杨大元
(中冶赛迪工程技术股份有限公司， 重庆 400013)
摘 要：除焊接、铆接以外，六角头螺栓连接也是将钢结构零、构件根据设计意图并按一定规则连接成整体的一种主要方式。六角头螺栓有A、B、C三种14个等级。钢结构常用C级(粗制)螺栓，有时也用A、B级(精制)螺栓。对六角头螺栓及其连接进行比较，并提出注意事项。
关键词：六角头螺栓； 连接； 普通螺栓； 开孔直径
除焊接、铆接以外，六角头螺栓连接也是将钢结构零、构件根据设计意图并按一定规则连接成整体的一种主要方式。它广泛地用于钢结构工程中构件间的紧固连接，如临时固定、可拆连接和永久连接等。
六角头螺栓是普通螺栓的一种，但有别于双头和沉头等其他形式的普通螺栓。按制作精度划分的六角头螺栓有A、B、C三种14个等级。其中，A、B级螺栓通常被称之为“精制”螺栓，C级被称之为“粗制”螺栓。钢结构工程中用得最多的是六角头C级(粗制)螺栓，有时也用六角头A、B级(精制)螺栓。相对而言，由于六角头A、B级(精制)螺栓成本较高、连接孔洞加工精度高、安装施工难度大(螺杆与孔径相等时需要强行打入)，目前在钢结构工程中用得极少，且逐渐被现行国家标准GB/T 1228-2006《钢结构用高强度大六角头螺栓》、GB/T 1231-2006《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件》和GB/T 3632-2008《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副》等标准中的高强度螺栓替代。
上述六角头螺栓及其连接，尤其是A、B级(精制)螺栓及其连接与高强度螺栓及其连接相比，其性能、受力机理、连接开孔直径及精度等有较大差别，在此不再赘述。六角头螺栓中的A、B级(精制)螺栓及其连接与C级(粗制)螺栓及其连接相比，同样有较大差别，但并不是所有钢结构技术人员都十分清楚，且常有不合理的情况发生，值得研究。而且，在钢结构工程中正确选用不同等级的六角头螺栓是技术人员应该具备的基本技能。
钢结构工程中常用的六角头螺栓仅仅是现行国家标准中六角头螺栓的很少一部分。现行六角头螺栓及其配套螺母和垫圈的国家标准如下。
2.1 GB/T 5780-2000《六角头螺栓 C级》
该标准规定了螺纹规格为M5～M64，螺杆有部分螺纹，性能等级为3.6、4.6和4.8级，产品等级为C级的六角头螺栓。
与上述标准中螺栓配套使用的螺母是现行国家标准GB/T 41-2000《六角螺母 C级》，它规定了螺纹规格为M5～M64，性能等级为4和5级，产品等级为C级的六角螺母。
此外，与上述标准中螺栓配套使用的平垫圈是现行国家标准GB/T 95-2002《平垫圈 C级》，它规定了公称直径(螺纹大径)为1.6～64 mm、标准系列、硬度等级为100HV级、产品等级为C级的平垫圈。垫圈有圆垫圈、方垫圈、斜垫圈、弹簧垫圈等之分，选择时应予以注意。
2.2 GB/T 5781-2000《六角头螺栓 全螺纹 C级》
该标准规定了螺纹规格为M5～M64,螺杆有全螺纹,性能等级为3.6、4.6及4.8级,产品等级为C级的六角头螺栓。除螺杆有全螺纹外，其余规定与GB/T 5780-2000相同，与其配套使用的螺母、平垫圈也与上述标准相同。
2.3 GB/T 5782-2000《六角头螺栓》
该标准规定了螺纹规格为M1.6～M64,螺杆有部分螺纹,性能等级为5.6、8.8、9.8和10.9级等，产品等级为A级和B级的六角头螺栓。其中，A级适用于螺纹规格d=1.6～24 mm、l≤10d或l≤150 mm(取较小值)的螺栓，B级适用于d>24 mm、l>10d或l>150 mm(取较小值)的螺栓。
与上述标准中螺栓配套使用的螺母是现行国家标准GB/T 6170-2000《1型六角螺母》，它规定了螺纹规格为M1.6～M64,性能等级为6.8和10级，产品等级为A和B级的1型六角螺母。其中，A级适用于D≤16 mm的螺母，B级适用于D>16 mm的螺母。
此外，与上述标准中螺栓配套使用的平垫圈是现行国家标准GB/T 97.1-2002《平垫圈 A级》，它规定了公称直径(螺纹大径)为1.6～64 mm，标准系列，硬度等级为200HV和300HV，产品等级为A级的平垫圈。其中，硬度等级为200HV的适用于性能等级至8.8级，产品等级为A级、B级的六角头螺栓和性能等级至8级，产品等级为A级、B级的六角螺母；硬度等级为300HV的适用于性能等级至10.9级，产品等级为A级、B级的六角头螺栓和性能等级至10级，产品等级为A级、B级的六角螺母。
2.4 GB/T 5783-2000《六角头螺栓 全螺纹》
该标准规定了螺纹规格为M1.6～M64,螺杆有全螺纹,性能等级为5.6、8.8、9.8和10.9级等,产品等级为A级和B级的六角头螺栓。除螺杆有全螺纹和公称长度可达200 mm外，其余规定与GB/T 5782-2000相同，与其配套使用的螺母、平垫圈也与上述标准相同。
