中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
摘 要：本文根據(jù)螺栓的受力機理，將目前常用螺栓分為一般普通螺栓、高聳結(jié)構(gòu)中帶有振動的高強度普通螺栓、高強螺栓、風力發(fā)電塔筒內(nèi)承受拉壓交變的高強螺栓四種類型?？偨Y(jié)了這四類螺栓目前常用的施工措施及防松方式，指出了目前承受拉壓交變荷載的高強螺栓施工及防松措施的不足，提出了新型的法蘭形式及施工防松措施。
關(guān)鍵詞：螺栓防松 鍛造法蘭 反向平衡法蘭
1 前 言
螺栓連接是機械工程、結(jié)構(gòu)工程等領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的節(jié)點連接方式，是緊固件連接中最基本的一種結(jié)構(gòu)形式，具有便于標準化大批量生產(chǎn)、構(gòu)造簡單、成本低、安裝方便、可互換等優(yōu)點，在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程中被廣泛應(yīng)用。而螺栓的類型、受力特點、使用的環(huán)境等的不同，螺栓的重要性不同，對防松的要求也不同。歷史上由于螺栓松動而造成結(jié)構(gòu)破壞的事故屢見不鮮，可見螺栓防松對于保證螺栓的受力特性及對結(jié)構(gòu)整體安全的重要性。螺栓松動已成為鋼結(jié)構(gòu)連接的一個安全隱患。分析認為，引起螺栓松動的原因很多，如，螺栓連接件的初始變形、軸向荷載的作用、橫向荷載作用等。在工程實踐中，也提出了很多防松措施，如準確施加預(yù)應(yīng)力、采取機械措施防松、采用沖點、膠粘螺栓和螺母、使用自鎖防松螺母等方法。因此，當對螺栓采取防松措施時，必須從根本上了解螺栓的各方面性能。
2 常用螺栓分類及目前的施工、防松措施
從螺栓的受力機理來看，可以將螺栓分為四種類型：普通螺栓、高聳結(jié)構(gòu)中承受振動荷載的高強度普通螺栓、高強螺栓、承受拉壓交變荷載的高強螺栓。普通螺栓一般直接承受拉力或者剪力，用于非重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接中，以往認為螺栓施工中只需擰緊即可。但目前電力系統(tǒng)和塔桅鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)程中已對“擰緊”給出了相對準確的扭矩值要求。第二種螺栓常用于高聳結(jié)構(gòu)中的塔柱法蘭，承受拉力，且結(jié)構(gòu)承受一定的振動。第三種高強螺栓的受力為先對其施加預(yù)拉力，然后在被連接件之間的接觸面上產(chǎn)生摩擦阻力來承受剪力或減少其預(yù)壓力來受拉力。一般用于梁構(gòu)件等重要的工業(yè)及民用建筑中，此種螺栓一般采用扭矩法施工，螺栓依靠螺紋之間壓緊產(chǎn)生的摩擦力進行防松。螺栓采用高強度普通螺栓，螺栓不施加預(yù)拉力，但需擰緊，并且采用雙螺母防松。第四種螺栓為承受拉壓交變的螺栓，這種螺栓一般同時承受疲勞荷載，需要施加預(yù)拉力，并且對防松要求很高，常見于風力發(fā)電塔筒的連接法蘭。
第一種普通螺栓的緊固力矩達到規(guī)范規(guī)定值時螺栓一般就不會松動。高聳結(jié)構(gòu)中承受一定振動荷載的高強度普通螺栓防松效果良好。例如2000年落成的336m高的黑龍江電視塔塔柱未發(fā)現(xiàn)螺栓松動現(xiàn)象。橋梁結(jié)構(gòu)中的高強螺栓防松效果也非常好。但是對于第四種螺栓防松效果卻顯示出了明顯的不足。在風力發(fā)電領(lǐng)域，風機運行過程中用力矩扳手檢查螺栓預(yù)緊力已成為風電場定期維護的一項重要內(nèi)容，這耗費大量的人力物力。
3 承受拉壓交變荷載螺栓施工、防松措施
對于第四種風力發(fā)電塔筒中承受拉壓交變荷載的螺栓，同時承受疲勞荷載。傳統(tǒng)的法蘭形式為厚型鍛造法蘭，這種法蘭的優(yōu)點就是焊縫少，螺栓長，抗疲勞 性能好，法蘭剛度大。然而這種法蘭也有其自身的缺點：造價太高，制造耗能大，端面要銑平， 材料用量大，螺孔偏差不易處理。大量靠進口，仍有螺栓松動問題，每年都需檢測維護。而且定期的維護并不能完全保證連接的可靠，高強螺栓反復(fù)緊固會引起螺紋晶相組織發(fā)生變化，由于扭矩系數(shù)的增大而達到規(guī)范規(guī)定的扭矩卻達不到規(guī)范規(guī)定的預(yù)拉力。為了達到預(yù)拉力而過分加大扭矩以致螺栓在外力作用下產(chǎn)生塑性變形甚至斷裂。一旦關(guān)鍵部位的螺栓因松動而失效，有可能造成巨大的損失。
