高强度螺栓技术全解析

高强度螺栓是采用高强度钢材制造、安装时需要施加较大预紧力的螺栓，广泛应用于建筑钢结构、桥梁、风电等工程领域。

一、从原材料看

高强度螺栓的螺杆、螺母和垫圈均采用高强合金钢材制作，常用牌号包含 40Cr、20MnTiB（硼钢）、35VB 等。

40Cr 合金钢是国内应用的普遍材质，铬元素提升钢材淬透性，大小规格均可使用，综合强度与韧性均衡，属于工业通用材料；20MnTiB（硼钢）是钢结构扭剪型 10.9 级高强螺栓的经典材料，多用于螺纹直径不大于 M24 规格（M12～M24），冷镦成型性能优异；35VB 为大六角 10.9 级螺栓常用材料，多用于 M27～M30 等较大规格，适用于建筑钢结构工程，但并非仅限该规格使用，选材应按现行标准和供货技术条件执行。

GB/T 1231-2024 在材料表中纳入 20MnTiB/ML20MnTiB、35VB、42CrMo、ML40CrMo 等可选材料牌号；标准不对牌号做“推荐"分级，也没有规定各牌号对应的适用规格范围。选材时可优先选用行业成熟牌号，也可采用其他满足全部力学性能指标的材料，但需经供需双方协商确认。选用 20MnTiB/ML20MnTiB 时，碳含量下限、硼含量上限属于原材料专用材料标准或钢厂内控指标，GB/T 1231-2024 本身不直接规定此类化学成分限值，选材时需要核对原材料质保书。

普通螺栓一般采用 Q235 钢制造，强度等级更低。需要注意：10.9 级代表的是力学性能等级，不等同于固定钢材牌号；同一种钢材，如果热处理不到位，无法达到 10.9 级指标；不同牌号钢材，经过规范热处理后，均有可能满足 10.9 级性能。

二、从强度等级上看

钢结构高强螺栓常用 8.8S、10.9S 两个性能等级，工程中 10.9S 应用居多。普通螺栓强度等级更低，常见 4.6 级、4.8 级、5.6 级、8.8 级。

标准更新提示：GB/T 1231-2024《钢结构用高强度大六角头螺栓连接副》于 2024 年 9 月 29 日发布，2025 年 4 月 1 日实施，替代 GB/T 1231-2006、GB/T 1230-2006、GB/T 1229-2006、GB/T 1228-2006 旧版标准。

新标准主要变化：

1. 最大适用规格扩展至 M36；

2. 10.9S 抗拉强度区间调整为 1040～1190MPa，断面收缩率由≥42% 提高至≥48%；

3. 新增 42CrMo、ML40CrMo 等可选材料牌号；

4. 冲击试验由常温调整为 -20℃，缺口类型由 U 型改为 V 型；

5. 10.9S 芯部硬度上限由 367 HV30 调整为 358 HV30（HRC 上限由 39 降至 38）；8.8S 芯部硬度要求维持不变（249～296 HV30，24～31 HRC）；

6. 扭矩系数稳定性指标，淘汰标准偏差，采用 变异系数≤0.077 作为判定依据。

国际标准层面，ASTM F3125/F3125M 将 A325、A325M、A490、A490M 统一纳入，覆盖英制与公制尺寸。英制尺寸抗拉强度为 120 ksi 和 150 ksi，公制尺寸为 830MPa 和 1040MPa。

备注：A325/A325M、A490/A490M 与国内 8.8S、10.9S 在部分机械性能指标上存在数值重叠，但二者预拉力控制方式、螺纹公差体系、断后伸长率、冲击试验、取样验收规则及连接设计参数均存在差异，工程中不可直接等同替换。

三、从使用次数上看

钢结构摩擦型高强度螺栓严禁重复使用；承压型高强度螺栓同样不建议重复使用。

普通螺栓在非重要连接部位可有限循环使用，重要连接位置仍需要按规范评估。高强度螺栓一旦拆卸，预拉力稳定性会大幅衰减，直接影响节点安全。

四、从受力特点上看

高强度螺栓依靠预拉力实现连接，摩擦型高强螺栓依靠板件接触面之间的摩擦力传递剪力。普通螺栓依靠栓杆抗剪、孔壁承压传递剪力，拧紧产生的预拉力很小，工程上一般忽略不计。高强螺栓施工时施加巨大预拉力，压紧连接板，在垂直螺杆方向形成摩擦力；预拉力、抗滑移系数、连接板材质，共同决定摩擦型高强螺栓的承载力。

