緊固件作為常用零件，大家應該都不陌生，今天我們從緊固件的分類，螺紋的識別和檢驗，螺栓、螺釘和螺柱的材料要求、熱處理要求和機械性能要求，鋼結構螺栓的種類與構造四個方面來介紹，干貨滿滿，值得收藏。
一、緊固件的分類
1、什么是緊固件?
緊固件是將兩個或兩個以上的零件(或構件)緊固連接成為一個整體時所采用的一類機械零件的總稱。市場上也稱為標準件。
2、它通常包括以下12類零件：
螺栓、螺柱、螺釘、螺母、自攻螺釘、木螺釘、墊 圈、擋圈、銷、鉚釘、組合件和連接副、焊釘。
(1)螺栓：由頭部和螺桿(帶有外螺紋的圓柱體)兩部分組成的一類緊固件，需與螺母配合，用于緊固連接兩個帶有通孔的零件。這種連接形式稱螺栓連接。如把螺母從螺栓上旋下，又可以使這兩個零件分開，故螺栓連接是屬于可拆卸連接。
如下圖：
(2)螺柱：沒有頭部的，僅有兩端均外帶螺紋的一類緊固件。連接時，它的一端必須旋入帶有內螺紋孔的零件中，另一端穿過帶有通孔的零件中，然后旋上螺母， 即使這兩個零件緊固連接成一整體。這種連接形式稱為螺柱連接，也是屬于可拆卸連接。主要用于被連接零件之一厚度較大、要求結構緊湊，或因拆卸頻繁，不宜采用螺栓連接的場合。
如下圖：
(3)螺釘：也是由頭部和螺桿兩部分構成的一類緊固件，按用途可以分為三類：鋼結構螺釘、緊定螺釘和特殊用途螺釘。機器螺釘主要用于一個緊定螺紋孔的零件，與一個帶有通孔的零件之間的緊固連接，不需要螺母配合(這種連接形式稱為螺釘連接，也屬于可拆卸連接;也可以與螺母配合，用于兩個帶有通孔的零件之間的緊固連接。)緊定螺釘主要用于固定兩個零件之間的相對位置。特殊用途螺釘例如有吊環螺釘等供吊裝零件用。
如下圖：
(4)螺母：帶有內螺紋孔，形狀一般呈顯為扁六角柱形，也有呈扁方柱形或扁圓柱形，配合螺栓、螺柱或鋼結構螺釘，用于緊固連接兩個零件，使之成為一件整體。
如下圖：
(5)自攻螺釘：與螺釘相似，但螺桿上的螺紋為專用的自攻螺釘用螺紋。用于緊固連接兩個薄的金屬構件，使之成為一件整體 ，構件上需要事先制出小孔，由于這種螺釘具有較高的硬度，可以直接旋入構件的孔中，使構件中形成相應的內螺紋。這種連接形式也是屬于可拆卸連接。
如下圖：
(6)木螺釘：也是與螺釘相似，但螺桿上的螺紋為專用的木螺釘用螺紋，可以直接旋入木質構件(或零件)中，用于把一個帶通孔的金屬(或非金屬)零件與一個木質構件緊固連接在一起。這種連接也是屬于可以拆卸連接。
如下圖：
(7)墊圈：形狀呈扁圓環形的一類緊固件。置于螺栓、螺釘或螺母的支撐面與連接零件表面之間，起著增大被連接零件接觸表面面積，降低單位面積壓力和保護被連接零件表面不被損壞的作用;另一類彈性墊圈，還能起著阻止螺母回松的作用。
如下圖：
(8)擋圈：供裝在鋼結構、設備的軸槽或孔槽中，起著阻止軸上或孔上的零件左右移動的作用。
如下圖：
(9)銷：主要供零件定位用，有的也可供零件連接、固定零件、傳遞動力或鎖定其他緊固件之用。
如下圖：
