塔吊高強(qiáng)度螺栓的預(yù)緊力及重復(fù)使用分析

1、塔吊高強(qiáng)度螺栓的預(yù)緊力及重復(fù)使用分析【摘要】鋼結(jié)構(gòu)工程的重要性已越來越被業(yè)內(nèi)人士所認(rèn)同，它關(guān)系到鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命。本文就鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓的施工質(zhì)量與扭矩系數(shù)、摩擦系數(shù)、長度的關(guān)系進(jìn)行了說明。高強(qiáng)度螺栓在安裝前需復(fù)檢， 以及安裝工藝流程和儲運(yùn)、保管等三個方面作了闡述通過對塔式起重機(jī)（以下簡稱塔吊）塔身連接的高強(qiáng)度螺栓連接副的受力分析，得出預(yù)緊力的重要性，然后又介紹兩種控制高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊力的方法，得出高強(qiáng)度螺栓重復(fù)使用次數(shù)不得超過2次的原由。關(guān)鍵詞：高強(qiáng)度螺栓；預(yù)緊力；扭矩法；轉(zhuǎn)角法一、引言目前，無論是大容量發(fā)電機(jī)組的爐架和主廠房，還是大型的塔吊、門吊等起重設(shè)備，或者是越來越多的大型廠房、橋梁等均

2、采用鋼結(jié)構(gòu)，因鋼結(jié)構(gòu)以其施工周期短、使用壽命長、 收益快等特點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)中占有較大一席之地，前景可觀。鋼結(jié)構(gòu)要形成一個穩(wěn)固的框架整體，用高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行連接是現(xiàn)在目前采用較多的連接形式。特別是現(xiàn)在大型燃煤電站 鍋爐，無論是200 MW 機(jī)組，還是1 000 MW 機(jī)組，都采用全鋼架結(jié)構(gòu)，來承載受熱面。 鋼結(jié)構(gòu)主要用高強(qiáng)度螺栓副進(jìn)行連接，故高強(qiáng)度螺栓的施工質(zhì)量就對鋼結(jié)構(gòu)受力、鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)壽命而言，就顯得非常重要。下面主要就高強(qiáng)度螺栓在電站鍋爐鋼結(jié)構(gòu)中的施工質(zhì)量與 各位同仁進(jìn)行探討。高強(qiáng)度螺栓連接方式由于其對于被連接件制作精度要求低，連接方便、 成本低廉而廣泛應(yīng)用于中小型塔式起重機(jī)的塔身連接上。但

3、由于施工安裝人員缺乏對該種連接方式的認(rèn)識，往往不按規(guī)定控制預(yù)緊力，而只將高強(qiáng)度螺栓如普通螺栓一般多次重復(fù)使用， 高強(qiáng)度螺栓并未起高強(qiáng)度螺栓的真正作用。二、高強(qiáng)度螺栓的發(fā)展、特點(diǎn)和分類高強(qiáng)度螺栓連接是繼鉚接、焊接之后發(fā)展起來的一種新型鋼結(jié)構(gòu)連接形式。其特點(diǎn)是施工方便，可拆可換、傳力均勻、接頭剛性好，承載能力大，疲勞強(qiáng)度高，螺母不易松動，結(jié) 構(gòu)安全可靠。按連接形式可分為摩擦連接和承壓連接；按種類可分為大六角頭高強(qiáng)度螺栓和扭剪型高強(qiáng)度螺栓。大六角頭高強(qiáng)度螺栓也可叫扭矩型高強(qiáng)度螺栓，特點(diǎn)是依靠施工扳手來控制螺栓、螺母的緊固扭矩；扭剪型高強(qiáng)度螺栓是在普通大六角頭高強(qiáng)度螺栓的基礎(chǔ)上發(fā) 展起來的，螺頭和鉚釘

