高强度螺栓的发展

　　铆栓的应用历史相当悠久，一直到1950年代仍被广泛使用，但铆栓施工时需先将铆栓加热至火红（约900℃），再由熟练工人将铆栓移放到铆栓安装工人准备好的锥形接筒中，然后再由技术工人进行打击锥形筒使铆头成型。

　　铆栓施工过程不仅危险且专业技工人员难觅，施工时又会产生打击噪音，又因铆栓之强度及夹紧效率较差，施工品质控制困难。近年来由于焊接技术急速进步及高强度螺栓生产使用，铆栓目前因其本身局限已甚少使用被高强度螺栓完全取代。

　　国内铆栓使用的后期最后代表物为民国六十二年塑料企业捐建的林口体育馆圆形屋顶框架结构（现为国立体育学院）。

　　常用螺栓分为普通螺栓和高强度螺栓两种，普通螺栓又称为机械螺栓（common bolts或machine bolts），依据ASTM A307的规定生产，一般使用于与耐震设计无关的轻型结构物、次要结构物，或暂时固定用途（例如工艺梁），且不得使用于承受反复载荷、振动或者疲劳载重之结构物之中，安装时螺栓拧紧至紧贴状态即可。

　　高强度螺栓则用于主要的结构物，应大部分设计者了解高强度螺栓与普通螺栓价差不大、可用普通螺栓处又不是很多，因此为避免施工者安装错误和误用，而全面采用高强度螺栓。本文针对高强度螺栓应用重点介绍。

　　高强度螺栓规格

　　国内常用的高强度螺栓分为 ASTM 及 JIS 规格。通常用的 ASTM 高强度螺栓有 A325 及 A490 两种，具体使用情况如表一所示。

　　表一  ASTM 高强度螺栓通用情况

　　A325 螺栓主要成分为 TYPE1 及 TYPE3 两种，TYPE1 为一般结构用，如需要时可以热浸镀锌，耐候钢材应配合使用TYPE3螺栓，采用 TYPE3 螺栓时设计图上应特别标明，A325 螺栓的机械性如表二所示。

　　表二  ASTM高强度螺栓机械性能

　　A490 螺栓的材料强度比 A325 高，但是 A490 螺栓不可热浸镀锌。A490 螺栓分为 3 种 TYPE 同样耐候钢材配合使用 TYPE3 型螺栓。A325 及 A490 螺栓标准直径以英尺为单位，以 1/8 英尺为单位增量，且皆介于 1 英尺至 1.5 英尺之间，以 1 英尺左右的直径较常用。

　　有些特殊的情况，所需螺栓直径超过 1.5，此时可采用 A490 螺栓。A490 螺栓使用情况如表一所示，材料强度如表二所示。ASTM 高强度螺栓的螺头及螺帽皆为六角形头，其中螺帽必须为重型六角形螺帽。

　　JIS 规格的高强度螺栓分为六角螺栓头的 F 系列以及为减轻材料用量及美观需求而发展之圆螺栓头之 S 系列（见图一），圆螺栓头在安装后拆卸较困难。

　　图一  JIS F10T圆头型扭矩控制高强度螺栓

　　材料强度不同，F系列又分为 F8t、F10t 及 F11t 三种，s系列则分成 s8t 及 s10t 二种，其中 F11t 材质因品质较不易控制，仅部分制造商有制造生产资质，其材料强度如表三所示。

　　表三  JIS 高强度螺栓材料强度

　　JIS 螺栓直径以 mm 为单位，一般常用的直径规格在 12mm 至 24mm 之间。有过去的热浸镀锌经验可知，高强度螺栓在热浸镀锌前处理酸洗过程中会吸收氢氧，因此会产生延迟破坏现象，延迟破坏就是高强度螺栓紧固一段时间后发生突然断裂现象，这是因为金属结晶内蓄含的氢氧压力过大的结果。

　　延迟破坏在 F10t 以上之高强度螺栓才会发生，F8t 以下不会发生，故摩擦结合所使用的热浸镀锌高强度螺栓只能用 F8t 以下。

　　因为中国土木水利工程学会所编著的《热浸镀锌钢桥设计施工手册》明确标明建筑使用 F8t 螺栓、F10 螺帽、F35 的华司组合及镀锌试验片的疲劳强度约比黑漆母材低 12kgf/mm2，因此对热浸镀锌的高强度螺母 F8t 应视情况考虑酌增螺栓用量。