(10)鉚釘：由頭部和釘桿兩部分構成的一類緊固件，用于緊固連接兩個帶通孔的零件(或構件)，使之成為一件整體。這種連接形式稱為鉚釘連接，簡稱鉚接。屬于不可拆卸連接。因為要使連接在一起的兩個零件分開，必須破壞零件上的鉚釘。
如下圖：
(11)組合件和連接副：組合件是指組合供應的一類緊固件，如將某種機器螺釘(或螺栓、自供螺釘)與平墊圈(或彈簧墊圈、鎖緊墊圈)組合供應;連接副指將某種專用螺栓、螺母和墊圈組合供應的一類緊固件，如鋼結構用高強度大六角頭螺栓連接副。
如下圖：
(12)焊釘：由于光桿和釘頭(或無釘頭)構成的異類緊固件，用焊接方法把他固定連接在一個零件(或構件)上面，以便再與其他零件進行連接。
如下圖：
二、螺紋的識別與檢驗
1、 螺紋的用途及特點 :
螺紋的用途非常廣泛，從飛機、汽車到我們日常生活中所使用的水管，煤氣等都大量地使用場合中，多數螺紋起著緊固連接的作用，其次是用來作力和運動的傳遞，還有一些專門用途的螺紋，其種類雖多，但其數量都是有限的。
螺紋的使用所以能經久不衰都是由于它具有結構簡單、性能可靠、拆卸方便、便于制造等特點，使之成為當今各種機電產品中不可缺少的結構要素。
根據螺紋的用途，各種螺紋件都應具有如下兩方面最基本的功能：一是良好的旋合性;二是足夠的強度。
2、螺紋的分類
a、根據其結構特點和用途可分為四大類：
普通螺紋(緊固螺紋)：牙形為三角形，用于連接或緊固零件。普通螺紋按螺距分為粗牙和細牙螺紋兩種，細牙螺紋的連接強度較高。
傳動螺紋：牙形有梯形、矩形、鋸形及三角形等。
密封螺紋：用于密封連接，主要是管用螺紋、錐螺紋與錐管螺紋。
專門用途螺紋，簡稱專用螺紋。
b、螺紋按照地區(國家)可以分為：公制螺紋(米制螺紋)英制螺紋、美制螺紋等，我們習慣上將英制螺紋和美制螺紋統稱為英制螺紋，它的牙型角有60°、55°等，直徑和螺距等相關螺紋參數采用英制尺寸(inch)。而我們國家將牙型角統一為60°，使用毫米(mm)為單位的直徑和螺距系列同時將此類螺紋定名為：普通螺紋。
3、普通螺紋牙型
4、螺紋的基本術語
螺紋：在圓柱或圓錐表面上，沿著螺旋線所形成的具有規定牙型的連續突起。
外螺紋：在圓柱或圓錐外表面上所形成的螺紋。
內螺紋：在圓柱或圓錐內表面上所形成的內螺紋。
大徑：與外螺紋牙頂或內螺紋的牙底相切的假想圓柱或圓錐的直徑。
小徑：與外螺紋牙底或內螺紋的牙頂相切的假想圓柱或圓錐的直徑。
中經：一個假想圓柱或圓錐的直徑，該圓柱或圓錐的母線通過牙型上的溝槽和凸起寬度相等的地方。該假想圓柱或圓錐稱為中徑圓柱或中徑圓錐。
右旋螺紋：順時針旋轉時旋入的螺紋。
左旋螺紋：逆時針旋轉時旋入的螺紋。
牙型角：在螺紋牙型上，兩相鄰牙側間的夾角。
螺距：相鄰兩牙在中徑線上對應兩點間的的軸向距離。
5、螺紋的標記
公制螺紋標記：
一般情況下，一個完整的公制螺紋標記應該包括如下三個方面的內容：
a 表示螺紋特征的螺紋種類代號;
b 螺紋的尺寸：一般應由直徑和螺距組成，對于多線螺紋，還應包含導程和線數;
c 螺紋的精度：多數螺紋的精度是由各直徑的公差帶(包含公差帶位置和大小)和旋合長度共同決定的。
英制螺紋標記：
6、螺紋測量
對于一般標準螺紋，都采用螺紋環規或塞規來測量。
