高强度螺栓预紧力和拧紧力矩比较分析

高强度螺栓预紧力和拧紧力矩比较分析

在钢结构连接中经常使用高强度螺栓。高强度螺栓连接对于防止松动有良好的可靠性，尤其用于连接动载荷的构件。在高强度螺栓连接中，预紧力和拧紧力矩是一个很重要的参数。下面就高强度螺栓的预紧力及拧紧力矩进行探讨，以期得到合理的结果，在今后的设计中应用。

1 预紧力大小的确定

高强度螺栓预紧力的大小跟螺栓的材料及其横截面面积有关。所用材料需要经过调质处理以提高其机械性能，满足使用要求。国内高强度螺栓的材料一般为45钢、40B钢及40Cr钢。45钢用作8.8级的螺栓，40B钢及40Cr钢用作10.9级的螺栓。

预紧力大小由下式计算：

P=0.6σ

b F

i

（1-1）

式中σ

b

—高强度螺栓材料经热处理后的抗拉强度限，

F

i

—螺栓的计算面积（按内螺纹直径计算），按下表取。

高强度螺栓的螺纹内径d

1和计算面积F

i

螺栓公称直径M16 M18 M20 M22 M24

螺纹的内径(mm) 13.835 15.294 17.294 19.294 20.732

计算面积(mm2)149 182 235 292 337.5

2 拧紧力矩的计算

拧紧力矩是为了使螺栓产生预紧力，其大小由预紧力确定。

拧紧力矩由下式计算：

M

=0.19Pd（kg·m）（2-1）

式中 P—高强度螺栓需要的预紧力（t）；

d—高强度螺栓的公称直径（mm）。

3 下面就国内外高强度螺栓，根据它们的材料的机械性能计算其预紧力和拧紧力矩，并进行比较和分析，从中找到适合我们应用的预紧力和拧紧力矩。

（1）根据《机械设计手册》（机械工业出版社）

材料：45钢，8.8级；40B钢，10.9级

抗拉强度限：45钢，850kN/mm2；40B钢，1550kN/mm2。

计算结果如下表所示。

预紧力F

v (kN)及扭紧力矩M

A

(N·m)

（2）根据《起重机设计手册》（辽宁人民出版社）

材料：45钢，8.8级；40B钢，10.9级

抗拉强度限：45钢，850kN/mm2；40B钢，1550kN/mm2。计算结果如下：

预紧力F

v (kN)及扭紧力矩M

A

(N·m)

（3）根据ISO5049-1：1994

材料：40B钢,40C r

螺栓金属材料的屈服极限R

2.0

p

=900N/mm2（10.9级）预紧应力按下式计算：

F

σ =0.7 R2.0p（3-1）预紧力按下式计算：

F

v =

F

σA

s

式中A

s

—螺栓的计算面积（按螺栓内径计算）

正常情况下螺栓以F

v =

F

σA

s

进行预紧。

允许附加力N

a

按下式计算：

N

a =

φ

⨯

⨯

a

s

p

v

A

R

2.0

12

.0

（3-2）

式中R

2.0

p

—螺栓金属材料的屈服极限

v

a —为不同载荷情况时的安全系数（v

a

1=1.5, v

a

2=1.33,

v

a

2=1.2）

φ—依据比值l

g /d基础上的延伸系数（l

g

—螺栓的紧固长度，

d—螺栓的直径）

延伸系数φ

l

g

紧固长度

A s —螺栓的计算面积（按螺栓内径计算） 计算结果如下：

预紧力F v (kN)及扭紧力矩M A (N ·m)

（4） 根据《散货连续装卸机械设计规范》欧洲机械联合会 材料： 40B 钢,40C r

金属材料的屈服极限σE （0.2）=900 N/mm 2（10.9级） 计算结果如下：

预紧力F v (kN)及扭紧力矩M A (N ·m)

（5） 根据ISO5049/1-1980

材料：40B 钢,40C r

材料的屈服极限：R 2.0p =900N/mm 2（10.9级） R 2.0p —金属材料的屈服极限 预紧应力按下式计算：

F σ=0.7R 2.0p （3-3）

预紧力按下式计算： F v =F σA s

式中 A s —螺栓的计算面积（按螺栓内径计算） 允许附加力N a 按下式计算：

N a =

φ

⨯⨯a s

p v A R 2.012.0 （3-4）

式中 R 2.0p —螺栓金属材料的屈服极限

v a —不同载荷情况时载荷的安全系数（v a 1=1.5, v a 2=1.33, v a 2=1.2）

φ—比值l g /d 的基础上的安全系数（l g 为螺栓的紧固长度，d 为螺栓直径）

延伸系数φ

l g 紧固长度

预紧力F v (kN)及扭紧力矩M A (N ·m)

螺栓金属材料的屈服极限：σ

（0.2）=900 N/mm2（10.9级））

E

通过对以上行业标准的对比分析，根据计算的数据的比较，从中可以找到一些规律和高强度螺栓的预紧力和拧紧力矩的较为合理的数据。

对于高强度螺栓连接，拧紧力矩是由预紧力确定的，而预紧力跟螺栓的金属材料有关，即跟螺栓材料的机械性能有密切关系，特别是跟材料的屈服极限σs和抗拉强度σb有密切关系。由前面的计算公式即可看出。高强度螺栓的材料一般选用优质碳素结构钢和低、中碳合金钢，调质处理。