Table of Contents

Безопасность и срок службы конструкционной стальной конструкции критически зависят от производительности ее соединений. В то время как балки и колонны несут первичные нагрузки, именно болтовые соединения передают напряжения между членами и обеспечивают общую стабильность рамы. Неправильно подобранная комбинация гайки и болта может вводить концентрации напряжений, снижать пластичность или ускорять коррозию, что в конечном итоге ставит под угрозу структурную целостность. Выбор правильной сборки требует явной проверки прочности, устойчивости к окружающей среде, зацепления резьбы и методологии установки.

Управляющие стандарты и механические свойства

Механические свойства конструкционных крепежных элементов определяются стандартами на материалы, обеспечивающими согласованность и предсказуемую производительность при нагрузке. Руководящие стандарты в Северной Америке разработаны ASTM International и одобрены AISC, в то время как метрические регионы полагаются на ISO 898-1 и EN 14399. Понимание этих стандартов является отправной точкой для любой спецификации крепежа.

Североамериканские стандарты: ASTM F3125

Высокопрочные конструктивные болты регулируются ASTM F3125, который заменил устаревшие спецификации A325 и A490. F3125 Grade A325 покрывает болты из среднеуглеродистой стали с минимальной прочностью на растяжение 120 кси для диаметров до 1 дюйма и 105 кси для более крупных диаметров. Класс A490 покрывает болты из легированной стали с минимальной прочностью на растяжение 150 кси. Оба сорта требуют геометрии тяжелой шестигранной головки для распределения подшипникового напряжения при высоком натяжении. Соответствующая спецификация гайки ASTM A563, с классом DH (тяжелая шестигранная) требуется для болтов A325 и A490. Стиральные машины попадают под ASTM F436, который определяет закаленные шайбы размером для предотвращения дробления и управления рассеиванием крутящего момента. Научно-исследовательский совет по конструктивным соединениям (RCSC) обеспечивает регулирующую спецификацию для установки этих крепежных элементов.

Стандарты по метрике: ISO 898-1 и EN 14399

В метрических системах болты классифицируются по классам свойств, определенным в ISO 898-1. болты класса 8.8 имеют минимальную прочность на растяжение 800 МПа, а болты класса 10.9 достигают 1000 МПа. Болты класса 12.9 обеспечивают наибольшую прочность, но часто ограничены в конструктивных применениях из-за снижения пластичности и хрупкости водорода. Орехи на ISO 898-2 помечены своим классом свойств и должны быть равны или превышать класс болтов. Орехи класса 10 необходимы для сборки крепежных элементов класса 10.9. EN 14399 обеспечивает дополнительные требования к высокопрочным структурным болтовым узлам, гарантируя, что гайка и болт предназначены для совместной работы в качестве системы.

Идентификация и прослеживаемость

Маркировка головки Bolt обеспечивает визуальное средство идентификации класса в поле. Затвор ASTM F3125 класса A325 помечается A325 , а затвор класса A490 помечается A490 , наряду с символом производителя. Метрические болты отображают повышенные числа, такие как 8.8 или 10.9 . Эти маркировки являются первичной проверкой для инспекторов по обеспечению качества и должны быть проверены на основе отчетов о тестировании материалов. Поддельные крепежные элементы остаются риском цепочки поставок в непроверенных каналах; источник от аккредитованных дистрибьюторов с полной документацией прослеживаемости является единственным надежным методом для обеспечения соответствия.

Типология подключения и механизмы переноса нагрузки

Выбор комбинации гайки и болта диктуется тем, как соединение передает силы. Структурные соединения классифицируются как несущие, критические или контролируемые напряжением, каждый с различными требованиями к креплению и протоколами установки.

Подшипниковые соединения

В подшипниковых соединениях нагрузки переносятся через подшипник болта со стороны отверстия. Прочность сдвига болта и прочность подшипника пластины регулируют конструкцию. Нити могут быть включены или исключены из плоскости сдвига. Когда нити исключаются, то есть непоточная шпангоута охватывает плоскость сдвига, площадь сдвига болта больше, увеличивая емкость. Соединения типа подшипника предназначены для обеспечения ограниченного проскальзывания между сплитами под рабочими нагрузками. Болты могут быть установлены плотно-зажатыми, определяемыми как состояние, при котором все сплетения находятся в прочном контакте, если только стык не требует притяжения для усталости или сопротивления утечке. Орехи, используемые в подшипниковых соединениях, все еще должны соответствовать сорту болта, чтобы предотвратить стриптиз под перегрузкой.