因螺紋參數眾多，不可能逐個測量螺紋的每一個參數，通常我們采用螺紋量規(螺紋環規、螺紋塞規)對螺紋進行綜合判定。這種檢驗方式屬于模擬裝配式的驗收方法，不但方便、可靠，而且與普通螺紋的精度要求相當，因此已經成為目前實際生產中使用最普遍的驗收方式。
7、螺紋測量(中徑)
在螺紋連接中，只有中徑尺寸決定著螺紋配合的性質，所以如何正確地判斷中徑是否合格是非常關鍵。基于中徑尺寸應該確保螺紋最基本的使用性能得以實現這個目的，標準中規定了中徑合格性的判斷原則，即：“實際螺紋的作用中徑不能超出最大實體牙型的中徑。而實際螺紋任何部位的單一中徑不能超出最小實體牙型的中徑。”
單一中徑的測量目前較方便的方法有兩種，一種是用螺紋中徑千分尺測量中徑，一種是采用三針法測量(我司采用的是三針法測量)。
8、螺紋配合等級：
螺紋配合是旋合螺紋之間松或緊的大小，配合的等級是作用在內外螺紋上偏差和公差的規定組合。
(1)對統一英制螺紋，外螺紋有三種螺紋等級：1A、2A和3A級，內螺紋有三種等級：1B、2B和3B級，全部都是間隙配合。等級數字越高，配合越緊。在英制螺紋中，偏差僅規定1A和2A級，3A級的偏差為零，而且1A和2A級的等級偏差是相等的。
等級數目越大公差越小，如圖所示：
1)1A和1B級，非常松的公差等級，其適用于內外螺紋的允差配合。
2)2A和2B級，是英制系列機械緊固件規定最通用的螺紋公差等級。
3)3A和3B級，旋合形成最緊的配合，適用于公差緊的緊固件，用于安全性的關鍵設計。
4)對外螺紋來說，1A和2A級有一個配合偏差，3A級沒有。1A級公差比2A級公差大50%，比3A級大75%，對內螺紋來說，2B級公差比2A公差大30%。1B級比2B級大50%，比3B級大75%。
(2)公制螺紋，外螺紋有常用螺紋等級：4h、6e、6g 和6h ，內螺紋有常用螺紋等級：6G、6 H、7H。(日標螺紋精度等級分為I、II、III三級，通常狀況下為II級)在公制螺紋中，H和h的基本偏差為零。G的基本偏差為正值，e、f和g的基本偏差為負值。如圖所示：
1)H是內螺紋常用的公差帶位置，一般不用作表面鍍層，或用極薄的磷化層。G位置基本偏差用于特殊場合，如較厚的鍍層，一般很少用。
2)g常用來鍍6-9um的薄鍍層，如產品圖紙要求是6h的螺栓，其鍍前螺紋采用6g的公差帶。
3)螺紋配合最好組合成 H/g、H/h或G/h，對于螺栓、螺母等精制緊固件螺紋，標準推薦采用6H/6g的配合。
普通螺紋的中等精度等級
螺母：6H 螺栓：6g
具有厚覆蓋層的螺紋的中等精度等級
螺母：6G 螺栓：6e
高精度等級
螺母：4H 螺栓：4h , 6h
9、常見的專用螺紋
自攻螺紋：是一種寬牙螺紋，有較大的導程。
GB/T5280 JIS B1007
三、螺栓、螺釘和螺柱的材料要求、熱處理要求和機械性能要求
螺栓、螺釘和螺柱的材料要求
螺栓、螺釘和螺柱的機械和物理性能
四、鋼結構螺栓的種類與構造
1、鋼結構螺栓連接概述
