高強度螺栓在江陰長江大跨越鐵塔設(shè)計中的應(yīng)用

1、.高強度螺栓在江陰長江大跨越鐵塔設(shè)計中的應(yīng)用劉滬昌 楊元春（華東電力設(shè)計院 上海 200063）【摘要】500kV江陰長江大跨越鐵塔的設(shè)計荷載特別巨大，構(gòu)件和節(jié)點連接全部采用了8.8級高強度螺栓。本文結(jié)合大跨越鐵塔設(shè)計，對高強度螺栓的選擇、緊固扭矩值的確定、螺栓的質(zhì)量檢驗、螺栓的剪切試驗等情況做了比較詳細的論述?！娟P(guān)鍵詞】江陰長江大跨越 高強度螺栓 緊固扭矩 剪切試驗500kV江陰長江大跨越工程全長3703m，單跨長度2303m，由兩基總高346.5m的雙回路跨越塔和四基高度55m的單回路干字型耐張塔組成。由于跨越塔高度位居世界第一，設(shè)計荷載特別巨大，為了滿足構(gòu)件和節(jié)點連接的強度要求，同時達到

2、減小節(jié)點板尺寸，降低結(jié)構(gòu)風荷載的目的，跨越塔設(shè)計中全部采用了8.8級的高強度螺栓。目前，我國正在大力研究和設(shè)計1000kV特高壓輸電線路，鐵塔的設(shè)計荷載較500kV有了大幅度提高，結(jié)構(gòu)也更加大型化，采用高強度螺栓已成必然趨勢。作者結(jié)合江陰大跨越設(shè)計，對高強度螺栓的選擇、緊固扭矩值的確定、螺栓質(zhì)量的控制、以及螺栓剪切試驗的情況作如下介紹，希望能夠起到拋磚引玉的作用。1高強度螺栓的選擇鐵塔連接使用的螺栓有普通螺栓和高強度螺栓之分。普通螺栓一般抗拉強度和屈強比都比較低，加工、成型、熱處理都比較方便，酸洗、熱鍍鋅過程中不太會出現(xiàn)氫脆等不良現(xiàn)象，因此，螺栓質(zhì)量比較容易得到保證。但是，普通螺栓的抗拉和抗剪

3、強度都比較低，如果用到構(gòu)件內(nèi)力特別巨大的江陰大跨越鐵塔結(jié)構(gòu)上，不僅螺栓數(shù)量太多，節(jié)點板的尺寸很大，增加了塔身風載，而且由于螺栓接頭很長，螺栓受力將很不均勻，可能會導(dǎo)致節(jié)點連接“解扣破壞”。因此，普通螺栓很難滿足大跨越鐵塔設(shè)計的要求。隨著我國鋼材冶煉和機械加工水平的迅速提高，建筑鋼結(jié)構(gòu)已比較廣泛采用高強度螺栓。高強度螺栓有摩擦型和承壓型兩種型式，由于輸電鐵塔均采用熱鍍鋅防腐，連接面之間較難進行表面處理，所以跨越塔采用承壓型螺栓比較適合。高強度螺栓的最大優(yōu)點是抗拉和剪切強度很高，連接螺栓的數(shù)量可以大幅減少，縮小了節(jié)點尺寸，減少了塔身風載，保證螺栓受力的均勻性。但是，由于強度很高，保證螺栓質(zhì)量的難度

4、相應(yīng)增大，特別是在酸洗、熱鍍鋅過程中容易出現(xiàn)氫脆等不良現(xiàn)象，可能對鐵塔結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生隱患。為了確保大跨越塔的安全可靠性，對國內(nèi)外高強度螺栓的強度等級和使用情況專門進行了調(diào)查與分析。調(diào)查分析情況見表1。各國高強度螺栓使用情況一覽表表1 國名標準名稱螺栓類別強度等級屈服點（MPa）抗拉強度（MPa）中國GB/T 3098.12000GB/T 3098.12000GB/T 3098.120008.89.810.98.89.810.96407209008009001000美國ASTM A325ASTM A490A325A4908.810.96208808441055德國DIN26710K10.9900

5、10001200日本JISB1861979F8TF10TF11T8.810.912.964090095080010001000120011001300ISOISO 89818.89.810.98.89.810.96407209008009001000上表顯示高強度螺栓已在世界鋼結(jié)構(gòu)建筑行業(yè)內(nèi)廣泛使用，各國都制定了相應(yīng)的技術(shù)標準，強度等級通常為8.8級12.9級。但是，對于高強度螺栓的熱鍍鋅問題一直受到業(yè)內(nèi)專家的關(guān)注，特別是鍍鋅高強度螺栓的適用性問題，更加引起有關(guān)專家的重視。美國John W.Fisher和John H.A.Struik合著的“螺栓和鉚釘設(shè)計準則指南”一書對此作了專門研究，并明確

