来源 ： 钢结构Cost-steelstructure 摘自：高强度螺栓连接设计与施工指南 文中不准确的翻译或者错误的理解，还请您不吝指教，谢谢！ 5 超高强度螺栓 5.1 介绍 5.1.1 超高强度螺栓的开发经过 由于以超高层建筑物为首的结构大型化，所伴随的构件厚壁化、高强度化，现有的F10T高力螺栓(拉伸强度1000~1200N/mm2)中难以设计紧凑的接合部，高强度化被强烈要求。
来源 ： 钢结构Cost-steelstructure
文中不准确的翻译或者错误的理解，还请您不吝指教，谢谢！
5 超高强度螺栓
5.1 介绍
5.1.1 超高强度螺栓的开发经过
由于以超高层建筑物为首的结构大型化，所伴随的构件厚壁化、高强度化，现有的F10T高力螺栓(拉伸强度1000~1200N/mm2)中难以设计紧凑的接合部，高强度化被强烈要求。
图 5.1 表示高强度螺栓强度的发展时间节点。
在 1964年 制定的 JIS B1186 中，高强度螺栓的机械性能等级划分为F7T、F9T、F11T、F13T(拉伸强度1300~1500N/mm2)的4个等级。
1964~1966年间使用的130kg/mm2级螺栓，在使用后的几个月内接连发生延迟破坏事故，随后被禁止使用，因此在1967年的修订中,参考 ISO R898/I 中的等级，改为F8T、F10T、F11T的3个等级。
1976年左右F11T( 拉伸强度 1100~1300N/mm2)，也开始出现了延迟破坏的事例，1979年F11T被标记“尽量不使用”的意思，实质上是禁止使用(2013年修改F11T被删除)，这样从1964年开始经过15年时间，高强度螺栓的强度上限退到F10T。
1999年，根据建筑基准法第68章 第26条 第1项的规定，符合同法第二号的规定，获得建设大臣(现国土交通大臣)的一般认证的，拉伸强度Fbu=1400N/mm2，屈服强度Fby=1260N/mm2(以下称为F14T)的高强度螺栓登场，2001年首次用于超高层建筑，随后多个制造商开发了类似的F14T高强度螺栓，已取得国土交通大臣的一般认定，使用案例正在扩大。
在本书中，前述的F14T高强度螺栓称为超高强度螺栓，最初开发的超高强度螺栓是扭剪型的。
随后又出现了 具有 1400N/mm2 拉伸强度 的高强度六角螺栓。
现已开发出具有1200N/mm2 拉伸强度 的热浸镀锌高强度六角螺栓，是现有的热浸镀锌高强度螺栓(F8T)的约1.5倍 ，均已获得国土交通大臣的认定，关于其处理工艺，需要遵循制造商的设计施工管理要领。
在本书中，使用案例最多的是扭剪型超高强度螺栓的记述。
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在土木、建筑领域使用在高强度螺栓中，螺纹部分 在 约 75% 屈服强度的张力持续作用下，在 螺纹底部和头颈部的应力集中部位，存在超过屈服强度的高应力状态和塑性变形。
此外，高强度螺栓根据使用环境受到腐蚀， 这种腐蚀作用是 由于氢原子侵入到高强度螺栓中。
高强度螺栓 的延迟破坏是由于聚集的氢原子 进入应力集中部， 导致应力集中部周围的破坏强度降低，不能抵抗作用于高强度螺栓的应力而产生的。
耐延迟破坏性能优异的钢材及高强度螺栓，最初开发的超高强度螺栓， 采用了 以下所示的方法。