Критические связи Slip-Critical

Скользящие критические соединения полагаются на силу зажима болтового узла для передачи нагрузки через трение между подложными поверхностями. Сопротивление скольжения является функцией притяжения болта и коэффициента поверхностного скольжения, который классифицируется как класс A, B или C в спецификации AISC. Эти соединения требуют полного притяжения болтов, независимо от нагрузки, и являются обязательными для негабаритных отверстий, щелевых отверстий и соединений, подверженных вибрации или развороту нагрузки. Сборка гайки и болта в критически важном стыке должна быть способна выдерживать указанное притяжение без релаксации с течением времени. Стиральные машины требуются под поворотным элементом, обычно гайкой, для распределения силы подшипника и предотвращения галинга. Прямые индикаторы напряжения (DTI) на ASTM F959 часто используются для проверки того, что требуемое притяжение было достигнуто.

Напряженные связи

Болты, загруженные в осевое напряжение, обнаруживаются в концевых точках сцепления, фланцевых сплайсах и зонах прокалывания. Пропускная способность болта определяется его зоной растягивающего напряжения, и в конструкцию должны быть включены силы прокалывания, вводимые деформацией соединенных фланцев. Полное натяжение уменьшает диапазон напряжений, испытываемых болтом при циклических нагрузках, улучшая усталостную производительность. Орехи должны иметь достаточную доказательную нагрузку, чтобы противостоять прорезыванию при полной прочности на разрыв болта. Тяжелый шестигранный гай (A563 Grade DH) обеспечивает необходимое зацепление резьбы и область подшипника для развития емкости протяжения болта без прорезывания резьбы.

Выбор материалов для условий обслуживания

Обслуживающая среда является решающим фактором в выборе материала крепежа. Воздействие коррозии, экстремальные температуры и химический контакт влияют на долгосрочные характеристики и должны оцениваться в процессе спецификации.

Углерод и легированная сталь

Блокировки ASTM A325 и A490 изготовлены из среднеуглеродистой и легированной стали, соответственно, и подвергаются термообработке (закалке и закалке) для достижения своих механических свойств. Обычные или слегка масляные болты подходят для внутренней, сухой среды. Для наружного воздействия обязательны защитные покрытия. Горячее цинковое оцинковывание на ASTM F2329 обеспечивает прочное цинковое покрытие, которое обеспечивает барьерную и катодную защиту. Однако болты A490 обычно не оцинковываются горячим оцинкованием из-за повышенного риска хрупкости водорода, введенного процессами очистки и маринования. Альтернативные покрытия, такие как механическое оцинкование, цинковый хлопок (Дакромет) или стальные болты типа 3, должны быть указаны для высокопрочных сборок в агрессивных средах.

Стальные застежки Weathering Steel Fasteners

Сорта выветривания стали (A325 Type 3 и A490 Type 3) образуют стабильную оксидную патину, которая снижает скорость коррозии в подходящих атмосферных условиях. Эти болты содержат медь, хром и никель, чтобы соответствовать характеристикам коррозии выветривающихся стальных элементов. При использовании болтов типа 3 орехи также должны соответствовать требованиям химии и маркировки типа 3. Смешивание выветривающихся стальных креплений с обычными углеродистими креплениями может производить гальванические элементы и локализованную коррозию, отрицая преимущества конструкции выветривания стали.

Нержавеющие стальные застежки

Аустенитные болты из нержавеющей стали (ASTM A193 класса B8, класса 1 или 2) предназначены для высококоррозионных сред, таких как морские конструкции, установки для сточных вод и химические объекты. Класс B8 (тип 304) и B8M (тип 316) обеспечивают хорошую общую коррозионную стойкость. Однако их прочность выхода составляет примерно 50% от сопоставимого болта из углеродистой стали. Застежки из нержавеющей стали обеспечивают сочетание высокой прочности и коррозионной стойкости, подходящей для морских платформ и береговой инфраструктуры. При использовании креплений из нержавеющей стали необходимо уделять пристальное внимание смазочным материалам для ниток, чтобы предотвратить скапливание во время затягивания. Антиселекционные соединения являются стандартной практикой для нитевых сборок из нержавеющей стали.