4、相仿，特點(diǎn)是在絲扣端頭設(shè)置了控制緊固扭矩的梅花卡頭和環(huán)形切口。國電九江三期發(fā)電廠 2 X 350 MW 機(jī)組就是用的是大六角頭高強(qiáng)度螺栓，是承壓連接；豐城發(fā)電廠4X 300 MW 機(jī)組、華能井岡山發(fā)電廠 2X 300 MW 機(jī)組、華能山西榆社發(fā)電廠2X 300 MW 機(jī)組，以及目前江西省內(nèi)在建的中電投江西新昌2X 660 MW 超超臨界機(jī)組，華能井岡山發(fā)電廠 2X 660 MW 超超臨界機(jī)組用的都是剪型高強(qiáng)度螺栓，是摩擦連接。三、高強(qiáng)度螺栓的扭矩系數(shù)、長度、摩擦系數(shù)與施工質(zhì)量的關(guān)系本文從分析預(yù)緊力對高強(qiáng)度螺栓連接的重要性入手，結(jié)合工程實(shí)際，得出預(yù)緊力的重要性，然后又介紹兩種控制高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊力

5、的方法，得出高強(qiáng)度螺栓重復(fù)使用次數(shù)不得超過2次的原因。在施工現(xiàn)場使用中， 經(jīng)常會出現(xiàn)如下現(xiàn)象：使用生銹的螺栓、螺母與墊圈；絲扣損壞后用銼刀修復(fù)一下繼續(xù)使用；在螺桿上涂黃油使用； 螺栓粘有臟物的沒有清理干凈也照常使用； 以長代短；連接板上浮銹、油污、油漆不進(jìn)行清理干凈進(jìn)行連接。如果認(rèn)為這些現(xiàn)象對施工質(zhì)量沒有關(guān)系，那是錯誤的，是沒有任何科學(xué)依據(jù)。下面就從摩擦系數(shù)、 扭矩系數(shù)、長度三個方面與施工質(zhì)量的關(guān)系進(jìn)行分析。高強(qiáng)度螺栓連接按其受力狀況，可分為兩種類型，一種是只受預(yù)緊力作用的螺栓連接，這種螺栓連接靠螺栓預(yù)緊力在被連接件結(jié)合面產(chǎn)生的磨擦力傳遞工作載荷；另一種是承受預(yù)緊力和工作載荷的緊螺栓連接，工作

6、時受力情況比較復(fù)雜，應(yīng)從分析螺栓連接的受力和變形 關(guān)系入手，求出螺栓總拉力的大小。 塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間的連接屬于承受預(yù)緊力和工作載荷的緊 螺栓連接，是利用緊固螺栓時產(chǎn)生在構(gòu)件間的壓力進(jìn)行應(yīng)力傳遞的。圖1為高強(qiáng)度螺栓副擰緊之前、施加預(yù)緊力后和在工作載荷作用下的變形和結(jié)合面受力簡圖。圖1a表示螺母剛好擰到與被連接件相接處，但尚未擰緊。此時螺栓與被連接件都不受力，因此也不發(fā)生變形。圖1b是螺母已擰緊，但尚未承受工作載荷。 此時螺栓承受預(yù)緊力 FP的拉伸作用，其伸長量為1。相反被連接件在預(yù)緊力Fp的作用下，其壓縮量為2。圖1c是承受工作載荷時的情況。此時螺栓承受的工作載荷為F。若螺栓和被連接件是在彈性變形

7、范圍內(nèi)，則兩者的受力及變形關(guān)系符合胡克定律。當(dāng)螺栓承受拉力F后，其伸長量增加.，總伸長量為 。根據(jù)連接件的變形協(xié)調(diào)條件，則被連接件將會放松，其壓縮變形的減小量應(yīng)等于螺栓拉伸變形的增加量。因此總壓縮量為 2 -厶。被連接件的壓縮力由Fp減至Fp, Fp即為螺栓上的殘余預(yù)緊力。圖1d是螺栓所受工作載荷過大或者預(yù)緊力過小的情況，被連接件的結(jié)合面相互分離。在實(shí)際應(yīng)用中，此種情況是不允許出現(xiàn)的。3#Fp*Fa)開始擰緊b)擰緊后c)受工作載荷時d）工作載荷過大時#圖1、承受預(yù)緊力和工作載荷的高強(qiáng)度螺栓連接圖2是螺栓和被連接件的受力和變形關(guān)系圖，前提條件是工作載荷要小于預(yù)緊力，被連接件的結(jié)合面不允許分離，

