〜±30%。
此外，还可采用扭断法来控制扭剪型高强度螺栓结构的预紧力。装配时用特制的电动扳手，其上有两个套筒，一个套在螺母的六角上，一个套在螺栓的十二角体上，如图2.1-4所示。拧紧时对螺母施加顺时针力矩，对螺栓施加等量的逆时针力矩，使螺栓断颈部分承受扭剪，至断颈扭断为止，即安装完毕。螺栓的安装力矩即为拧紧力矩，亦即扭断力矩。因此，预紧力与螺栓断颈处直径、材料和拧紧力矩因数Kt有关，其关系式为:
F′=doðb/6.6Ktd
式中do—螺栓断颈处直径（mm); ‘
ðb—螺栓材料的抗拉强度（MPa);
d—螺栓公称直径（mm);
Kt—拧紧力矩因数，见表2.1-20。
图2.1-4 扭剪型髙强度螺栓联接装配示意图
表2.1-20 髙强度螺栓联接的拧紧力矩因数Kt
| 表面状态 | 未处理表面 | 磷化 |
| 一批螺栓的平均值 | 0.11 〜0.15 | 0.15 ~ 0.19 |
| 一批螺栓的标准偏差 | <0.010 | <0.013 |
5）设计与计算
扭剪型高强度螺栓主要应用在钢结构上，承受横向载荷，和普通螺栓联接类似，其承载能力计算公式为：Fw=µmðAs∑/Kf
式中:Kf—可靠性因子，一般取Kf=1.5-1.6;
µ—结合面间摩擦因数，见表2.1-4;
m—结合面数；
ð—计算拉应力；
As∑—螺栓联接的总应力面积。
考虑到拧紧时预紧力的控制精度为±5%〜±10%，为确保螺栓的承载能力，取计算拉应力为预紧应力的90%，即
ð=0.9F′/As
由ð′= 0.75ðs可得螺栓的总应力面积为:As∑=KfFw/0.675mµðs
于是，所需螺栓直径为
式中z—螺栓个数；
P—螺距（mm)。
螺栓的间距和边距可按表2.1-21推荐值选用，螺栓孔直径Do=d+3 mm。
表2.1-21 高强度螺栓联接的间距和边距（mm)
| 螺栓直径 | 钢结构 | 公路桥 | ||||||
| 间距 | 边距 | 间距 | 边距 | |||||
| 最小 | 标准 | 手工焰切边 剪切边 | 轧制边 | 最小 | 标准 | 手工焰切边 剪切边 | 轧制边 | |
| 16 | 40 | 60 | 28 | 22 | — | — | — | — |
| 20 | 50 | 70 | 34 | 26 | 65 | — | 32 | 28 |
| 22 | 50 | 80 | 38 | 28 | 75 | — | 37 | 32 |
| 24 | 60 | 90 | 44 | 30 | 85 | — | 42 | 37 |
注：此处边距指垂直于载荷方向的边距，顺载荷方向的边距可取为螺栓直径的2.5倍。