5.1.2 延迟破坏特性的评价方法
为了开发耐延迟破坏性能优良的钢材，需要适当评价延迟破坏特性的方法，在1960年代高强度螺栓的延迟破坏成为问题时，延迟破坏特性的评价方法没有统一的，各研究、评价机构都尝试了各自的方法。
通过酸水溶液中的断裂时间或断裂应力比来评价延迟破坏，这些方法的问题在于，酸水溶液中向钢材中的氢侵入特性与螺栓的实际使用环境即大气腐蚀环境中的氢侵入特性不同。
根据酸水溶液的种类，评价可能会逆转，存在实验室环境和实际环境中的延迟破坏发生不匹配等问题。
为了解决这些课题，开发了用于测定钢中氢量的升温脱离分析法及以氢量为基准的新的延迟破坏特性的评价方法，提出了钢材不引起破坏的 氢量的上限值“极限氢量HC” ，比较从实际环境中侵入钢材中并累积的“ 侵入氢量HE ，对于HE，如果HC足够大，使用中不会发生延迟破坏的方法(HE/HC)。
HC是，对于模拟螺栓应力集中的环状切口带缺口的试验片，通过阴极电解导入各种氢量，之后为了防止氢向外部的扩散，进行了镀层处理，通过室温放置使试验片内部的氢浓度均匀化后，实际螺栓紧固时引入的轴力引起的静态应力，通过测定到断裂为止的时间来测定。
HE进行模拟实际环境的搅拌湿度反复试验(CCT)，通过腐蚀进入钢材中，测定蓄积的量。
关于将拉伸强度变化为1078~1627 N/mm2的6种钢材，在实验室测得的HC 和 HE，由于在对同一钢材进行螺栓暴露试验求出的与延迟破坏发生概率的关系中发现了良好的相关关系.
参照 图5.2 ,可以认为根据HE/HC法对实际环境中的延迟破坏特性进行评价是可能的。
后来，在日本钢结构协会 2010 年出版的《高强度螺栓断裂特性评估指南》中指出，作为断裂起点的初始裂纹部位是 螺纹底部等应力集中部处最大 应力点附近的局部区域， 最大应力点附近的局部区域侵入的氢浓度HE*和和 极限氢量HC*，用 HE*/ HC*的方法来评价。
5.1.3 耐延迟破坏特性优良的钢材
通常，高强度螺栓 进行淬火，通过回火赋予高强度，其组织为回火马氏体。
回火马氏体钢的延迟断裂起点部位是，在许多情况下呈旧奥氏体晶界裂纹，为了提高钢材的耐延迟破坏特性，旧奥氏体晶界的强化成为课题。
此外， 高强度螺栓 的延迟破坏是由外部侵入的微量氢引起 腐蚀造成 的，如果能够将侵入钢中的氢无害化，则能够提高耐延迟破坏特性。
超高强度螺栓用 开发钢 （应该指的是耐延迟破坏特性优良的钢材） 中添加了相对较多的钒(以下称为V)。
在淬火加热时， 钒 的作用是使一部分奥氏体晶粒 细化 ，在回火时作为微细的碳化物析出，作为已知的钢的一种强化方法。
这是 钒 碳化物的氢捕捉作用，在腐蚀进行的情况下(如雨天等)，它可以捕获对延迟破坏有害的氢而使其无害化，在腐蚀停止时(晴天等)将捕获的氢释放到大气中的功能。
图 5.3 表示调质为1450N/mm2的钢的延迟破坏试验结果，钢( 图中F )的Hc为2.72ppm， 是标准F10t高强度螺栓用钢材的З倍 。
此外，从滞后破坏试验后的破坏面来看，与以往钢呈现出明显旧奥氏体晶界破坏不同，开发钢 （耐延迟破坏特性优良的钢材） 呈现出晶内破坏即模拟开裂破坏，发现晶界破坏被抑制。
5.1.4 不易产生延迟破坏的螺栓形状
图 5.4，从1968年至1972年实施的暴露试验中，高强度螺栓的断裂部位和断裂根数的关系图来看，由于延迟破坏导致的高强度螺栓的断裂，在存在大的应力集中和塑性应变集中的螺纹部位多发。