高强螺栓外形分为大六角头、扭剪型两类，同性能等级下强度一致，区别在于施工方式与验收手段。

• 大六角头连接副：1 螺栓 + 1 螺母 + 2 垫圈；施工采用扭矩扳手，分初拧、复拧、终拧三步；

• 扭剪型连接副：1 螺栓 + 1 螺母 + 1 垫圈，尾部带梅花卡头；使用专用电动扭剪扳手，梅花头扭断即代表预紧力达标，验收直观。

依据 GB/T 3632-2008，扭剪型高强螺栓规格范围为 M16～M30；该标准目前仍为现行有效版本，尚未有新版替代。M33、M36 等更大规格钢结构高强螺栓，一般选用大六角头型。大型钢结构、高层建筑可选用扭剪型；桥梁工程、工程量小或安装空间受限场景，多选用大六角头高强螺栓。

高强度螺栓，“强"在哪里？

要理解高强螺栓的优势，需要对比普通螺栓、高强螺栓的受力机理，理解不同连接的极限状态定义。

普通螺栓：荷载作用下，板件间先发生相对滑移，随后螺栓杆和孔壁接触，依靠栓杆受剪、孔壁承压承受荷载，最终失效形式为螺栓剪断或者板件挤压破坏。

摩擦型高强度螺栓：荷载增大克服接触面静摩擦力后，板件发生相对滑移。依据现行 GB 50017-2017《钢结构设计标准》，滑移属于正常使用极限状态，设计控制目标是使用荷载阶段不发生滑移；其承载能力极限状态为螺栓断裂或连接板构件破坏。旧版 GB 50017-2003 曾将滑移定义为承载能力极限状态，新旧规范存在定义差异。摩擦型高强螺栓的设计思路，不依靠栓杆抗剪承载。

承压型高强度螺栓：允许连接板发生滑移；滑移后依靠栓杆抗剪、孔壁承压共同承受外荷载；以螺栓剪切破坏或者孔壁承压破坏作为承载能力极限状态。

说明：下文所述“高强螺栓节点刚度大"特性，主要针对摩擦型高强螺栓连接。

高强度螺栓的承载力优势，核心不在于螺栓本身的抗拉强度，而是节点在正常工作阶段不允许滑移，变形小、刚度高。承压型高强螺栓的极限承载力由栓杆剪切与板件承压控制，受力逻辑和普通螺栓接近，仅螺栓本体强度更高。

以 M24、10.9 级摩擦型高强螺栓为例，其预拉力设计值可达 225kN；高预紧力使摩擦型连接在设计荷载范围内始终保持弹性状态，变形远小于普通螺栓连接。

在相同节点荷载条件下，采用高强螺栓不一定能减少螺栓数量，但节点变形更小、刚度更大、安全储备更高，适合主梁等对节点刚度有较高要求的部位，符合强节点、弱构件的抗震设计原则。抗震钢结构的摩擦型高强螺栓节点，需要保证地震荷载组合下摩擦面不发生滑移。

高强螺栓的核心优势：不是螺栓本身承载力绝对更高，而是连接节点刚度大，整体安全性能与抗破坏能力更强。

五、施工与检验

普通螺栓和高强度螺栓受力原理不同，施工与验收要求差异很大。

进场复验是质量控制第一关。高强螺栓连接副必须按批配套进场；大六角头连接副做扭矩系数复验，扭剪型做紧固轴力复验；抗滑移系数检验最小值，必须大于等于设计要求。扭矩系数平均值控制在 0.110～0.150，离散性按现行标准以变异系数≤0.077判定。

终拧检查：大六角头高强螺栓，应在终拧完成 1h 后、48h 内开展扭矩核查。扭剪型高强螺栓，梅花头终拧扭断视为合格；未拧断梅花头的螺栓数量，不得超过该节点螺栓总数的 5%；未拧断的螺栓，需要用扭矩法或转角法补终拧并标记，同时做终拧扭矩检查。

