Болтовое соединение — основной тип сборочного узла в монтажных стыках металлоконструкций. На объекте именно через болты передаются усилия между балками и колоннами, между секциями ферм, между панелями каркаса. От правильного выбора класса прочности, диаметра и количества болтов зависит работоспособность всего узла, а от качества затяжки — его долговечность. Этот материал собирает нормативную базу болтовых соединений: классы прочности, типы расположения, расчётные и контролируемые усилия, правила приёмки.
Нормативная база
Болтовые соединения в металлоконструкциях регламентируются комплексом ТНПА:
- ТКП 45-5.04-167 — расчёт стальных конструкций (РБ), общие требования к болтовым соединениям;
- ГОСТ 1759.4 (ИСО 898-1) — болты, винты и шпильки. Механические свойства и методы испытаний;
- ГОСТ 7798-70 — болты с шестигранной головкой класса точности B (нормальная);
- ГОСТ 7805-70 — болты с шестигранной головкой класса точности A (повышенная);
- ГОСТ 22353…22356 — болты, гайки, шайбы высокопрочные для металлических конструкций;
- СТБ 1380 — болты, гайки и шайбы высокопрочные для металлических конструкций (РБ);
- ТКП 45-1.03-26 — контроль соединений в строительстве (РБ), включая болтовые с натяжением.
Ответственность за выбор класса прочности, диаметра, длины и количества болтов лежит на проектировщике. Ответственность за их установку и затяжку в соответствии с проектом — на производителе работ.
Классы прочности болтов
Класс прочности болта обозначается двумя числами через точку (4.6, 5.8, 8.8, 10.9, 12.9). Первое число × 100 = временное сопротивление σв в МПа. Произведение чисел × 10 = предел текучести σт в МПа.
| Класс | σв, МПа | σт, МПа | Допустимое применение |
|---|---|---|---|
| 4.6 | 400 | 240 | временные соединения, монтажные сборки, фахверк, ограждения |
| 5.6 | 500 | 300 | общестроительные узлы средней нагрузки |
| 5.8 | 500 | 400 | стандартные несущие узлы металлоконструкций |
| 8.8 | 800 | 640 | ответственные узлы, фланцевые соединения |
| 10.9 | 1000 | 900 | высокопрочные узлы с контролируемым натяжением |
| 12.9 | 1200 | 1080 | специальные нагруженные узлы, нестандартные применения |
Для основных несущих соединений металлоконструкций применяются болты классов 5.8 и 8.8. Болты 10.9 — для фланцевых соединений с натяжением и в подкрановых балках. Болты 4.6 в основных несущих узлах не применяются — только в вспомогательных и временных.
Типы расположения болтов
Расположение болтов в узле должно обеспечивать передачу усилия без концентраторов напряжений и без снижения прочности соединяемых элементов. Стандартные правила геометрии:
| Параметр | Минимум | Максимум |
|---|---|---|
| Расстояние от оси болта до края элемента | 1,5 d | 4 d или 8 t |
| Шаг болтов в ряду (вдоль усилия) | 2,5 d | 16 d или 24 t |
| Шаг болтов между рядами | 2,5 d | 12 d или 18 t |
| Расстояние до края параллельно усилию | 2 d | — |
Здесь d — диаметр болта, t — толщина наиболее тонкого из соединяемых элементов. Минимальные расстояния обеспечивают передачу усилия без срыва кромки и без концентрации напряжений. Максимальные расстояния — против чрезмерного «прогиба» крепления, который снижает жёсткость узла.
Расчёт болтовых соединений
Болт в соединении может работать на четыре типа нагрузки:
- срез — поперечное усилие сдвигает соединяемые элементы относительно друг друга, болт работает на срез по плоскости сдвига;
- смятие отверстия — поперечное усилие сминает кромку отверстия одного из соединяемых элементов;
- растяжение — продольное усилие растягивает болт вдоль его оси (фланцевые соединения);
- совместная нагрузка — срез + растяжение одновременно.