因此，最初开发的超高强度螺栓中，基本形状尺寸符合JSSII09-1981及JIS B1186-1979，同时考虑了螺栓各部分产生的应力集中，为了缓和塑性应变集中，与以往的F10T高强度螺栓不同，采用了独特的形状[参照图5.5]。
(1)螺纹形状
图5.6 表示超高强度螺栓所采用新螺纹形状和JIS螺纹形状。
根据新螺纹和JIS螺纹的FEM分析结果，新螺纹的应力集中约为JIS螺纹的60%。
另外，最大塑性应变被证实大幅减少 约10%， 新螺纹形状由于其形状尺寸，螺纹的有效截面积比JIS螺纹大，对螺栓的提高耐久性化也有利。
(2)从螺栓轴向拧入部的过渡部形状的改良
传统的F10T高强度螺栓，从与螺栓直径相同的螺栓轴部立即转移到螺纹部。
在超高强度螺栓中，为了使应力尽可能顺畅地从轴部流向螺纹部，在轴部和螺纹部间设置有等于4倍螺纹间距长度的平行部(参照图5.5)。
FEM 分析证实，新螺纹形状和过渡部分形状改进的综合作用大大减少了 JIS 螺栓表现出的不完美螺纹的应力和塑性应变，有望有效提高 JSSC 暴露测试中 断裂次数最多的不完美部分 的抗断裂性能。
（3） 螺栓头和颈部下部的尺寸
为了确保在引入张力时螺栓头颈下部的应力集中与新螺纹部位大致相同，将传统的 1.5~2.0 mm 的螺栓头颈环过渡倒圆半径增加到 2.5 mm。
（4） 改变螺母的形状
在新的螺纹形状中，会导致螺纹与螺母接触面积减小，比 JIS 螺纹小约 10%， 为了补偿这种减少，新的螺母螺纹的数量增加到 JIS 螺母 螺纹数量的1.2 倍，一定余量螺纹数的增加，减少了螺栓与螺母配合的每个螺纹共享的应力。
这种螺纹数的增加，为了减少与螺母嵌合的螺栓各螺纹分担的应力，对降低螺纹底部的最大应力及塑性变形也很有效。
另外，由于螺母的螺纹数量增加，5.4.2项 高强度螺栓的颈下长度的选定中加上紧固长度的长度比以往的扭剪型高强度螺栓增大，与JIS型高强度螺栓相同。
5.1.5 通过实际螺栓的暴露试验验证耐延迟破坏性能
为了验证超高强度螺栓的耐延迟破坏性能，同时调查螺栓中蓄积的氢量He，正在进行促进暴露试验和户外暴露试验。
在促进暴露试验中，将M22超高强度螺栓拧紧在厚度22+22mm的被紧固件上，在3.5%食盐水中实施反复浸渍试验，将紧固件的超高强度螺栓悬挂在旋转的车轮上，每小时浸泡一次在食盐水中。
测试对象为钢材批次，改变了热处理批次和时期，实施了总数128根。
尽管由于超过5年的暴露，螺栓在实际使用环境下无法想象的剧烈腐蚀，没有一根断裂。
超高强度螺栓中积累的氢量He在暴露开始半年左右达到饱和状态，最多为1.5ppm左右， 约为5.13项中所示的超高强度螺栓开发钢Hc的1/2左右。
在冲绳和东京的两个地区使用M22超高强度螺栓，各进行了800个户外暴露试验，冲绳的暴露地点位于距离海岸的冲浪点100m左右，在强风时，来自海洋飞沫直接落在螺栓上，尽管直接接触大气的暴露螺栓的头部和螺母腐蚀到不能保持初期形状，即使试验开始后超过12年，冲绳，东京也没有一根断裂。
HE在暴露开始后约2年几乎达到饱和状态，之后几乎呈稳定状态。
最大 HC 约为 1 ppm，约为超高强度螺栓开发钢 HC 的 1/3。
本文综合自：上观新闻、新华社、央视新闻等