6、指出：“雖然鍍鋅能對螺栓抗腐蝕有很好的保護，但是會增加應(yīng)力腐蝕和氫應(yīng)力裂紋的敏感性。特別是用于鍍鋅的A490螺栓。所以，結(jié)論是鍍鋅的A490螺栓不應(yīng)該在結(jié)構(gòu)物上使用”。上述美國A490螺栓的強度等級相當于10.9級。江陰大跨越鐵塔在選擇螺栓時充分注意到螺栓專家的結(jié)論意見，同時考慮到國內(nèi)生產(chǎn)10.9級鍍鋅螺栓的經(jīng)驗非常缺乏，而且在工程使用中曾發(fā)生過斷裂事故，決定選用強度等級較高，生產(chǎn)和使用經(jīng)驗較多，質(zhì)量比較可靠的8.8級高強度螺栓。2緊固扭矩值的確定輸電鐵塔螺栓緊固扭矩的大小，一方面關(guān)系鐵塔連接部件之間的緊密程度，另一方面直接影響螺栓的受力狀態(tài)和承載力。扭矩太小，連接件之間不能緊密接觸，鐵塔整體

7、變形和剛度都將受到影響；扭矩太大，螺栓抗剪的能力將降低，嚴重時螺栓將被擰斷，特別是出現(xiàn)隱性裂紋時很難發(fā)現(xiàn)，將給鐵塔強度留下很大隱患。因此，選擇一個合理的緊固扭矩值非常必要，對確?？缭剿陌踩涂煽啃源笥泻锰?。我國“110500kV架空電力線路施工及驗收規(guī)范”規(guī)定的螺栓緊固扭矩標準見表2。螺栓緊固扭矩標準表2 螺栓規(guī)格扭矩值（N.cm）M124000M168000M2010000M2425000但是，表2的扭矩值主要適用于4.8級螺栓，按驗收規(guī)范要求，更高級別的螺栓扭矩值要由設(shè)計規(guī)定。為科學合理確定螺栓的緊固扭矩，對各國有關(guān)螺栓緊固扭矩標準進行了調(diào)查，相關(guān)情況見表3。各國螺栓緊固扭矩標準表3 單

8、位：N.cm螺 栓 規(guī) 格意 大 利美 國加 拿 大M124200400060005500M161060080001000011000M2020600135002000016500M2435600325004600034500表3給出的歐美國家的螺栓緊固扭矩值明顯高于我國。根據(jù)美國螺栓專家的研究，螺栓的剪切承載力與同時作用在螺栓上的拉力大小有關(guān)，根據(jù)試驗資料，螺栓剪切承載力與拉力的關(guān)系如圖1所示：圖1 螺栓剪切承載力與抗拉承載力關(guān)系圖上圖顯示，當螺栓作用的拉力小于40抗拉強度時，剪切承載力降低的幅度比較小，當拉力大于40抗拉強度時剪切承載力降低的速率逐步加大，當拉力大于60抗拉強度，剪切承載力

9、迅速下降。江陰大跨越鐵塔8.8級高強度螺栓，開始時參考歐美國家的標準，推薦了表4的螺栓緊固扭矩值。這個數(shù)值比我國輸電線路驗收規(guī)范規(guī)定的4.8級螺栓的緊固扭矩值有較大幅度的提高。推薦的螺栓緊固扭矩值表4 螺 栓 規(guī) 格扭 矩 值 （N.cm）M161060015900M201650024750M243450051750M304500067500為了驗證螺栓在推薦緊固扭矩下，螺栓中出現(xiàn)的拉力是否小于40的抗拉強度，在上海高強度螺栓廠，按照推薦值的上限和下限值分別進行了螺栓扭矩試驗，試驗結(jié)果見表5。螺栓扭矩、拉力試驗數(shù)據(jù)表表5 試 件 號螺栓拉力值（kN）M16M20M24M30扭矩值N.cm扭矩值

10、N.cm扭矩值N.cm扭矩值N.cm1060015900165002475034500517504500067500150766186871339213224964558894134741273425961979714996136平均值47.066.359.090.392.6138.687.3131.6規(guī)范8.8級螺栓抗拉強度125203293466拉力/抗拉強度37.653.02944.531.646.618.728.2從試驗結(jié)果分析，推薦的M16、M20、M24的扭矩值上限值稍許偏高，螺栓中的拉力值超過了抗拉強度的40，為此對扭矩值的上限作了適當調(diào)整，調(diào)整后用于工程的螺栓扭矩值見表6。采用