摩擦面处理是决定连接承载力的关键。接触面可采用喷砂或抛丸处理达到 Sa2.5 级除锈标准；抗滑移系数和母材材质、表面处理工艺直接相关。Sa2.5 喷砂处理后的 Q345 等低合金高强钢板，抗滑移系数可达到 0.45，不能认为 Sa2.5 除锈等级就固定等于 0.45。现场最常见错误：摩擦面涂刷底漆后再安装螺栓，涂层会大幅降低摩擦系数，使 k 值趋近于 0。在相同摩擦面数量条件下，抗滑移系数从 0.30 提升至 0.45，连接抗剪承载力相应提升 50%。

保管要求：高强螺栓连接副存放有效期不超过六个月，到期必须重新取样复验；大六角头复验扭矩系数，扭剪型复验紧固轴力，复验合格后方可使用。该六个月有效期通常依据 JGJ 82《钢结构高强度螺栓连接技术规程》及企业内控要求执行，具体以现行规范和项目技术条件为准。

六、机械性能要求

高强螺栓相比普通螺栓，增加冲击功验收项目，同时对预拉力、扭矩系数、紧固轴力有专项指标。

10.9 级高强螺栓核心力学指标：最小抗拉强度≥1040MPa，规定塑性延伸强度 Rp0.2≥940MPa，硬度区间 33～38HRC。低温冲击韧性按 GB/T 1231-2024 要求，8.8S、10.9S 两个等级，均要求 -20℃、V 型缺口条件下冲击吸收功≥27J；风电低温工况，常要求 -40～-45℃冲击功≥27J，该要求通常来自风电行业技术规范或业主技术条件，不属于 GB/T 1231-2024 的通用强制指标。新版 GB/T 1231-2024 将冲击试验由常温调整为 -20℃V 型缺口，试验条件更加严苛；冲击功指标同步调整：10.9S 旧版≥47J，新版≥27J；8.8S 旧版≥63J，新版≥27J。

七、现代工程关注点补充

随着钢结构向大跨度、高层环境方向发展，高强螺栓技术持续迭代，当前工程重点关注方向如下：

疲劳性能

交变荷载作用下，高强螺栓疲劳寿命受预拉力水平显著影响。试验数据：在 97.72% 存活概率条件下，M20 螺栓预紧状态，端板连接轴向拉伸试验条件下，200 万次循环疲劳强度由无预紧时 97.0MPa 提升至 223.7MPa；该数据受试验条件、试样状态影响，仅作工程参考。疲劳断裂多起源于螺纹第一啮合根部；部分试验观测到疲劳断裂前预拉力衰减超过 30%，该现象仅为试验现象，不能直接作为工程判定依据。

氢脆与延迟断裂

10.9 级高强螺栓抗拉强度≥1040MPa，已经进入氢致延迟断裂敏感区间。工程共识：螺栓强度越高氢脆敏感性越强；强度大于 1000MPa 后氢脆风险逐步上升，1200MPa 以上敏感性显著加剧。

文献试验表明，特定条件下低温形变热处理配合 V+Nb 微合金化，材料抗氢脆性能提升约 83%，该结论仅限对应试验工况，不能直接推广到所有工程场景。

10.9 级高强螺栓如果采用电镀表面处理，必须配套除氢工艺。电镀完成后应尽快开展除氢烘烤：抗拉强度低于 1300MPa 的紧固件（含 10.9 级，Rm≈1040MPa），除氢工序可与后续热处理合并，或按工艺要求单独除氢（通常 200℃×4h），除氢时间窗口可比 12.9 级适当放宽；12.9 级及以上（Rm≥1300MPa）高强螺栓，电镀后 4 小时内必须启动除氢。10.9 级虽风险低于 12.9 级，但电镀工艺下仍需要重视氢脆防控。

材料体系升级

风电等工况项目，已经采用 42CrMoA、40CrNiMoA 等高韧性合金材料制造 10.9 级及更高等级螺栓；≥M33 的大规格高强螺栓，多选用铬钼钢体系，兼顾强度与低温韧性。