BS 04395——结构工程公制高强摩擦型螺栓连接副标准系列

BS 4395 — High Strength Friction Grip Bolts and Associated Nuts and Washers for Structural Engineering, Metric Series: Part 1 General Grade; Part 2 Higher Grade Bolts and Nuts and General Grade Washers

🔩 BS 04395(实际标准号 BS 4395)是英国结构工程中用于高强摩擦型螺栓连接副(high strength friction grip bolt assemblies)的公制系列标准,由 BS 4395-1:1969《一般级》(General Grade)与 BS 4395-2:1969《高级螺栓螺母与一般级垫圈》(Higher grade bolts and nuts and general grade washers)两部分组成。摩擦型连接依靠螺栓预紧力使连接板间产生摩擦传力,是高强螺栓连接的主要工作模式,广泛应用于钢结构厂房、桥梁、塔架与建筑结构工程。

💡 高强摩擦型螺栓连接的关键在于”预紧力”:通过拧紧使螺栓产生规定的预拉力,在连接板间形成足够摩擦面,从而依靠摩擦传递剪力。BS 4395 正是为保证这一预紧力可靠建立而规定了螺栓、螺母与垫圈的尺寸、材料与机械性能。

一、标准系列构成与适用范围 📌

BS 4395 系列于 1969 年发布,经 1975 年与 1976/1977 年修订。Part 1 规定一般级(General Grade)高强摩擦型螺栓、螺母与垫圈;Part 2 规定高级(Higher Grade)螺栓与螺母及一般级垫圈。两部分均针对公制(metric)系列,采用 ISO 公制螺纹,适用于钢结构工程中的摩擦型高强度螺栓连接。

分标准号主题主要内容
BS 4395-1:1969一般级一般级螺栓、螺母、垫圈的尺寸、材料、热处理、机械性能、试验与标识
BS 4395-2:1969高级螺栓螺母与一般级垫圈高级螺栓与螺母的机械性能、尺寸与标识,以及一般级垫圈要求

标准由机械工程工业标准委员会(MEE/60)制定,涉及英国钢结构协会、紧固件协会等众多组织,并与 BSI 关于螺纹与公制化的政策声明(附录 A)相衔接。

二、螺栓要求(Bolts)🔧

标准对螺栓的材料、热处理、机械性能、试验程序、尺寸与表面处理、标识作出系统规定。螺栓材料采用按标准供货的合金钢,经淬火回火热处理达到规定强度等级。Part 1 表 4 给出一般级螺栓的机械性能;Part 2 则规定高级螺栓的更高强度要求。

项目要求
材料与热处理合金钢经淬火回火,保证强度与韧性匹配
机械性能表 4 规定抗拉强度、屈服强度、断后伸长率与硬度等
试验程序附录 B 规定螺栓机械性能试验方法,含全尺寸螺栓的验证载荷与楔形载荷试验
尺寸与表面表 2、表 3 给出长度公差与螺纹长度;表 5 给出六角头螺栓尺寸;图 1、图 2 给出倒角、端面与标识
标识螺栓头部应标注材料或等级标识,便于追溯
⚠️ 螺栓的强度等级与预紧力直接相关:高强摩擦型螺栓必须达到规定的预拉力,才能产生设计所需的摩擦抗滑移能力。若材料或热处理不达标,预紧力不足将导致连接滑移失效。选用时应核对等级标识与机械性能检验报告。

三、螺母与垫圈要求(Nuts & Washers)🔥

螺母的材料、热处理、机械性能、尺寸与标识同样按标准规定。Part 1 表 7 给出一般级螺母的验证载荷(coarse pitch series),表 8 给出六角螺母尺寸;Part 2 表 7 给出高级螺母的机械性能。螺母螺纹面与端面的垂直度可通过附录 E 推荐的量规检验。垫圈方面,标准规定一般级垫圈的尺寸与公差(Part 1 表 9 等),并给出平圆垫圈(flat round washer)与方形锥面垫圈(square taper washers)的型式(图 5、图 6)。