简单地讲，钢结构工程常用六角头螺栓中的两部分数字分别代表“公称抗拉强度的1/100”和“屈强比的10倍”，两部分数字的乘积则代表“公称屈服点的1/10”[12]。
例如，4.6级螺栓中的“4”代表“公称抗拉强度为400 MPa”，“6”代表“屈强比为0.6”，“4×6=24 ”代表“公称屈服强度为240 MPa”。因此，这种六角头螺栓可以用钢结构工程有关人员十分熟悉和常用的碳素结构钢(如Q235)制作。当然，也可以用符合上述条件的其他钢材制作。
又如，10.9级六角头螺栓中的“10”代表“公称抗拉强度为1 000 MPa”，“9”代表“屈强比为0.9”，“10×9=90”代表“公称屈服强度为900 MPa”。显然，这种六角头螺栓用钢结构工程技术人员十分熟悉和常用的碳素结构钢(如Q235)或低合金高强度结构钢(如Q345)等是无法制作出来的，恐怕要用大家并不熟悉和不常用的合金结构钢并经热处理才能制作出来。
值得一提的是，按现行国家标准GB 50017-2003《钢结构设计规范》中“表3.4.1-4”的划分，钢结构工程中常用的六角头螺栓有4.6、4.8、5.6和8.8级4种。其中，4.6级和4.8级为C级(粗制)螺栓，5.6级和8.8级为A、B级(精制)螺栓，但它们均被称之为“普通螺栓”。
从上述国家标准中得知，A、B级六角头螺栓还有9.8和10.9等几个等级。通常，它们采用低碳合金钢、中碳钢、中碳合金钢或合金钢，再经热处理(淬火并回火)制作，故也有称之为“高强度螺栓”的。但是，该“高强度螺栓”与GB/T 1228-2006《钢结构用高强度大六角头螺栓》、GB/T 1231-2006《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件》和GB/T 3632-2008《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副》等标准中的“高强度螺栓”是不相同的，需特别注意。
4.1 A、B、C级六角头螺栓及其连接的受力共同点
通常，六角头螺栓连接无紧固力、螺杆受剪，无摩擦效应，连接板孔壁承压，有应力集中现象，螺杆与孔壁之间有一定空隙。
4.2 C级(粗制)六角头螺栓受力特点
C级(粗制)六角头螺栓与孔壁之间有较大空隙，连接滑移变形量较大，一般只能够承受较小的静荷载，或者间接承受较小的动荷载，不宜用于重要的连接，如制动梁与吊车梁上翼缘的连接、制动梁和吊车梁上翼缘与上柱的连接、柱间支撑与柱的连接等。
4.3 A、B级(精制)六角头螺栓受力特点
A、B级(精制)六角头螺栓连接滑移变形量较小，能够承受较大荷载，也能够承受动荷载，属于紧密配合连接。
A、B级(精制)和C级(粗制)六角头螺栓的连接强度设计值、孔的类型、孔壁精度和允许偏差等是不一样的，特别提请注意以下现行国家标准的有关规定。
1)现行国家标准GB 50017-2003对六角头螺栓的有关要求：
a.第3.3.8条第3款规定：“普通螺栓应符合现行国家标准GB/T 5780-2000和GB/T 5782-2000的规定”。
b.第3.4.1条对六角头螺栓的连接强度设计值作了规定，如表1。
表1 六角头螺栓连接强度设计值 MPa
螺栓性能等级六角头螺栓C级A级、B级4.6级170(140)-(-)4.8级170(140)-(-)5.6级-(-)210(190)8.8级-(-)400(320)
注：括号内、外对应抗剪强度、抗拉强度。
2)GB 50205-2001 《钢结构工程施工质量验收规范》对六角头螺栓的有关要求：
a.第7.6.1条规定“A、B级螺栓孔(Ⅰ类孔)应具有H12的精度，孔壁表面粗糙度Ra≤12.5 μm”。加工时，通常先钻小孔成型，组装后再铰孔或铣孔以达到质量标准。螺栓直径不同，其允许偏差也不同，一般为0～0.25 mm。
b.第7.6.1条还规定“C级螺栓孔(Ⅱ类孔)，孔壁表面粗糙度Ra不应大于25 μm”，其允许偏差一般为0～1.0 mm。
6.1 关于A、B级(精制)螺栓和C级(粗制)螺栓的孔径
通常，C级(粗制)螺栓孔径比螺栓公称直径大1～2 mm,而A、B级(精制)螺栓往往与连接件配套出厂，孔径仅比螺栓公称直径大0.2～0.5 mm，有的孔径甚至与螺栓公称直径一样大。这一点特别提醒注意。
6.2 关于“全螺纹”
设计说明中，如果规定选择现行国家标准GB/T 5780-2000或GB/T 5782-2000中的螺栓，不宜画蛇添足地写上“螺杆为全螺纹”的字样，因为上述标准中螺杆本来就只有“部分螺纹”。如果要选择“全螺纹螺栓”，可直接选用GB/T 5781-2000《六角头螺栓 全螺纹 C级》或GB/T 5783-2000《六角头螺栓 全螺纹》中的螺栓。
上述现象较为普遍。究其原因，估计写设计说明者首先没有搞清楚上述几本现行国家标准之间的联系和区别；其次没有考虑连接板件的总厚度、螺母高度、垫圈厚度及其个数等影响螺纹长度的因数，故而盲目地执行GB 50017-2003第3.3.8条第3款的规定，并凭想象写出。其实，螺纹长度满足需要即可，动辄就规定螺杆为“全螺纹”是否有些“多余”和“浪费”？