鋼結構螺栓連接(bolt connecting for steel structure)，將兩個以上的鋼結構零部件或構件用螺栓連接成為一體的連接方法。螺栓連接是構件預裝和結構安裝中最簡便的連接方式。
梁柱節點全螺栓連接
螺栓連接在金屬結構安裝中最早使用。19世紀30年代后期，螺栓連接逐漸被鉚釘連接代替，僅在構件組裝中作為臨時固定措施。20世紀50年代出現了高強度螺栓連接方法。高強度螺栓用中碳鋼或中碳合金鋼制成，其強度比普通螺栓高2～3倍。高強度螺栓連接具有施工方便、安全可靠等優點，60年代以后在一些冶金工廠的鋼結構制造安裝中開始應用。
梁拼接的全螺栓連接
2、螺栓的規格
鋼結構中常用的螺栓規格有M12、M16、M20、M24、M30，M為螺栓符號，數字為公稱直徑。
螺栓按照性能等級分3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9共十個等級，其中8.8級以上螺栓材質為低碳合金鋼或中碳鋼并經過熱處理(淬火、回火)，通稱為高強度螺栓，8.8級以下(不含8.8級，精制普通螺栓也包含8.8級)通稱為普通螺栓。下表為螺栓的性能等級及力學性能。
螺栓性能等級標號由兩部分數字組成，分別表示螺栓的公稱抗拉強度和材質的屈強比。如性能等級分4.6級的螺栓其含義為：第一部分數字(4.6中的“4”)為螺栓材質公稱抗拉強度(N/mm2)的1/100，即表示fu≥400N/mm2;第二部分數字(4.6中的“6”)為螺栓材質的屈強比的10倍，即表示fy/fu=0.6;兩部分數字的乘積(4×6=“24”)為螺栓材質公稱屈服點(或屈服強度)的(N/mm2)的1/10，即表示fy≥240N/mm2。
鋼結構普通螺栓按制作精度可分為A、B、C級三個等級。A、B級為精制螺栓，一般用于機械產品，C級為粗制螺栓。除特殊說明外，鋼結構普通螺栓一般為普通粗制C級螺栓，性能等級4.6級或4.8級。
螺栓連接的強度設計值采用GB50017-2003《鋼結構設計規范》表3.4.1-4 取值。
3、螺栓的分類
螺栓有很多叫法，螺釘、螺栓釘、標準件、緊固件等。
廣義上螺栓包括普通螺栓、高強螺栓、地腳錨栓、膨脹螺栓、化學錨栓、螺釘、栓釘等;狹義上的螺栓分為普通螺栓連接和高強度螺栓兩種。
(1)普通螺栓連接
普通螺栓按制作精度分粗制螺栓、精制螺栓。
普通螺栓按照形式可分為六角頭螺栓、雙頭螺栓、沉頭螺栓等;
上圖是沉頭螺栓
粗制螺栓
C級螺栓一般為粗制螺栓，用碳素結構鋼制成，為使螺栓順利地穿入螺孔，其孔徑應比螺栓公稱直徑d大1.0～2.0mm，為II類孔。螺栓孔距排列要便于扳手擰緊螺帽。當粗制螺栓用于柱、梁、屋架的構件連接時，應采用加托板的連接構造。此時螺栓處于受拉狀態，其剪力由托板承受(如下圖)。
粗制螺栓所用材料強度等級低，限制了其在結構連接中的使用范圍，但在剪力較小的工作平臺次梁、墻皮梁、屋面梁及支撐、鉸接支座等的連接中仍得到廣泛應用。
上圖為普通螺栓
粗制螺栓還普遍用于廠房鋼結構的預拼裝、鉚接構件鉚接前的預緊固以及高強度螺栓連接前的組裝和安裝節點焊接前的臨時緊固等。粗制螺栓作為永久固定螺栓使用時，需在找正后將其擰緊并采取防松措施。