11、調(diào)整后的緊固扭矩值，在鐵塔安裝檢測和驗收中沒有發(fā)現(xiàn)螺栓被擰斷和出現(xiàn)裂縫的現(xiàn)象，鐵塔構(gòu)件之間的接觸比較緊密，保證了工程質(zhì)量。工程實際使用的螺栓緊固扭矩值表6 螺栓規(guī)格扭矩值（N.cm）M161060014500M201650021000M243450041500M3045000540003 高強度螺栓的檢驗高強度螺栓，特別是鍍鋅高強度螺栓，在酸洗、鍍鋅過程中比較容易產(chǎn)生氫脆等質(zhì)量缺陷，直接威脅到鐵塔連接和結(jié)構(gòu)強度的安全性和可靠性。為了保證高強度螺栓的質(zhì)量，根據(jù)國際緊固件標準ISO 898和我國標準GB90緊固件驗收檢查，標志與包裝的有關(guān)規(guī)定，要求江陰大跨越塔使用的高強度螺栓必須按供貨批次進行硬度

12、、楔負載、保載和鍍層厚度等試驗。每批試驗的樣本數(shù)量為6個，試驗必需在具有試驗資質(zhì)的第三方的實驗室內(nèi)進行。經(jīng)與供貨商和螺栓制造廠反復(fù)磋商，最終選擇上海市緊固件和焊接材料技術(shù)研究所檢測中心作為江陰大跨越高強度螺栓的第三方檢測單位。大跨越使用的8.8級螺栓的硬度、楔負載、保載和鍍層厚度試驗的結(jié)果見表7。檢測結(jié)果全部符合質(zhì)量標準的要求。高強度螺栓檢測試驗結(jié)果表7 檢驗項目螺栓規(guī)格標準規(guī)定檢測結(jié)果硬度試驗（HRC）M16223232.031.531.532.032.032.0M20233431.532.030.031.032.031.5M24233431.531.532.029.531.031.5M30

13、233429.028.031.028.028.028.5楔負載試驗（kN）M16126144136138140140144M20203234230232238236236M24293364370376370370372M30466490498494500496498保載試驗（mm）M16不大于12.5233121M20233224M24533452M30423122鍍層厚度（mm）M1663807580808585M20807580808585M24757880807885M30757578788078高強度螺栓的檢查對保證鐵塔的質(zhì)量和安全至關(guān)重要。在已建的500kV鐵塔施工中已經(jīng)發(fā)生過多次螺

14、栓斷裂的質(zhì)量事故，主要原因是原材料存在質(zhì)量缺陷和加工工藝控制不當，出廠前沒有在第三方進行質(zhì)量抽樣檢驗，造成了較為嚴重的后果。由于江陰大跨越螺栓在出廠前進行了質(zhì)量抽樣檢驗，當其他工程出現(xiàn)螺栓質(zhì)量事故后，對江陰大跨越施工工地的螺栓進行了隨機抽樣復(fù)檢時，所有測試結(jié)果全部合格，保證了江陰大跨越的工程質(zhì)量。4 高強度螺栓的剪切試驗我國的緊固件驗收標準中，對螺栓的剪切強度沒有檢測要求。但是，在美國輸電鐵塔螺栓標準A394中，規(guī)定應(yīng)按供貨按批次進行螺栓剪切強度試驗?？紤]到江陰大跨越的重要性，在鐵塔招標文件中提出了對螺栓進行剪切試驗的要求。經(jīng)與供應(yīng)商和螺栓制造廠商定，螺栓的剪切試驗在上海同濟大學實驗室進行。試

15、驗規(guī)格包括M16，M20，M24，M30等四種直徑，每種規(guī)格各有3個試件，試驗結(jié)果見表8。從試驗結(jié)果看出，實際供應(yīng)的螺栓抗剪切強度均能夠滿足設(shè)計要求，而且有較大的安全儲備。螺栓剪切試驗數(shù)據(jù)表表8 螺栓規(guī)格螺栓面積（mm2）極限承載力（kN）極限強度（MPa）理論值試驗值理論值試驗值M161201.019925123949662459422526273213530M201314.031138037560559823806053366583M241452.244961459467965625846453584645M301706.570188885762860628445973838593注：表8為雙剪試驗數(shù)據(jù)。5 結(jié)論在江陰大跨越鐵塔設(shè)計中，通過對高強度螺栓的全面調(diào)查和論證，選擇8.8級高強度螺栓是比較合理的。8.8級螺栓一方面具有較高的設(shè)計強度，可以有效減小節(jié)點尺寸和結(jié)構(gòu)自身的風荷載；另