Покрытия и защита от коррозии

Выбор системы покрытия должен уравновешивать защиту от коррозии с механическими требованиями крепежа. Горячее цинкование (ГПГ) является наиболее распространенным методом для структурных болтов, обеспечивающим толстый, жертвенный слой цинка. Механическое цинкование является альтернативой, которая позволяет избежать высоких температур ГПГ, снижая риск хрупкости водорода в высокопрочных сталях. Богатые цинком краски и покрытия Дакромета используются там, где требуется внешний вид или удельная коррозионная стойкость. Покрытие не должно заполнять нити до точки, где гайка не может быть собрана. Нити обычно перекрывают контролируемым количеством для размещения толщины покрытия.

Температурные эффекты

Конструкционные болты, используемые в низкотемпературных приложениях, должны соответствовать требованиям к удару с помощью шарнирного V-образного отверстия, чтобы избежать хрупкого разрушения. В болтах ASTM A490 требования к прочности предъявляются при 70°F, но для рабочих температур ниже -20°F часто указываются болты A325 класса или специально протестированные болты A320 класса L7. В материале гайки также должна демонстрироваться адекватная прочность. При повышенных температурах прочность болта ухудшается, а релаксация ползучести может уменьшить натяжение. Спецификация AISC обеспечивает коэффициенты снижения прочности болта для проектирования при температурах выше 200°F.

Геометрический слоган: размеры, пространство и типы дыр

Расположение болтов в соединении регулируется предельными состояниями, которые включают разрыв сдвига болта, разрыв подшипника, разрыв сечения сетки и разрыв сдвига блока. Спецификация AISC обеспечивает минимальные и максимальные требования к интервалу и кромке расстояния, чтобы обеспечить адекватное устранение этих предельных состояний.

Стандартные размеры дырок и допустимые вариации

Стандартные отверстия для конструктивных болтов пробиты или пробурены 1/16 дюйма, больше номинального диаметра болтов до 1 дюйма диаметра. Негабаритные отверстия, допускаемые только в критических соединениях скольжения, обеспечивают повышенную устойчивость к эрекции, но требуют закаленных шайб поверх отверстия. Сломанные отверстия обеспечивают продольную регулировку, но должны иметь ось слота, ориентированную перпендикулярно направлению нагрузки, где это возможно, чтобы минимизировать деформацию скольжения. Использование негабаритных или щелевых отверстий требует, чтобы соединение было спроектировано как критически важное для предотвращения проблем с исправностью.

Требования к расстоянию и Pitch

Расстояние от центра болтового отверстия до края соединенной части должно быть достаточным для предотвращения разрыва сдвига. Минимальные расстояния кромки указаны в таблице AISC 360 J3.4 и различаются по диаметру болта и типу кромки (срезанный, прокатанный или газоразрезанный). Полоса или расстояние между болтами от центра до центра ограничены как минимум в 2 2/3 номинального диаметра болта для обеспечения надлежащей установки и предотвращения неисправности подшипника между соседними отверстиями. Максимальные пределы шага обеспечивают, чтобы соединенные слои оставались в контакте и предотвращали попадание влаги, что может привести к коррозии.

Совместимость с Thread и Assembly

Соответствие гайки болту предполагает нечто большее, чем обеспечение соответствия нитей. Орех должен развивать полную растягивающую способность болта без полоскания нити или радиального расширения.

← Фиттинг и Pitch

Унифицированные грубые (UNC) нити являются стандартными для конструкционных крепежных изделий в Соединенных Штатах. Метрические грубые нити (ISO 261) используются на международном уровне. Нити определяют рыхлость или герметичность между нитевыми фланцами. Для структурных узлов, Класс 2А (болт) и Класс 2В (орех) обеспечивают свободный ход, который вмещает нормальные толщины покрытия и обработку полей. Более жесткие допуски, такие как Класс 3A/3B, избегают в высокопрочных приложениях из-за риска гашения во время полевой установки. Нити болта должны быть свободны от галочек и заусениц. Орехи должны свободно вращаться на болте вручную; связывание указывает на дефект или несоответствие покрытия.