项目要求
螺母材料与热处理碳钢或合金钢经热处理,保证承载能力
螺母机械性能表 7 给出验证载荷;附录 C 规定螺母机械性能试验方法(含全尺寸螺母验证载荷试验)
端面垂直度附录 E 给出螺纹面对螺母端面垂直度的检查量规
垫圈型式平圆垫圈与方形锥面垫圈,分别用于平连接面与斜连接面
垫圈硬度规定硬度试验要求,保证受压面不压溃

四、试验程序与检验 🔬

标准要求对螺栓、螺母进行系统的机械性能试验,并规定了批次取样数量(表 1、表 6)。附录 B 给出螺栓机械性能试验方法,包括全尺寸螺栓的验证载荷试验(图 8)与楔形载荷试验(图 9);附录 C 给出螺母机械性能试验方法,含螺母验证载荷试验(图 10);附录 D 给出试验程序。第 5 章规定一般检验程序,第 6 章规定采购信息,明确询价或订货时应提供的技术要求。

试验对象与方法
验证载荷试验对全尺寸螺栓施加规定验证载荷,检验不产生永久变形或断裂(图 8)
楔形载荷试验在带楔垫条件下加载,检验螺栓头部的强度与韧性(图 9)
螺母验证载荷对螺母施加规定验证载荷,检验其承载能力(图 10)
批次取样表 1、表 6 规定不同批量对应的抽样件数
✅ 通过规定统一的机械性能、试验方法与抽样方案,BS 4395 保证了高强摩擦型螺栓连接副的质量一致性与可追溯性,为钢结构摩擦型连接的安全与可靠提供基础。

五、工程应用与施工要点 🛠️

  • 🔍 选型流程:按设计剪力与连接板摩擦面确定所需预紧力 → 按螺栓等级与螺纹规格选择连接副 → 校核连接板净截面与摩擦抗滑移 → 按标准附录 F 选用标准公称长度与优选规格。
  • 🔩 摩擦面处理:摩擦型连接的抗滑移能力取决于摩擦面状况,应进行喷砂、除锈等处理并保证规定的抗滑移系数。
  • ⚙️ 拧紧与预紧力控制:采用扭矩法或转角法施加预紧力,并复核扭矩系数,确保实际预紧力达到设计要求。
  • 📋 检验与验收:按标准检验螺栓、螺母与垫圈的标识、尺寸与机械性能,必要时抽检验证载荷。

六、常见问题解答 ❓

❓ 问:BS 4395-1 与 BS 4395-2 有何区别?
答:Part 1 规定一般级高强摩擦型螺栓、螺母与垫圈;Part 2 规定高级螺栓与螺母及一般级垫圈。两者对应不同的强度等级,按连接设计选用。
❓ 问:摩擦型螺栓连接为什么强调预紧力?
答:摩擦型连接依靠预紧力在连接板间产生摩擦传力。预紧力不足将导致摩擦面抗滑移能力下降,连接可能滑移;预紧力过大则可能使螺栓过载或连接板压溃。必须按设计预紧力可靠控制。
❓ 问:高强摩擦型螺栓与普通螺栓有何不同?
答:高强摩擦型螺栓采用高强度合金钢并经热处理,其连接依靠摩擦传力而非螺栓杆受剪承压,因此强度等级与预紧力控制更关键,通常用于受剪为主的钢结构连接。
❓ 问:为什么要做楔形载荷试验?
答:楔形载荷试验在带楔垫条件下加载,用以检验螺栓头部的强度与韧性,防止螺栓头部在偏载下断裂,是保证螺栓使用可靠性的重要试验。
🔍 问:采购时应提供哪些信息?
答:第 6 章规定询价或订货时应提供螺栓等级、规格、数量、表面处理、材料与试验要求等信息,确保制造商按标准生产并提供符合性证明。
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