上圖為柱腳螺栓的雙螺母防松措施
精制螺栓
A級、B級螺栓為精制螺栓，孔一般為Ⅰ類孔，其孔徑應比螺栓公稱直徑d大0.3～0.5mm。精制螺栓連接用于一些經常拆裝和無法鉚接的結構連接。精制螺栓一般用于機械產品，建筑鋼結構中極少使用。
(2)高強度螺栓連接
用高強度鋼制造的，或者需要施以較大預緊力的螺栓，皆可稱為高強度螺栓。高強度螺栓施加預拉力和靠摩擦力傳遞外力。普通螺栓連接靠栓桿抗剪和孔壁承壓來傳遞剪力，擰緊螺帽時產生預拉力很小，其影響可以忽略不計，而高強螺栓除了其材料強度很高之外，還給螺栓施加很大預拉力，使連接構件間產生擠壓力，從而使垂直于螺桿方向有很大摩擦力，而且預拉力、抗滑移系數和鋼材種類都直接影響高強螺栓的承載力。
高強螺栓的工作原理
高強螺栓按其受力狀況主要分為：摩擦型和承壓型兩種。
高強螺栓按施工工藝分為：扭剪型高強螺栓和大六角高強螺栓兩種。
扭剪型高強螺栓和大六角高強螺栓
摩擦型高強螺栓連接，靠螺栓緊固壓力使連接板層貼緊后在鋼板接觸表面產生的摩擦力來傳遞外力。對構件表面進行噴砂處理后生成赤銹面，可獲得較大的摩擦系數，減少連接螺栓的數量。摩擦型高強度螺栓的孔徑應比螺栓公稱直徑d大1.5～2.0mm。
承壓型高強度螺栓連接，是使構件間產生的摩擦力和螺栓中心軸剪切力與構件的承壓力同時作用來傳遞應力的，其孔徑應比螺栓公稱直徑d大1.0～1.5mm。制孔采用數控鉆床鉆孔和鉆模鉆孔等方法。
總之，摩擦型高強螺栓和承壓型高強螺栓實際上是同一種螺栓，不同之處在于設計是否考慮滑移。設計上，摩擦型高強螺栓摩擦面不能滑動，螺桿不承受剪力，一旦摩擦面滑移，就認為達到設計破壞狀態，在技術上比較成熟、可靠;承壓型高強螺栓摩擦面可以滑動，螺桿也承受剪力，最終破壞與普通螺栓破壞相同(螺栓剪壞或鋼板壓壞)。
大六角高強螺栓，由一個高強度螺栓、一個螺母和兩個墊圈可組成高強度螺栓連接副。
施工時，先用粗制螺栓將結構臨時固定，待結構安裝找正后，再從螺栓群中部開始逐個將粗制螺栓換上高強度螺栓并進行初擰，初擰后再順次進行復擰和終擰。
上圖是不同長度的大六角頭高強度螺栓連接副
進行大六角頭高強度螺栓連接副安裝時，螺栓兩邊應各加一個墊圈。初擰扭矩值為終擰扭矩值的50%，復擰扭矩值等于終擰扭矩值，終擰扭矩值計算公式為：Tc=K*Pc*d。式中Tc為終擰扭矩值，單位N·m;K為扭矩系數;Pc為施工預拉力，單位kN;d為高強度螺栓螺紋直徑，單位mm。施擰采用扭矩扳手，每次使用前應進行扭矩校正。
扭剪型高強螺栓，一個高強度螺栓、一個螺母和一個墊圈組成扭剪型高強螺栓連接副。
扭剪型高強螺栓
扭剪型電動扳手
扭剪型高強螺栓安裝原理
進行扭剪型高強度螺栓連接副安裝時，應僅在螺母一側加一個墊圈。初擰扭矩值計算公式為：Tc=0.065*Pc*d。式中Tc為初擰扭矩值，單位N·m;Pc為施工預拉力，單位kN;d為高強度螺栓螺紋直徑，單位mm。終擰采用專用扳手將尾部梅花頭擰斷為止。質量檢查的重點應放在施工過程的監督檢查。
(3)地腳錨栓