　　高强度螺栓的标识

　　螺栓的外观如图二所示，螺栓在螺栓头会标识其种类，如图三及四所示，以方便使用及施工管理。

　　图二  螺栓外观及尺寸

　　图三  ASTM 高强度螺栓之标示

　　图四  JIS 高强度螺栓之标示

　　螺栓需配合螺帽及垫圈使用，螺栓、螺帽加上垫圈组成螺栓组，表四及表五分别为 ASTM 及 JIS 高强度螺栓组的组合。耐候钢材应该配合耐候型螺栓、螺帽及垫圈使用。

　　表四  ASTM 高强度螺栓组

　　注：螺帽除A563-B外，其余皆为重型六角形螺栓。

　　表五  JIS 高强度螺栓组    

　　另外垫圈可以避免螺栓或螺帽锁紧过程因旋转而伤及钢板，亦可分散螺栓顶部压力过于集中，此外，将垫圈在旋转端（螺栓头端或螺帽端）可以降低旋转面的摩擦力。

　　高强度螺栓长度及螺牙的确定

　　一般只需指定螺栓标准直径 d 及螺栓长度 L，螺栓所需长度为夹距（锁紧物厚度）与 L1（螺帽厚度加上垫圈厚度及螺栓突变长度）之和，如图五及图六所示。

　　螺栓安装所需的长度 1 螺牙长度在钢结构设计规范及施工规范中并未规定，若采用长度太短则无法使用，太长则因螺牙长度不够而导致螺帽紧固时将会卡在螺牙头处而无法夹紧钢板，或突出太长会影响美观及其他件安装的干涉。

　　在 2000 PCSC 对高强度螺栓安装所需长度定义为经妥善安装完成之后螺栓长度（自螺栓头部内侧面至尾端间距），一般情况下 L1 大约等于 1.5d 加垫圈厚度；或螺帽厚加垫圈厚度加 2 至 3 个螺牙距离之总长度，至于螺牙长度，市面上螺栓所提供的螺牙长度与螺栓的长度无关，相同直径，不同长度的螺栓及其螺牙长度为固定值见图六。

　　若所采购的螺栓长度太长，则会因为螺牙长度不足而导致螺帽紧固时会将钢板无法夹紧。所以为了使高强度螺栓锁紧时有足够的预紧力，具有足够的螺牙长度是必要的先决条件。

　　螺栓轴拉力-轴向变形曲线

　　螺栓紧固过程会先锁到紧贴状态，所谓的紧贴状态就是使用专用的扳手拧螺栓数圈是结合面贴合之紧固状态。紧密状态下的螺栓内已经承受了部分预拉力。

　　图八为螺栓自贴紧情况开始，螺栓之轴拉轴向变形的曲线关系，横坐标为螺帽旋转圈数，等同于轴向变形，纵坐标为螺栓拉力，曲线至紧贴状态开始呈线性关系，然后在螺牙处会先屈服，曲线进入非线性阶段，紧接着螺牙处产生颈缩而强度开始下降，最后螺牙处断裂。

　　图八  螺栓之轴拉力-轴向变形关系曲线

　　螺栓受拉力时，临界断面发生在螺牙处，螺牙的最大拉力强度为材料抗拉强度与涨紧力面As的乘积。其中，=0.75 至 0.79Abn = 每公分螺牙数 d=螺栓标准直径Ab=螺栓标准断面积（cm2）=πd/4 材料的屈服发生在螺牙的凹痕处，螺牙的屈服会发生在局限在局部区域，而螺栓的轴向拉变形的关系曲线并没明确的在那个时间点，螺栓在螺牙出屈服时的载重为 proof load，等于螺栓材料的屈服强度与张力面积的乘积，A325 螺栓的 proof load 约为自身抗拉强度的 70%，A490 螺栓的 proof load 约为自身抗拉强度的 80%。

　　所以高强度螺栓在安装时需要加一预紧力 Tb，此预紧力为螺栓抗拉强度80%表八为 A325 与 A490 螺栓最小预紧力，表九为 JIS 螺栓最小预紧力。

　　A572 螺栓的最小预拉力约等于其 proof load，A490 螺栓最小预紧力也很接近其 proof load，实际施工时预拉力会高出最小预紧力，因此螺栓在施加预紧力时基本上已经屈服。

　　原则上，在不使用螺栓破坏，且不至使螺栓产生永久塑性变形至易产生松弛前提下，螺栓的预紧力越大越好。

　　表八  A325 及 A490 螺栓最小预紧力

　　表九  JIS 螺栓最小预紧力

　　螺栓紧固方法

　　普通螺栓的紧固程度并无明确规定，锁紧时所施加的力一般只要连接紧密即可。但因锁紧时未施加拉力，因此容易出现螺帽松弛脱落现象，为防止松脱的方法可用弹簧垫圈或采用双螺帽的方法由外螺帽将内螺帽压紧以防止两螺帽同步旋转而松弛。

　　采用双螺帽时内螺帽需使用重型六角螺帽，外螺帽可采用一般螺帽（见图九），一般高强度螺栓不论承载型的或者擦阻型因预紧后存在张力，此预紧力引致接触面正应力可产生抗扭转摩擦阻力，因而可使螺帽产生不松脱现象，所以不必附加防脱装置。

　　图九

　　但若是由于特殊用途（例如振动机械或者车体重要结构位置）必须采用特殊夹头来防止螺帽松动的情况，螺栓的夹头决定螺栓及螺牙长度或形式，以便用来防止松脱，螺帽夹紧装置详细信息见图十。

　　图十    

　　结语

　　高强度螺栓目前在汽车领域使用较为广泛，主要使用在汽车强度连接及其重要的部位，像汽车的轮毂等位置，为汽车的安全稳定行驶起到无可替代的作用。