Высота орехов и совместимость с загрузкой

Высота гайки определяет площадь сдвига, доступную для полоски внутренних нитей. Тяжелые гайки ASTM A563 Grade DH имеют минимальную высоту 5/8 номинального диаметра болта для грубых нитей. Эта геометрия обычно гарантирует, что болт будет разрушаться при напряжении перед полосой гайки, при условии, что нагрузка на гайку равна или больше минимальной прочности на разрыв. Стандартный гайка гекса не обеспечивает ту же глубину зацепления и не должна заменяться тяжелым гайкой гекса на высокопрочных структурных болтах. Стандартными являются следующие пары:

  • ASTM F3125 Grade A325 bolt: ASTM A563 Grade DH или DH3 nut (heavy hex). Для горячего цинкования сборок используйте орехи Grade DH с перевернутыми нитями на ASTM A563.
  • ASTM F3125 Grade A490 bolt: ASTM A563 Grade DH nut (heavy hex). Покрытие должно быть одобрено для высокопрочного применения; HDG обычно избегают.
  • ASTM F1554 анкерный стержень (класс 55 или 105): ASTM A563 класс DH гайка для класса 105; класс A или C для класса 36.
  • ISO 898-1 Класс 10.9 болт: ISO 898-2 Класс 10 гайка, стиль 2 (тяжелая гекса).
  • ISO 898-1 Класс 8.8 болт: ISO 898-2 Класс 8 гайка, стиль 1.

Смазка и контроль крутящего момента

Приложенный к гайке крутящий момент в первую очередь расходуется трением под гайкой и в нитях, при этом лишь около 10 % крутящего момента преобразуется в притяжение болта. Изменения трения вызывают значительное рассеяние в соотношении крутящего момента. Смазка уменьшает трение и улучшает консистенцию. Для достижения требуемого притяжения без заточки требуется смазка, содержащая ПТФЭ или дисульфид молибдена. Болты из нержавеющей стали требуют соединения против затвора. Смазка должна быть совместима с покрытием и одобрена производителем болта. Использование калиброванного гаечного ключа требует ежедневной проверки против известного калибратора напряжения для каждого лота, размера и состояния смазки.

Методология установки и контроль качества

Правильная установка необходима для разработки притяжения, необходимого для критических и напряженно-управляемых соединений. Спецификация RCSC для структурных соединений с использованием высокопрочных болтов признает четыре общепринятых метода притяжения.

Снаг-Тетл Установка

Стык плотно прижат, когда все плины втянуты в плотный контакт без видимых зазоров. Это условие достигается несколькими ударами ударного гаечного ключа или полным усилием рабочего с помощью пряжкового гаечного ключа. герметичный прижим приемлем для соединений подшипникового типа с использованием стандартных отверстий, если конструкция не требует притяжения. Орехи должны быть прижаты постепенно из самой жесткой точки наружу, чтобы обеспечить равномерное сидение плуг.

Метод поворота на нет

После того, как все зажимы приведены в каверзное состояние, гайку поворачивают добавочной заданной фракцией поворота относительно болта. Это вращение переводится в требуемое натяжение болта. Требуемое вращение зависит от длины болта и наклона гайки относительно болтовых нитей. Для болтов длиной, равной или меньшей, чем в четыре раза диаметру, характерен 1/2 поворот. Для более длинных болтов может потребоваться 2/3 поворот. Метод не зависит от крутящего момента и трения, что делает его высоконадежным при правильном выполнении. Установщик должен отметить болт и гайку перед окончательным вращением, чтобы обеспечить визуальную проверку угла поворота.

Калиброванный метод ремня

Зубчатые гаечные ключи или ударные гаечные ключи устанавливаются для подачи крутящего момента, определяемого при тестировании каждого болта, сорта, смазки и партии. Зенит должен калиброваться ежедневно, а проверка крутящего момента на трех болтах из партии выполняется не реже одного раза в день. Гайка поворачивается до тех пор, пока гаечный ключ не подаст сигнал о достижении целевого крутящего момента. Этот метод чувствителен к вариабельности трения и требует строгого контроля процесса. Калибратор напряжения Скидмора-Вильгельма является основным инструментом для установления отношения крутящего момента и натяжения до начала производственной установки.