6.3 关于六角头螺栓等级及其材质要求
设计说明中，经常会见到类似“采用Q235钢材，螺栓等级为4.8级”的字样。显然，这种六角头螺栓“公称屈服点为320 MPa” (4×8=32)，用Q235钢材恐怕是难以制作出来的。建议最好只规定螺栓等级，不要既规定螺栓等级又规定螺栓材质，除非特殊需要且一定要“正确规定”，免得给自己带来不必要的麻烦。
6.4 关于“吊车梁板铰铰栓”
工业厂房中，吊车的横向刹车力由制动梁或制动桁架及与小柱连接的板铰或高强螺栓连接板传递。该板铰或连接板直接承受动荷载，故不采用高强度螺栓时，也可采用A、B级(精制)螺栓连接。当然，该板铰铰栓是按照A、B级(精制)螺栓标准特殊加工制作出来的，而制动梁或制动桁架与小柱的连接一般采用承压型连接高强度螺栓。
6.5 关于“支座螺栓”
上部钢结构通常用C级(粗制)螺栓固定在下部结构上，再进行现场焊接。为便于安装，上部钢结构支座底板开孔较大(如1.5d，d为螺栓直径)。但有时也会见到有采用A、B级(精制)螺栓的。例如，螺栓采用8.8级，上部钢结构支座底板孔径为螺栓直径的1.5倍，或者采用能滑动的长孔。其理由是A、B级(精制)螺栓强度高， 直径小的螺栓感观好。显然， 这是典型的 C级(粗制)螺栓连接的做法，它既不符合上述现行国家标准的有关规定，也起不到A、B级(精制)螺栓应起的作用。
综上所述，相关国家标准虽然列出的六角头螺栓有A、B、C三种14个等级，看似品种和规格较多，但在钢结构工程中很少采用A、B级精制螺栓，主要采用的是C级粗制螺栓，钢结构有关技术人员在选择时应注意螺栓孔径、螺纹长度、螺栓等级和螺栓材质。
参考文献：
[1] GB/T 1228-2006 钢结构用高强度大六角头螺栓[S].
[2] GB/T 1231-2006 钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件[S].
[3] GB/T 3632-2008 钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副[S].
[4] GB/T 5780-2000 六角头螺栓 C级[S].
[5] GB/T 41-2000 六角螺母 C级[S].
[6] GB/T 95-2002 平垫圈 C级[S].
[7] GB/T 5781-2000 六角头螺栓 全螺纹 C级[S].
[8] GB/T 5782-2000 六角头螺栓[S].
[9] GB/T 6170-20001 型六角螺母[S].
[10] GB/T 97.1-2002 平垫圈 A级[S].
[11] GB/T 5783-2000 六角头螺栓 全螺纹[S].
[12] 中国钢结构协会.建筑钢结构施工手册[M].北京：中国计划出版社,2002
[13] GB 50017-2003 钢结构设计规范[S].
[14] GB 50205-2001 钢结构工程施工质量验收规范[S].
COMMONLY USED HEXAGON HEAD BOLTS AND CONNECTING FOR STEEL STRUCTURE
Yang Dayuan
(MCC CISDI Engineering Co. Ltd, Chongqing 400013, China)
ABSTRACT：In addition to welding and riveting, hexagon head bolt connection is also another way to connect steel components as designed. There are three kinds of hexagon head bolts,which are named as A,B and C, and classified into 14 levels. Black bolt C is commonly used in steel structure and burnished bolt A,B were used in the field as well. This paper compared the hexagon head bolts and its connections, and some advices were presented.
KEY WORDS：hexagon head bolts; connect; ordinary bolts; hole diameter
收稿日期：2014-08-06
DOI：10.13206/j.gjg201503010
作 者：杨大元，男，1954年出生，国家一级注册结构工程师，教授级高级工程师，主任工程师。
Email：ydy295664193@qq.com
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