Болтовые соединения — основной тип монтажных соединений стальных конструкций. В отличие от сварных соединений, болтовые не требуют специального оборудования и квалификации сварщиков, позволяют вести монтаж в любых погодных условиях и обеспечивают возможность демонтажа. По данным ГК СтилКонстракшн, до 85% монтажных соединений на объектах промышленного строительства выполняются на болтах.
В данной статье рассмотрены два основных типа болтовых соединений — на обычных болтах нормальной точности и на высокопрочных болтах. Подробно описаны принципы работы, область применения, технология монтажа и контроль качества каждого типа. Материал основан на требованиях СП 70.13330.2012, СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции» и ГОСТ 22353–77, ГОСТ 7798–70.
Типы болтовых соединений МК
Болтовые соединения классифицируются по нескольким признакам: по классу прочности болтов, по характеру работы соединения и по точности изготовления.
По классу прочности болтов
Обычные болты — классы прочности 4.6, 4.8, 5.6, 5.8, 6.6, 8.8 (ГОСТ 7798–70). Высокопрочные болты — классы 8.8, 10.9, 12.9 (ГОСТ 22353–77, ГОСТ Р 52644). Первая цифра обозначает 1/100 минимального предела прочности в МПа, вторая — отношение предела текучести к пределу прочности. Например, болт 10.9: прочность 1000 МПа, текучесть 900 МПа.
По характеру работы
Соединения на срез и смятие — усилие передаётся через стержень болта, работающий на срез, и стенки отверстия, работающие на смятие. Применяются с обычными болтами. Фрикционные (сдвигоустойчивые) соединения — усилие передаётся за счёт сил трения между соединяемыми деталями, стянутыми высокопрочными болтами. Стержень болта не касается стенок отверстия.
По точности изготовления
Болты нормальной точности (класс В) — диаметр отверстия на 2–3 мм больше диаметра болта. Наиболее распространены. Болты повышенной точности (класс А) — диаметр отверстия на 0,3 мм больше диаметра болта. Обеспечивают плотную посадку и более точное совмещение деталей. Применяются редко из-за сложности совмещения.
Обычные (нормальной точности) болты
Болты нормальной точности классов прочности 4.6, 5.6, 5.8, 8.8 — основной крепёж для монтажных соединений рядовых элементов каркаса. Они доступны, просты в монтаже и не требуют специального инструмента для затяжки.
Область применения
Обычные болты применяются для: крепления связей и прогонов, вспомогательных и второстепенных соединений, крепления ограждающих конструкций (профлиста, сэндвич-панелей), временных соединений при монтаже, соединений элементов фахверка.
Принцип работы
В соединении на обычных болтах усилие передаётся через стержень болта, работающий на срез. Отверстие в соединяемых деталях на 2–3 мм больше диаметра болта, поэтому при приложении нагрузки детали смещаются до контакта стержня со стенкой отверстия. Это смещение (2–3 мм) — недостаток обычных болтов, из-за которого они не применяются в ответственных соединениях, где нужна жёсткость.
Стандартные размеры
Наиболее распространённые диаметры: М16, М20, М24. Длина подбирается по суммарной толщине пакета с учётом выступания стержня за гайку не менее 1–3 витков резьбы. Комплект: болт, гайка, 1–2 шайбы. Материал — сталь 20, 35, 40Х. Покрытие — цинковое (горячее или гальваническое) для защиты от коррозии.
| Класс прочности | Предел прочности, МПа | Предел текучести, МПа | Несущая способность на срез М20, кН | Область применения |
|---|---|---|---|---|
| 4.6 | 400 | 240 | 38 | Второстепенные соединения |
| 4.8 | 400 | 320 | 38 | Крепление связей |
| 5.6 | 500 | 300 | 47 | Стандартные соединения |
| 5.8 | 500 | 400 | 47 | Стандартные соединения |
| 8.8 | 800 | 640 | 75 | Ответственные соединения |
Высокопрочные болты: принцип работы
Высокопрочные болты (ВПБ) — специальный крепёж, затягиваемый контролируемым усилием (крутящим моментом) для создания нормального давления между соединяемыми деталями. Усилие между деталями передаётся за счёт трения, а не через стержень болта. Это принципиальное отличие от обычных болтов.
