上海材料工程大学高性能钢团队经过一年多的反复试验,与其他7位合作者合作,成功研制出世界上第一个被称为世界最强紧固件的19.8级超高强度螺栓。
通过材料和热处理工艺优化,16.8级和19.8级螺栓室温抗拉强度分别满足1600~1770MPa和1900~2070MPa。
剪切测试(依据GJB 3376-1998)结果表明,16.8级和19.8级螺栓剪切力分别达到97KN和115KN;
室温拉伸疲劳强度测试(依据GJB 3376-1998及GJB715.30A-2002,载荷比=0.1)结果表明,研制的紧固件满足疲劳寿命要求(平均疲劳寿命不低于65000次,单个疲劳寿命不低于45000次);
耐延迟断裂性能试验(根据GJB 715.12-1990,大气环境下恒定拉应力保持96小时)结果表明,螺栓在测试时间内未发生断裂破坏,卸载后螺栓表面及螺纹处未发现裂纹;新研制的超高强度螺栓综合性能满足使役要求。
超高强度紧固件可以在相同夹紧力下,通过减少自身尺寸来降低重量和增加安装空间,因此可以对被连接部件进行功能和体积优化,从而使装备达到整体减重和性能优化的目的。
那么,什么是高强度螺栓?高强度螺栓究竟强在哪?今天,法士威带你来了解一下。
1►什么是高强度螺栓?
高强度螺栓(High-Strength Friction Grip Bolt),英文直译为:高强度摩擦预紧螺栓,英文简称:HSFG。可见,我们中文施工中所说的高强度螺栓是高强度摩擦预紧螺栓的简称。在日常沟通中,仅仅是简略了“摩擦(Friction)”“预紧(Grip)”两个词,却造成了许多工程技术人员对高强度螺栓基本定义的理解,产生了误区。
误区一:材料等级超过8.8级的螺栓,就是“高强度螺栓”?
高强度螺栓和普通螺栓的核心区别并不在于使用材料的强度,而是受力的形式。本质是是否施加预紧力,并利用静摩擦力抗剪。
实际上在英标规范,美标规范中提到的高强度螺栓(HSFG BOLT)只有8.8级和10.9级两种(BS EN 14399 / ASTM-A325&ASTM-490),而普通螺栓却有包含有4.6,5.6,8.8,10.9,12.9等(BS 3692 11款表2);由此可见,材料强度高低并不是区别高强度螺栓与普通螺栓的关键。
2►高强度螺栓强在哪?
按照GB50017,计算单个普通螺栓(B类)8.8级和高强度螺栓8.8级抗拉及抗剪强度。
通过计算我们可以看到,相同等级的情况下,普通螺栓的抗拉强度和抗剪强度的设计值都要高于高强度螺栓。
那么高强度螺栓,“强”在哪里?
为回答这一个问题,必须从两种螺栓的设计工作状态入手,研究其弹塑性变形的规律,并理解到设计破坏时的极限状态。
设计破坏时的极限状态
普通螺栓:螺杆本身发生超过设计允许的塑性变形,螺杆被剪坏。
普通螺栓连接,开始承受剪力前连接板间就会发生相对滑移,继而螺栓杆和连接板接触,发生弹塑性形变,承受剪力。
高强度螺栓:有效摩擦面间的静摩擦力被攻克,两块钢板发生相对位移,设计考量上即为破坏。
高强度螺栓连接,摩擦力首先承受剪力,当荷载增大到摩擦力不足以抵抗剪力,静摩擦力被攻克,连接板发生相对滑移(极限状态)。但此时虽然破坏,但螺栓杆与连接板发生接触,依然可以利用其本身的弹塑性形变,承受剪力。
误区二:承载能力高就是高强度螺栓?
由单个螺栓的计算可知,高强度螺栓抗拉和抗剪的设计强度均低于普通螺栓。其高强实质是:正常工作时,节点不允许发生任何相对滑移,即:弹塑性变形小,节点刚度大。
可见,在给定设计节点荷载的情况下,用高强度螺栓设计的节点并不一定能节省螺栓使用数量,但是其变形小,刚度大,安全储备高。适合用主梁,等要求节点刚度较大的位置,符合“强节点,弱杆件”的基本抗震设计原理。
高强度螺栓之强,并非在于其本身的承载能力设计值,而是表现于其设计节点的刚度大,安全性能高,抗破坏的能力强。
3►高强度螺栓和普通螺栓的对比
普通螺栓和高强度螺栓由于其设计的受力原理不同,其在施工检验方法上有极大的区别。
同等级普通螺栓各项机械性能要求均比高强度螺栓略高,但高强度螺栓较普通螺栓多一项冲击功的验收要求。
高强度螺栓:(M24,L60,8.8级)
普通螺栓:(M24,L60,8.8级)
可见普通螺栓大约为高强度螺栓价格的70%,结合其验收要求的对比,可以得出,其溢价部分就应该是为了保证材料的冲击功(韧性)性能。