Расчётные сопротивления болтов по ТКП 45-5.04-167 (выборка):
| Класс | Rbs (срез), МПа | Rbt (растяжение), МПа | Rbp (смятие отв.), МПа |
|---|---|---|---|
| 4.6 | 150 | 170 | зависит от стали элемента |
| 5.6 | 190 | 210 | зависит от стали элемента |
| 5.8 | 190 | — | зависит от стали элемента |
| 8.8 | 320 | 400 | зависит от стали элемента |
| 10.9 | 400 | 500 | зависит от стали элемента |
Расчётное сопротивление смятию отверстия определяется по стали соединяемого элемента: для С245 Rbp = 425 МПа, для С345 — 540 МПа, для С440 — 660 МПа. Если толщина элемента 5–8 мм, проверка на смятие часто становится критической: болт срезается с большим запасом, но кромка отверстия раздавливается.
Высокопрочные болты с натяжением
Высокопрочные болты классов 8.8, 10.9 и 12.9 могут устанавливаться с контролируемым натяжением на расчётное усилие. В этом случае соединение работает по принципу трения: усилие передаётся не через срез или смятие, а через трение между поверхностями соединяемых элементов, прижатых усилием натяжения болта.
Преимущества соединений на трении:
- отсутствие зазоров и микроперемещений в соединении при действии переменных нагрузок;
- повышенная усталостная прочность по сравнению с обычными болтами;
- возможность ревизии и повторного натяжения;
- работа в широком диапазоне температур.
Усилие натяжения болта рассчитывается по нормам ТКП 45-1.03-26 и составляет 70–90 % от предела текучести болта. Для болта М20 класса 10.9 — расчётное натяжение около 175 кН.
Методы контроля натяжения
Контроль натяжения высокопрочных болтов выполняется несколькими методами:
- динамометрическим ключом — затяжка с заранее заданным крутящим моментом, пересчитанным по тарировке;
- методом контроля угла поворота гайки — после первоначального обжатия гайка поворачивается на заданный угол (90°–135° для М20);
- тензометрическим методом — измерение удлинения болта при затяжке;
- специальными болтами с индикаторными элементами — отрывными головками, контрольными вкладышами.
Допустимое отклонение усилия натяжения от расчётного — обычно ±10 %. Контроль усилия не реже чем у 10 % болтов в каждом узле. Результаты заносятся в журнал затяжки болтовых соединений, который ведётся производителем работ.
Подготовка поверхностей
Соединения с натяжением требуют подготовки поверхностей соединяемых элементов в зоне контакта. Поверхности должны быть:
- очищены от ржавчины, окалины, краски, грязи, масла;
- обработаны до достижения проектного коэффициента трения μ;
- сухими (не покрытыми влагой);
- без зазоров и неровностей более 0,5 мм.
Стандартные способы обработки контактных поверхностей: дробемётная или дробеструйная обработка (μ = 0,5–0,6), огневая очистка (μ = 0,42), стальная щётка (μ = 0,25–0,35). Проектный коэффициент трения указывается в чертеже КМ и определяется по нормативу.
Типы отверстий под болты
Стандарты предусматривают три типа отверстий под болты:
| Тип отверстия | Зазор по диаметру | Применение |
|---|---|---|
| С номинальным зазором | d + 2 мм для М20 | стандартные соединения на срез и смятие |
| С увеличенным зазором | d + 4 мм для М20 | сложные монтажные соединения с компенсацией погрешностей |
| Овальные (продолговатые) | длина + 8 мм для М20 | температурные швы, скользящие соединения |
Способ изготовления отверстий — сверление (предпочтительный) или продавка пуансоном (для тонких элементов до 12 мм). После пуансона требуется развёртывание для удаления заусенцев и кромкорезных дефектов.
Шайбы и стопорные элементы
Под головкой и гайкой болта устанавливаются плоские шайбы — для распределения усилия натяжения по большей площади и для защиты поверхности от подрезов. Стандартные шайбы по ГОСТ 11371 (нормальные) или ГОСТ 11371-78 (увеличенные для высокопрочных болтов).