Принцип фрикционного соединения
При затяжке высокопрочного болта создаётся усилие натяжения в стержне (от 110 до 300 кН в зависимости от диаметра и класса прочности). Это усилие сжимает соединяемые детали, создавая между ними силу трения. Рабочее усилие в соединении передаётся за счёт этого трения, стержень болта не касается стенок отверстия (зазор 2–3 мм остаётся). Пока внешняя нагрузка не превышает силу трения — соединение работает как монолитное, без сдвига.
Область применения
Высокопрочные болты применяются в ответственных соединениях: стыки колонн, опорные узлы ферм, стыки ферм при укрупнительной сборке, крепление подкрановых балок, узлы рамных конструкций, работающие на изгиб. Подробно о технологии затяжки и контроле — в статье «Высокопрочные болты: затяжка, контроль момента».
Подготовка контактных поверхностей
Для обеспечения расчётного коэффициента трения контактные поверхности (фрикционные плоскости) подготавливаются одним из способов: пескоструйная обработка (коэффициент трения μ = 0,58), газопламенная обработка (μ = 0,42), стальные щётки (μ = 0,35), без обработки (окалина, μ = 0,25). Способ обработки указывается в проекте и должен строго соблюдаться.
Инженеры ГК СтилКонстракшн подберут оптимальный тип болтового соединения для вашего объекта с учётом нагрузок и условий монтажа.
Сравнение: обычные vs высокопрочные
Выбор между обычными и высокопрочными болтами определяется проектировщиком на основании расчёта. Однако понимание преимуществ и ограничений каждого типа полезно для инженеров монтажной организации и заказчиков.
| Параметр | Обычные болты | Высокопрочные болты |
|---|---|---|
| Принцип работы | Срез и смятие | Трение (фрикционное) |
| Сдвиг в соединении | 2–3 мм (при нагружении) | Отсутствует (до исчерпания трения) |
| Несущая способность М20 | 38–75 кН (на срез) | 78–156 кН (на трение, 1 плоскость) |
| Требования к поверхностям | Очистка от грязи | Пескоструй/газопламя |
| Инструмент затяжки | Обычный ключ | Динамометрический ключ |
| Контроль затяжки | Визуальный | Крутящим моментом / углом поворота |
| Стоимость комплекта М20 | 15–30 ₽ | 80–200 ₽ |
| Работа при динамических нагрузках | Ограниченно | Рекомендуется |
| Возможность демонтажа | Да | Ограниченно (разрушение покрытия) |
Когда выбирать обычные болты
Обычные болты целесообразны для: второстепенных соединений (связи, прогоны, фахверк), монтажных соединений с малыми нагрузками, временных креплений, соединений, не воспринимающих динамических и знакопеременных нагрузок. Основное преимущество — простота и низкая стоимость.
Когда выбирать высокопрочные болты
Высокопрочные болты необходимы для: несущих соединений каркаса (стыки колонн и ферм), узлов, работающих при динамических нагрузках (подкрановые балки), сейсмостойких конструкций, соединений, где недопустим сдвиг (точное оборудование на каркасе), замены сварных соединений в полевых условиях.
Проектирование болтовых соединений
Проектирование болтовых соединений выполняется в соответствии с СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции». Расчёт включает определение количества болтов, их диаметра, расстановки и класса прочности.
Расчёт соединений на обычных болтах
Несущая способность одного болта на срез определяется сечением стержня и классом прочности. Несущая способность на смятие — диаметром болта, толщиной соединяемых элементов и прочностью стали. Расчётное количество болтов — отношение расчётного усилия в соединении к меньшей из двух несущих способностей (на срез или на смятие). Результат округляется вверх до целого числа.
Расчёт фрикционных соединений
Несущая способность одного высокопрочного болта на трение: N = μ × P × k, где μ — коэффициент трения (0,25–0,58), P — усилие натяжения болта, k — количество плоскостей трения. Количество болтов — отношение расчётного усилия к несущей способности одного болта с учётом коэффициентов надёжности.