Показатели прямого напряжения

ДТИ - это закаленные шайбы с выступами, которые сплющиваются при затягивании болта. Зазор между шайбой и поверхностью подшипника проверяется с помощью датчика ощупывания, чтобы подтвердить, что указанное натяжение достигнуто. ДТИ на ASTM F959 доступны для болтов A325 и A490 и обеспечивают надежную визуальную индикацию натяжения, не зависящую от крутящего момента и трения. Стиральные машины по-прежнему требуются под ДТИ для предотвращения галинга. Метод ДТИ все более предпочтителен для критических скольжения-критических соединений, поскольку он измеряет напряжение непосредственно.

Протоколы инспекции и проверки

После установки проводятся следующие проверки на местах. Лицо гайки должно быть промыто, а болтовые нити должны выступать по меньшей мере на одну полную нить за пределами гайки. В конструктивных соединениях должно выступать не более трех ниток. Любой гайка, которую можно повернуть вручную после натяжения, указывает на неисправную сборку, которую необходимо заменить. Для натяжных соединений репрезентативный образец болтов проверяется с помощью гаечного ключа, проверки разрыва DTI или проверки поворота гайки. Неисправные болты заменяются, а окружающие болты в рисунке повторно тестируются для обеспечения целостности сустава.

Долгосрочная долговечность и управление жизненным циклом

Долговечность болтового соединения зависит от конструктивных деталей, выходящих за рамки первоначальной установки. Кревизны между плугами могут улавливать влагу и ускорять коррозию. Для открытых конструкций рекомендуется уплотнять липкие поверхности или детализировать дренажные пути. Гальваническая изоляция должна обеспечиваться там, где соединяются разнородные металлы, такие как болты из нержавеющей стали на элементах из углеродистой стали. Стиральные или изоляционные прокладки разделяют металлы и предотвращают ускоренную коррозию менее благородного компонента.

Усталость критических соединений требуют тщательной детализации, чтобы уменьшить концентрации напряжения. Радиус корня нити, голова к стрелке перехода, и длина захвата все влияют на усталостный срок службы болта. Натяжение улучшает усталостную устойчивость за счет уменьшения переменного компонента напряжения. Нити должны быть исключены из плоскости сдвига, где усталость регулирует, и выпадение нити должно происходить вне суставных слоев. AISC Спецификация для структурных стальных зданий обеспечивает правила проектирования усталостной нагрузки.

Якорные стержни, встроенные в бетон, представляют собой другой набор проблем с долговечностью. Часть стержня, проходящая через затирку и базовую пластину, подвержена коррозии, если она не покрыта должным образом или не покрыта рукавами. ASTM F1554 охватывает три сорта (36, 55 и 105) и предлагает три варианта защиты от коррозии: простой, оцинкованный или с дополнительным цинковым покрытием. Орехи для якорных стержней должны соответствовать стержню и быть достаточно затвердевшими для развития растягивающей способности стержня. Для встраивания в бетон национальный строительный код и ACI 318 регулируют конструкцию крепления.

Периодический осмотр крепежных элементов в эксплуатации рекомендуется проводить для конструкций с длительным сроком службы. Мосты, краны и промышленные здания должны иметь план инспекции с болтовым соединением. Свободные гайки, сломанные болты или коррозионное окрашивание указывают на необходимость восстановления. В системах сейсмостойкости болты в соединениях с конечным моментом на пластине могут подвергаться неупругой деформации. Проверки натяжения и замена сильно выработанных болтов могут потребоваться после крупного сейсмического события. Команда разработчиков должна указать частоту инспекции и критерии приемки в спецификациях проекта для обеспечения последовательного применения в течение жизненного цикла конструкции.

Выбор правильной комбинации гайки и болта для конструкционных сталелитейных заводов требует систематической оценки проектных нагрузок, типологии соединений, среды обслуживания и ограничений установки. Процесс начинается с применимого строительного кодекса и стандартов материалов, которые определяют минимальные механические свойства и геометрические требования. Оттуда тип соединения диктует, требуется ли герметичная или натяжная установка, и среда регулирует выбор материала и покрытия. Проверка совместимости гайки, болта и стиральной машины посредством проверки нагрузочной проверки и прослеживаемости документации обеспечивает окончательную гарантию производительности. Стандарты RSCSC и ASTM обеспечивают авторитетную основу для всего этого процесса. Интегрируя эти соображения в единую спецификацию, инженеры и изготовители могут гарантировать, что болтовые соединения достигают прочности, пластичности и долговечности, предназначенные в структурном дизайне.