分析認為導致螺栓松動的原因有以下三點：一是螺栓防腐蝕方法，一般采用涂達克羅防腐，但是這樣會導致螺栓扭矩系數(shù)不合格。因此工程中再采用涂二硫化鉬來降低扭矩系數(shù)。但是這樣做會使螺栓螺紋摩擦系數(shù)減半，螺栓自鎖能力降低；二是這種螺栓一般采用扭矩法施工，由于扭矩法是通過擰緊給螺栓施加預(yù)拉力，這一過程中螺栓發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，其內(nèi)部存了扭矩，當施工完成撤除外扭矩后，螺栓內(nèi)將儲存一部分的扭轉(zhuǎn)彈性勢能，也就是反彈扭矩。三是在風荷載作用下，背風面螺栓的拉力減少，螺紋表面上壓力減小，阻止螺栓松動的摩擦力矩小于反彈扭矩后，螺栓會產(chǎn)生松動。當螺栓產(chǎn)生松動后，高強螺栓變成了普通螺栓，在風荷載作用下，螺栓的疲勞應(yīng)力幅會顯著提高，螺栓的應(yīng)力幅抵抗全部外力彎矩作用。而緊固狀態(tài)高強螺栓的拉力公式為：
圖1 螺栓受力示意圖(螺栓防松措施)
由此可見，當 面積很小時，螺桿的拉力就會增大。傳統(tǒng)的厚型法蘭板表面并非全接觸，在最初安裝時保證邊緣接觸（圖2a）。當塔筒受彎時，受拉側(cè)的法蘭板邊緣脫開后（圖2b）螺栓的拉力由P 變成(a+b)P/b ，受力按柔性法蘭見GB50135-2006《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》5.9.4條。同普通螺栓。因此疲勞應(yīng)力幅增大。
圖2 厚型法蘭受力示意(螺栓防松措施)
為了避免法蘭變成“柔性法蘭”而使螺栓拉力增大一倍，故把法蘭構(gòu)造成外密和內(nèi)松動形狀（如圖2a），但這又使得法蘭基礎(chǔ)面Ac減少，所以疲勞應(yīng)力幅增大。特別是螺栓松動以后，疲勞應(yīng)力幅增大。螺栓長時間承受疲勞荷載之后會發(fā)生逐個斷裂。圖3、圖5為螺栓斷裂后的圖片。因此有效解決螺栓的松動問題是非常必要的。
圖3 厚型法蘭塔筒螺栓斷裂后整體倒塌圖片(螺栓防松措施)
圖4 斷裂在塔筒平臺上的螺栓
圖5 螺栓斷裂圖(螺栓防松措施)
4 新型施工及防松措施
針對拉壓交變荷載作用下的法蘭螺栓，必須從根本上消除使螺栓產(chǎn)生松動的內(nèi)因。目前用于風力發(fā)電塔筒內(nèi)的反向平衡法蘭可以有效地解決這一問題。反向平衡法蘭和一般剛性法蘭與加勁板的連接關(guān)系相反，加勁板在前，法蘭板在后，不增加大法蘭板厚度即可增加螺栓長度，從而方便螺栓施加預(yù)緊力和控制預(yù)緊力的大小。 反向平衡法蘭在加勁板的鋼管向心側(cè)加設(shè)的一段“平衡面”，設(shè)計時合理調(diào)節(jié)平衡面大小和力臂長度，可減小螺栓預(yù)緊力對管壁的彎矩作用，使得加勁板和筒壁的焊縫只承受剪力。從而減小加勁板和筒壁之間焊縫的受力，減小筒壁環(huán)向拉力。此種法蘭螺栓之所以能夠防松原因首先是這種螺栓的螺桿比傳統(tǒng)的鍛造法蘭的螺桿增長了50%，存儲了更多的彈性應(yīng)變能防松；其次此種螺栓采用直接張拉法施工，因此不存在產(chǎn)生松動的內(nèi)因——反彈扭矩；最后，此種法蘭由于不施加扭矩，因此不必測扭矩系數(shù)，不用涂二硫化鉬，因此螺紋的摩擦系數(shù)與傳統(tǒng)的鍛造法蘭螺栓相比加倍。
圖6 反向平衡法蘭示意圖
圖7 反向平衡法蘭現(xiàn)場圖片(螺栓防松措施)
首臺采用反向平衡法蘭的風機塔筒到目前已經(jīng)運行了三年半的時間，對螺栓進行檢測時，未發(fā)現(xiàn)螺栓松動問題。同時，經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)力實測表明，在相同時段內(nèi)同一風速條件下，反向平衡法蘭的疲勞應(yīng)力幅僅為傳統(tǒng)鍛造法蘭疲勞應(yīng)力幅的1/3~1/5，螺栓的應(yīng)力波動相比也較小。說明在螺栓受軸向荷載作用下，方向平衡法蘭具有更好的防松性能及抗疲勞性能。
5 結(jié) 論
本文分析了四種常用螺栓的受力機理，針對不同類型的螺栓，應(yīng)采取不同的防松措施。重點分析了承受拉壓交變荷載作用的風機塔筒法蘭螺栓，分析了使螺栓產(chǎn)生松動的原因，并且對比了新老法蘭的螺栓防松性能。提出新型塔筒法蘭——反向平衡法蘭具有很好的防松性能，為設(shè)計及施工人員提供參考。
參考文獻
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[2] 孔祥偉，孫瑞瑞，王宗瑜，高強螺栓松動原因分析，山西建筑，2009
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