Размещение болтов
Минимальные расстояния: от центра болта до края элемента — 2d (вдоль усилия) и 1,5d (поперёк), между центрами болтов — 3d (вдоль усилия) и 3d (поперёк), где d — диаметр отверстия. Максимальное расстояние между болтами — 8d или 12t (t — толщина наружного элемента).
Монтаж болтовых соединений: технология
Технология монтажа болтовых соединений зависит от типа болтов и регламентируется СП 70.13330.2012.
Монтаж соединений на обычных болтах
Порядок работ: (1) совмещение отверстий в соединяемых деталях с помощью монтажных оправок (конических штырей); (2) установка болтов в отверстия (от центра соединения к краям); (3) установка шайб и гаек; (4) затяжка гаек ручным или пневматическим ключом до плотного прилегания деталей; (5) контрольная подтяжка. Болты затягиваются «от центра к краям» для равномерного обжатия пакета.
Монтаж фрикционных соединений
Требования существенно жёстче: (1) подготовка контактных поверхностей (пескоструй, газопламя); (2) сборка пакета и установка болтов; (3) предварительная стяжка пакета обычными болтами или монтажными пробками; (4) замена на высокопрочные болты; (5) затяжка с контролем крутящего момента или угла поворота гайки. Подробная технология — в статье «Высокопрочные болты».
Контроль качества: проверки и допуски
Контроль болтовых соединений — обязательный элемент монтажного процесса, фиксируемый в журнале монтажных работ.
Контроль обычных болтов
Проверяется: количество установленных болтов (должно соответствовать проекту), плотность прилегания шайб и гаек (щуп 0,3 мм не должен проходить между деталями), отсутствие трещин и дефектов в болтах, выступание стержня за гайку (не менее 1 витка резьбы). Контроль — визуальный и измерительный, 100% болтов.
Контроль высокопрочных болтов
Дополнительно к визуальному контролю проверяется усилие натяжения (крутящий момент). Проверке подлежат не менее 10% болтов в каждом соединении (но не менее 2 болтов). Контроль выполняется тарированным динамометрическим ключом. Отклонение фактического момента от расчётного — не более ±10%. При обнаружении отклонений проверяются 100% болтов данного соединения.
ГК СтилКонстракшн применяет сертифицированный крепёж и контролирует каждое соединение по требованиям СП.
Часто задаваемые вопросы
Чем высокопрочные болты отличаются от обычных?
Высокопрочные болты (ВПБ) затягиваются контролируемым усилием, создающим давление между деталями. Нагрузка передаётся за счёт трения, а не через стержень болта. Обычные болты работают на срез стержня. ВПБ обеспечивают жёсткое соединение без сдвига и применяются в ответственных узлах каркаса.
Можно ли заменить сварку болтами?
Да, в большинстве случаев сварные соединения могут быть заменены болтовыми (при соответствующем расчёте). Болтовые соединения предпочтительны при монтаже в зимних условиях, в стеснённых условиях (где сварка затруднена), для конструкций, подлежащих демонтажу, и при отсутствии квалифицированных сварщиков.
Какой класс прочности болтов использовать?
Для второстепенных соединений (связи, прогоны) — класс 4.8 или 5.6. Для несущих соединений на обычных болтах — 5.8 или 8.8. Для фрикционных соединений — высокопрочные 10.9 или 12.9 (по ГОСТ Р 52644). Класс прочности указывается в проекте и не может быть изменён монтажной организацией.
Зачем нужна шайба под головкой болта?
Шайба распределяет давление на большую площадь, предотвращая смятие поверхности детали. Для высокопрочных болтов шайбы обязательны под головкой и под гайкой (две шайбы на комплект). Для обычных болтов шайба ставится под вращаемый элемент (обычно под гайку). Использование пружинных шайб (гровер) для ВПБ не допускается.
Сколько болтов нужно для стыка колонны?
Количество болтов определяется расчётом и зависит от усилий в стыке, диаметра и класса прочности болтов. Для типового стыка колонны сечением 40К1 с усилием 200–400 кН требуется 8–16 высокопрочных болтов М24. Точное количество берётся из чертежей КМД.