8、而且各個材料都在強(qiáng)度允許的范圍內(nèi)沒有產(chǎn)生塑性變形。由圖可得:螺栓的剛度:G = tan i Fp被連接件的剛度：c2 =ta門出二F、2在連接尚未承受工作載荷 F時，螺栓和被連接件的受力均等于預(yù)緊力Fp ；當(dāng)連接件承受工作拉力F時，螺栓的總拉力為 F0，相應(yīng)的總伸長量為1 ，被連接件的壓縮力等于殘余預(yù)緊力FP ,相應(yīng)的總壓縮量為2 -，由圖2可以得出:F。二 Fp F(1)螺栓的總拉力Fo、預(yù)緊力Fp及殘余預(yù)緊力Fp之間的關(guān)系可由圖2中的幾何關(guān)系推出:Fp = Fp(F - F):一: tan 齊 c,F - F : tamC2或 二 F = CCi +C2(3)#將式（3）代入式（2）得螺栓

9、預(yù)緊力為:#GC2FP 二 FP (11 )F 二 FP2FCc * C2Cc + C2螺栓的總拉力為:GF0 =F P亠 F =F P - FG +c2(5)式（1）和（5）是螺栓總拉力的兩種表達(dá)形式。用式（1）計(jì)算螺栓總拉力時，為保證連接的緊密性，以防止受載后結(jié)合面產(chǎn)生縫隙，應(yīng)使連接有緊密性要求的殘余預(yù)(6)24(6)2#緊力推薦值為（1.51.8）F。b） a中兩圖合并圖2、螺栓和被連接件的力與變形關(guān)系a）擰緊后(6)2#(6)2#在式（5）中 為螺栓的相對剛度，其大小與螺栓和被連接件的結(jié)構(gòu)尺寸、材料及CC2墊片、工作載荷的位置等因素有關(guān)，其值在01之間變化。為了降低螺栓的受力， 提高螺

10、栓 連接的承載能力，應(yīng)使一匚值盡量小些。一般被連接鋼板之間所用墊片為金屬墊片或無C1+C2墊片時，的取值為0.20.3。C1+C2若承受變載荷，工作載荷在F1和F2之間變化，則螺栓的總拉力在F01和F02之間變化,如圖3所示。在危險界面上，螺栓受的最大拉應(yīng)力為maxF 02：d12 4，最小拉應(yīng)力為匚min(6)2#(6)2#受變載荷的螺栓大多為疲勞破壞，而應(yīng)力幅是影響疲勞強(qiáng)度的主要因素。應(yīng)力幅為:二 max 一 二 min(F02 -巴1)2a2 4(6)2#(6)2#將式（5）代入式（6）得:(6)2#(F2 -Fi) 2二 d； 4十a(chǎn)(7)式中叮a為螺栓的許用應(yīng)力幅，MPa，見表1。由

11、表1可見，螺栓受軸向載荷控制預(yù)緊力設(shè)計(jì)時的安全系數(shù)比不控制預(yù)緊力設(shè)計(jì)時的安全系數(shù)小的多。也就是說如果設(shè)計(jì)時按照精 確控制預(yù)緊力來設(shè)計(jì)螺栓連接，螺栓的許用應(yīng)力都要比按不控制預(yù)緊力設(shè)計(jì)的螺栓連接的許用應(yīng)力小的多。如果設(shè)計(jì)時按照精確控制螺栓連接的預(yù)緊力來設(shè)計(jì)，而裝配時又沒有精確控制預(yù)緊力的大小，此時螺栓連接就不僅沒有達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，螺栓的連接強(qiáng)度也不能滿足使 用要求，這也就是現(xiàn)在裝配塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接的高強(qiáng)度螺栓時普遍存在的問題。力h圖3、工作載荷變化時螺栓拉力的變化表1:受軸向載荷的緊螺栓連接的許用應(yīng)力螺栓的受載荷情況許用應(yīng)力不控制預(yù)緊力時的安全系數(shù)S控制預(yù)緊 力時的安 全系數(shù)S變載材料M6M16M1

