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螺栓防松措施分析

作者:呂兆華 馬人樂     
時(shí)間:2013-08-06 10:57:09 [收藏]
本文根據(jù)螺栓的受力機(jī)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(dòng)的高強(qiáng)度普通螺栓、高強(qiáng)螺栓、風(fēng)力發(fā)電塔筒內(nèi)承受拉壓交變的高強(qiáng)螺栓四種類型。
    關(guān)鍵詞:螺栓防松措施

      要:本文根據(jù)螺栓的受力機(jī)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(dòng)的高強(qiáng)度普通螺栓、高強(qiáng)螺栓、風(fēng)力發(fā)電塔筒內(nèi)承受拉壓交變的高強(qiáng)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(qiáng)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

     

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    螺栓連接是機(jī)械工程、結(jié)構(gòu)工程等領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的節(jié)點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn),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(diǎn)、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(dòng)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(dòng)已成為鋼結(jié)構(gòu)連接的一個(gè)安全隱患。分析認(rèn)為,引起螺栓松動(dòng)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(shí)踐中,也提出了很多防松措施,如準(zhǔn)確施加預(yù)應(yīng)力、采取機(jī)械措施防松、采用沖點(diǎn)、膠粘螺栓和螺母、使用自鎖防松螺母等方法。因此,當(dāng)對螺栓采取防松措施時(shí),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(jī)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(dòng)荷載的高強(qiáng)度普通螺栓、高強(qiáng)螺栓、承受拉壓交變荷載的高強(qiáng)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(rèn)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(yàn)收規(guī)程中已對“擰緊”給出了相對準(zhǔn)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(dòng)。第三種高強(qiáng)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(jìn)行防松。螺栓采用高強(qiáng)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(shí)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(fēng)力發(fā)電塔筒的連接法蘭。

    第一種普通螺栓的緊固力矩達(dá)到規(guī)范規(guī)定值時(shí)螺栓一般就不會(huì)松動(dòng)。高聳結(jié)構(gòu)中承受一定振動(dòng)荷載的高強(qiáng)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(dòng)現(xiàn)象。橋梁結(jié)構(gòu)中的高強(qiáng)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(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域,風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中用力矩扳手檢查螺栓預(yù)緊力已成為風(fēng)電場定期維護(hù)的一項(xiàng)重要內(nèi)容,這耗費(fèi)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(fēng)力發(fā)電塔筒中承受拉壓交變荷載的螺栓,同時(shí)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(diǎn)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(diǎn):造價(jià)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(jìn)口,仍有螺栓松動(dòng)問題,每年都需檢測維護(hù)。而且定期的維護(hù)并不能完全保證連接的可靠,高強(qiáng)螺栓反復(fù)緊固會(huì)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(dá)到規(guī)范規(guī)定的扭矩卻達(dá)不到規(guī)范規(guī)定的預(yù)拉力。為了達(dá)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(dòng)而失效,有可能造成巨大的損失。

    分析認(rèn)為導(dǎo)致螺栓松動(dòng)的原因有以下三點(diǎn):一是螺栓防腐蝕方法,一般采用涂達(dá)克羅防腐,但是這樣會(huì)導(dǎo)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(huì)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(dāng)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(fēng)荷載作用下,背風(fēng)面螺栓的拉力減少,螺紋表面上壓力減小,阻止螺栓松動(dòng)的摩擦力矩小于反彈扭矩后,螺栓會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)。當(dāng)螺栓產(chǎn)生松動(dòng)后,高強(qiáng)螺栓變成了普通螺栓,在風(fēng)荷載作用下,螺栓的疲勞應(yīng)力幅會(huì)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(qiáng)螺栓的拉力公式為:

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    1 螺栓受力示意圖(螺栓防松措施)

    由此可見,當(dāng) 面積很小時(shí),螺桿的拉力就會(huì)增大。傳統(tǒng)的厚型法蘭板表面并非全接觸,在最初安裝時(shí)保證邊緣接觸(圖2a)。當(dāng)塔筒受彎時(shí),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(jì)規(guī)范》5.9.4條。同普通螺栓。因此疲勞應(yīng)力幅增大。

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     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(dòng)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(dòng)以后,疲勞應(yīng)力幅增大。螺栓長時(shí)間承受疲勞荷載之后會(huì)發(fā)生逐個(gè)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(dòng)問題是非常必要的。

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    3 厚型法蘭塔筒螺栓斷裂后整體倒塌圖片(螺栓防松措施)

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     斷裂在塔筒平臺上的螺栓

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    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(dòng)的內(nèi)因。目前用于風(fēng)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(jì)時(shí)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(dòng)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。

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    6 反向平衡法蘭示意圖

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    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(fēng)機(jī)塔筒到目前已經(jīng)運(yùn)行了三年半的時(shí)間,對螺栓進(jìn)行檢測時(shí),未發(fā)現(xiàn)螺栓松動(dòng)問題。同時(shí),經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)力實(shí)測表明,在相同時(shí)段內(nèi)同一風(fēng)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(dòng)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)

    本文分析了四種常用螺栓的受力機(jī)理,針對不同類型的螺栓,應(yīng)采取不同的防松措施。重點(diǎn)分析了承受拉壓交變荷載作用的風(fēng)機(jī)塔筒法蘭螺栓,分析了使螺栓產(chǎn)生松動(dòng)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(jì)及施工人員提供參考。

    參考文獻(xiàn)

    [1] 馬人樂,黃冬平,風(fēng)力發(fā)電事故分析及規(guī)避,特種結(jié)構(gòu),2010

    [2] 孔祥偉,孫瑞瑞,王宗瑜,高強(qiáng)螺栓松動(dòng)原因分析,山西建筑,2009

     

     

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