地腳錨栓別名地腳螺栓、地腳螺絲、地腳絲等，用于鋼結構柱腳與混凝土基礎連接的構件。一般采用Q235、Q345圓鋼制作。
不同種類的地腳錨栓(直徑大于24mm應采用錨板形式)
安裝時由鋼框固定地腳錨栓組，與綁扎鋼筋籠一起安裝，然后澆筑混凝土，螺栓頭應露出混凝土面一定長度。待混凝土達到一定強度后，安裝鋼柱腳，最后柱底二次灌漿。
鋼框固定地腳錨栓組
地腳錨栓示意圖
二次灌漿前鋼結構柱腳的圖片(為保護錨栓頂不螺紋用橡皮套包裝)
(4)化學錨栓
化學錨栓是一種新型的緊固材料，由化學藥劑與金屬桿體組成的。用于在已建成的混凝土結構上安裝其他結構的連接件。可用于各種鋼結構、幕墻、大理石干掛施工中的后加埋件安裝，也可用于設備安裝，公路、橋梁護欄安裝，建筑物加固改造等場合。
化學錨栓的螺桿和藥劑
化學錨栓是繼膨脹錨栓之后出現的一種新型錨栓，是通過特制的化學粘接劑， 螺桿膠結固定于砼基材鉆孔中，以實現對固定件錨固的復合件。因為化學錨栓的抗拔承載力較大，可替代埋件錨筋，常用在施工現場忘記安裝鋼結構預埋件但混凝土已澆筑完成，用后加的化學錨栓埋件來補救。
化學錨栓的施工步驟如下：
1)根據工程設計要求，在基材(如混凝土)中相應位置鉆孔，孔徑、孔深及螺栓直徑應由專業技術人員或現場試驗確定。
2)用沖擊鉆或水鉆鉆孔。
3)用專用氣筒、毛刷或壓縮空氣機清理鉆孔中的灰塵，建議重復進行不少于3次，孔內不應有灰塵與明水。
4)保證螺栓表面潔凈、干燥、無油圬。
5)確認玻璃管錨固包無外觀破損、藥劑凝固等異常現象，將其圓頭朝外放入錨固孔并推至孔底。
6)使用電鉆及專用安裝夾具，將螺桿強力旋轉插入直至孔底，不應采用沖擊方式。
7)當旋至孔底或螺栓上標志位置時，立刻停止旋轉，取下安裝夾具，凝膠后至完全固化前避免擾動。超時旋轉導致膠液流失，影響錨固力。(旋轉時間不應超過30秒，轉速不應低于300轉/分，不大于750轉/分，螺栓推進速度約為2cm/秒，不允許采用沖擊方式)
(5)膨脹螺栓
膨脹螺栓的作用與化學錨栓作用相同，用于受力較小的錨固件。
不同規格的膨脹螺栓
混凝土結構有裂縫的部位和容易產生裂縫的部位，不得采用膨脹螺栓。同時，主要承重結構、重要管道以及高速運轉、承受沖擊荷載和振動較大的設計采用的膨脹螺栓，應按計算的設計抗拉力和設計抗剪力選用大一級的規格型號。
4、螺栓的排列和構造要求
螺栓排列分為并列和錯列兩種：
并列——簡單、整齊、緊湊所用連接板尺寸小，但構件截面削弱大;
錯列——排列不緊湊，所用連接板尺寸大，但構件截面削弱小。
受力要求
垂直受力方向：為了防止螺栓應力集中相互影響、截面削弱過多而降低承載力，螺栓的邊距和端距不能太小;
順力作用方向：為了防止板件被拉斷或剪壞，端距不能太小;
對于受壓構件：為防止連接板件發生鼓曲，中距不能太大。
構造要求
螺栓的邊距和中距不宜太大，以免板件間貼合不密，潮氣侵入腐蝕鋼材。
施工要求
為了便于扳手擰緊螺母，螺栓中距應不小于3do;
根據以上要求，GB50017-2017《鋼結構設計規范》給定了螺栓的容許間距和相關設計值。
|