12、6M30M30M60不分直徑按最大應(yīng) 力TS碳鋼12.58.58.58.512.51.21.5合金鋼106.86.86.810三、如何精確控制高強(qiáng)度螺栓連接預(yù)緊力的方法1、扭矩法扭矩控制法和螺母轉(zhuǎn)角法是高強(qiáng)度螺栓常用的緊固方法。扭矩法是以擰緊扭矩與預(yù)緊力的關(guān)系為依據(jù)的。M二kFP式中：d1為螺紋公稱直徑k為扭矩系數(shù)扭矩法就是將連接副的扭矩系數(shù)當(dāng)做定值，通過控制擰緊扭矩從而控制預(yù)緊力的一種緊固方法。這種方法必須以扭矩系數(shù)保持定值為前提，否則即便擰緊扭矩施加得很精確也無法得到精確的預(yù)緊力，但重復(fù)使用后螺栓的扭矩系數(shù)必然發(fā)生變化。緊固件的銹蝕、溫度、濕度和潤滑等情況都將影響扭矩系數(shù)，重復(fù)擰緊時螺栓副

13、的摩擦表面被磨光會導(dǎo)致摩擦系數(shù)下 降，有關(guān)資料表明，扭矩系數(shù)隨重復(fù)擰緊次數(shù)的增加而降低。正是由于扭矩系數(shù)的這種不穩(wěn)定性，多次重復(fù)使用高強(qiáng)度螺栓容易造成要么預(yù)緊力不足，要么預(yù)緊力過大甚至將螺栓擰斷。除非能確切地掌握扭矩系數(shù)的變化值，從而相應(yīng)地調(diào)整擰緊扭矩的大小，才能精確地控制預(yù)緊力，只有在這種情況下，多次重復(fù)使用才是可行的。顯然，在絕大多數(shù)塔吊使用和安裝單位中是不會也不能確切地掌握每套高強(qiáng)度螺栓副的扭矩系數(shù)的。2、轉(zhuǎn)角法擰緊螺母時，螺母轉(zhuǎn)過的角度和螺栓的預(yù)緊力有一定的關(guān)系，所以，可以用螺母轉(zhuǎn)角的大小來控制預(yù)緊力。采用轉(zhuǎn)角法緊固時，先轉(zhuǎn)動螺母到螺栓的預(yù)緊力超過A點(diǎn)，稱為初擰，初擰一般采用扭矩法，扭

14、矩一般為額定扭矩的50%，初擰后可以消除板縫影響，使板層達(dá)到密貼程度。而后進(jìn)行終擰，終擰是以A點(diǎn)作為起始位置，再將螺母擰轉(zhuǎn)一定角度，此時螺栓的軸力超過點(diǎn) V到達(dá)塑性區(qū)域。如圖 4所示，由于在yM之間的塑性區(qū)域，螺母轉(zhuǎn)角 存在誤差時所產(chǎn)生的螺栓力變化很小，如圖4中1區(qū)域，這就為獲得預(yù)定的預(yù)緊力提供了保障，也就是說施工時螺母的擰緊程度誤差幾乎不引起預(yù)緊力的誤差。而在V點(diǎn)之前，同樣大小的螺母轉(zhuǎn)角誤差所產(chǎn)生的螺栓力變化很大，如圖4中2區(qū)域，所以，擰緊在這個區(qū)域是不合適的，因?yàn)槭┕さ臄Q緊程度誤差會引起較大的預(yù)緊力誤差。以轉(zhuǎn)角法精確控制螺栓預(yù)緊力是以引起超過彈性極限的螺栓軸力為前提的，這種情況下，重復(fù)使用高強(qiáng)度螺栓是不適當(dāng)?shù)模驗(yàn)橹貜?fù)擰緊積累的塑性變形已使其不再有足夠的變形能力可以來承受在初拆后額外施 加的擰緊力，即其擰緊能力急劇下降了。GMQ一 & 仗 螺母轉(zhuǎn)角第一次擰緊第二次擰緊如圖4、螺母轉(zhuǎn)角與螺栓預(yù)緊力關(guān)系四、結(jié)論綜上所述，無論是扭矩法還是轉(zhuǎn)角法緊固高強(qiáng)度螺栓，均存在重復(fù)使用多次后預(yù)緊力不能精確控制而使連接可靠性和安全性下降的危險，這正是JG/T5057.40 1995建筑機(jī)械與設(shè)備高強(qiáng)度緊固件技術(shù)條件規(guī)定高強(qiáng)度螺栓重復(fù)使用次數(shù)不得超過2次的原由。有