Стопорные шайбы (пружинные, стопорные с зубьями) применяются в соединениях, подверженных динамическим и вибрационным нагрузкам. В соединениях с натяжением высокопрочных болтов стопорные шайбы не нужны — натяжение само обеспечивает стопорение от самоотвинчивания.
Типовые ошибки
- Применение болтов 4.6 в основных несущих узлах. Класс 4.6 — для временных и вспомогательных соединений. В несущих узлах балок и колонн применяются 5.8 или 8.8.
- Неучёт смятия отверстия в тонких элементах. Болт М20 класса 8.8 в полке толщиной 6 мм срезается с большим запасом, но кромка отверстия раздавливается раньше расчётного предела. Проверка на смятие обязательна.
- Высокопрочные болты без контроля натяжения. Болты 8.8 и 10.9 с натяжением работают только при правильной затяжке. Без контроля силы натяжения соединение работает как обычное на срез, со сниженной несущей способностью.
- Контактные поверхности без подготовки. Натяжение болта на ржавую или окрашенную поверхность даёт коэффициент трения 0,1–0,15 вместо расчётных 0,42–0,6. Соединение проскальзывает при малых усилиях.
- Нарушение минимальных расстояний между болтами и кромками. Болт ближе 1,5 d от края даёт срыв кромки, болты ближе 2,5 d друг от друга — концентрацию напряжений в зоне между ними.
- Применение разнотипных болтов в одном узле. Болты 5.8 и 8.8 в одном узле работают с разной жёсткостью, нагрузка перераспределяется неравномерно, и расчёт по средней прочности неверен.
- Перетягивание болтов выше расчётного натяжения. «На всякий случай» с превышением на 20–30 % может перегрузить болт на растяжение, что в сочетании с поперечным усилием срыва приведёт к преждевременному разрушению.
Часто задаваемые вопросы
Какие болты применять в фланцевом соединении балки с колонной? Стандартно класс 8.8 для общестроительных балок, класс 10.9 для подкрановых балок и нагруженных рам. Размер — М16, М20, М24 в зависимости от расчётного усилия.
Можно ли применять болты 5.8 в высокопрочных соединениях? Нет. Соединения с натяжением требуют только классов 8.8, 10.9 или 12.9. Болт 5.8 не выдерживает требуемого натяжения без пластических деформаций.
Сколько болтов в типовом фланцевом узле балки? Обычно 4–8 болтов М16–М24 в зависимости от размера балки и нагрузки. Для двутавра 30Б1 — обычно 6 болтов М20 (по 3 у каждой полки), для двутавра 40К3 — 8–12 болтов М24.
Допустимо ли применять овальные отверстия в основных несущих соединениях? Только в специальных случаях: температурные швы, скользящие монтажные соединения, узлы компенсации погрешностей изготовления. В обычных несущих соединениях применяются круглые отверстия с номинальным зазором.
Нужен ли особый контроль приёмки болтовых соединений? Да. Журнал затяжки болтов ведётся по форме приложения ТКП 45-1.03-26 с регистрацией момента затяжки, контролируемого усилия, количества затянутых болтов, температуры и состояния поверхностей.
Сокращения и обозначения
ТКП — технический кодекс установившейся практики. ТНПА — технический нормативный правовой акт. ТКП 45-5.04-167 — расчёт стальных конструкций (РБ). ТКП 45-1.03-26 — контроль соединений в строительстве (РБ). СТБ 1380 — высокопрочные болты, гайки, шайбы (РБ). ГОСТ 1759.4 — болты, винты, шпильки. Технические условия. ГОСТ 7798-70 — болты с шестигранной головкой класса точности B. ГОСТ 22353…22356 — высокопрочные болты, гайки, шайбы. σв — временное сопротивление. σт — предел текучести. Rbs — расчётное сопротивление болта срезу. Rbt — расчётное сопротивление болта растяжению. Rbp — расчётное сопротивление смятию отверстия. d — диаметр болта. t — толщина соединяемого элемента. μ — коэффициент трения.
Материал подготовлен по действующим на дату публикации редакциям ТНПА. Применение рекомендаций должно учитывать актуальность нормативной базы и конкретные условия объекта.