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高強度螺栓強在哪里?

上海材料工程大學(xué)高性能鋼團隊經(jīng)過一年多的反復(fù)試驗,與其他7位合作者合作,成功研制出世界上第一個被稱為世界最強緊固件的19.8級超高強度螺栓。


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


剪切測試(依據(jù)GJB 3376-1998)結(jié)果表明,16.8級和19.8級螺栓剪切力分別達到97KN和115KN;


室溫拉伸疲勞強度測試(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,單個疲勞壽命不低于45000次);


耐延遲斷裂性能試驗(根據(jù)GJB 715.12-1990,大氣環(huán)境下恒定拉應(yīng)力保持96小時)結(jié)果表明,螺栓在測試時間內(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;新研制的超高強度螺栓綜合性能滿足使役要求。

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


那么,什么是高強度螺栓?高強度螺栓究竟強在哪?今天,法士威帶你來了解一下。

1?什么是高強度螺栓?

高強度螺栓(High-Strength Friction Grip Bolt),英文直譯為:高強度摩擦預(yù)緊螺栓,英文簡稱:HSFG??梢姡覀冎形氖┕ぶ兴f的高強度螺栓是高強度摩擦預(yù)緊螺栓的簡稱。在日常溝通中,僅僅是簡略了“摩擦(Friction)”“預(yù)緊(Grip)”兩個詞,卻造成了許多工程技術(shù)人員對高強度螺栓基本定義的理解,產(chǎn)生了誤區(qū)。


誤區(qū)一:材料等級超過8.8級的螺栓,就是“高強度螺栓”?


高強度螺栓和普通螺栓的核心區(qū)別并不在于使用材料的強度,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。


實際上在英標規(guī)范,美標規(guī)范中提到的高強度螺栓(HSFG BOLT)只有8.8級和10.9級兩種(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,材料強度高低并不是區(qū)別高強度螺栓與普通螺栓的關(guān)鍵。

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2?高強度螺栓強在哪?

按照GB50017,計算單個普通螺栓(B類)8.8級和高強度螺栓8.8級抗拉及抗剪強度。

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通過計算我們可以看到,相同等級的情況下,普通螺栓的抗拉強度和抗剪強度的設(shè)計值都要高于高強度螺栓。


那么高強度螺栓,“強”在哪里?


為回答這一個問題,必須從兩種螺栓的設(shè)計工作狀態(tài)入手,研究其彈塑性變形的規(guī)律,并理解到設(shè)計破壞時的極限狀態(tài)。


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設(shè)計破壞時的極限狀態(tài)


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


普通螺栓連接,開始承受剪力前連接板間就會發(fā)生相對滑移,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)生相對位移,設(shè)計考量上即為破壞。


高強度螺栓連接,摩擦力首先承受剪力,當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)生相對滑移(極限狀態(tài))。但此時雖然破壞,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度螺栓?


由單個螺栓的計算可知,高強度螺栓抗拉和抗剪的設(shè)計強度均低于普通螺栓。其高強實質(zhì)是:正常工作時,節(jié)點不允許發(fā)生任何相對滑移,即:彈塑性變形小,節(jié)點剛度大。


可見,在給定設(shè)計節(jié)點荷載的情況下,用高強度螺栓設(shè)計的節(jié)點并不一定能節(jié)省螺栓使用數(shù)量,但是其變形小,剛度大,安全儲備高。適合用主梁,等要求節(jié)點剛度較大的位置,符合“強節(jié)點,弱桿件”的基本抗震設(shè)計原理。


高強度螺栓之強,并非在于其本身的承載能力設(shè)計值,而是表現(xiàn)于其設(shè)計節(jié)點的剛度大,安全性能高,抗破壞的能力強。


3?高強度螺栓和普通螺栓的對比

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

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同等級普通螺栓各項機械性能要求均比高強度螺栓略高,但高強度螺栓較普通螺栓多一項沖擊功的驗收要求。

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

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


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