塔吊高强度螺栓的预紧力及重复使用分析

塔吊高强度螺栓的预紧力及重复使用分析塔吊高强度螺栓的预紧力及重复使用分析 【摘要】钢结构工程的重要性已越来越被业内人士所认同，它关系到钢结构的使用寿命。 本文就钢结构高强度螺栓的施工质量与扭矩系数、摩擦系数、长度的关系进行了说明。高 强度螺栓在安装前需复检，以及安装工艺流程和储运、保管等三个方面作了阐述通过对塔 式起重机（以下简称塔吊）塔身连接的高强度螺栓连接副的受力分析，得出预紧力的重要 性，然后又介绍两种控制高强度螺栓预紧力的方法，得出高强度螺栓重复使用次数不得超 过 2 次的原由。 关键词：关键词：高强度螺栓；预紧力；扭矩法；转角法 一、引言一、引言 目前，无论是大容量发电机组的炉架和主厂房，还是大型的塔吊、门吊等起重设备， 或者是越来越多的大型厂房、桥梁等均采用钢结构，因钢结构以其施工周期短、使用寿命 长、收益快等特点，在现代工业中占有较大一席之地，前景可观。钢结构要形成一个稳固 的框架整体， 用高强度螺栓进行连接是现在目前采用较多的连接形式。特别是现在大型燃 煤电站锅炉，无论是 200 MW 机组，还是 1 000 MW 机组，都采用全钢架结构，来承载受 热面。钢结构主要用高强度螺栓副进行连接，故高强度螺栓的施工质量就对钢结构受力、 钢结构的设计寿命而言，就显得非常重要。下面主要就高强度螺栓在电站锅炉钢结构中的 施工质量与各位同仁进行探讨。高强度螺栓连接方式由于其对于被连接件制作精度要求低， 连接方便、成本低廉而广泛应用于中小型塔式起重机的塔身连接上。但由于施工安装人员 缺乏对该种连接方式的认识，往往不按规定控制预紧力，而只将高强度螺栓如普通螺栓一 般多次重复使用，高强度螺栓并未起高强度螺栓的真正作用。 二、高强度螺栓的发展、特点和分类二、高强度螺栓的发展、特点和分类 高强度螺栓连接是继铆接、焊接之后发展起来的一种新型钢结构连接形式。其特点是 施工方便，可拆可换、传力均匀、接头刚性好，承载能力大，疲劳强度高，螺母不易松动， 结构安全可靠。按连接形式可分为摩擦连接和承压连接； 按种类可分为大六角头高强度螺 栓和扭剪型高强度螺栓。大六角头高强度螺栓也可叫扭矩型高强度螺栓，特点是依靠施工 扳手来控制螺栓、螺母的紧固扭矩；扭剪型高强度螺栓是在普通大六角头高强度螺栓的基 础上发展起来的，螺头和铆钉相仿，特点是在丝扣端头设置了控制紧固扭矩的梅花卡头和 环形切口。 2 国电九江三期发电厂 2350 MW 机组就是用的是大六角头高强度螺栓，是承压连接； 丰城发电厂 4300 MW 机组、华能井冈山发电厂 2300 MW 机组、华能山西榆社发电 厂 2300 MW 机组，以及目前江西省内在建的中电投江西新昌 2660 MW 超超临界机 组，华能井冈山发电厂 2660 MW 超超临界机组用的都是剪型高强度螺栓，是摩擦连接。 三、高强度螺栓的扭矩系数、长度、摩擦系数与施工质量的关系三、高强度螺栓的扭矩系数、长度、摩擦系数与施工质量的关系 本文从分析预紧力对高强度螺栓连接的重要性入手，结合工程实际，得出预紧力的重 要性，然后又介绍两种控制高强度螺栓预紧力的方法，得出高强度螺栓重复使用次数不得 超过 2 次的原因。 在施工现场使用中，经常会出现如下现象：使用生锈的螺栓、螺母与垫圈；丝扣 损坏后用锉刀修复一下继续使用；在螺杆上涂黄油使用；螺栓粘有脏物的没有清理干 净也照常使用； 以长代短；连接板上浮锈、油污、油漆不进行清理干净进行连接。如 果认为这些现象对施工质量没有关系，那是错误的，是没有任何科学依据。下面就从摩擦 系数、扭矩系数、长度三个方面与施工质量的关系进行分析。 高强度螺栓连接按其受力状况，可分为两种类型，一种是只受预紧力作用的螺栓连接， 这种螺栓连接靠螺栓预紧力在被连接件结合面产生的磨擦力传递工作载荷；另一种是承受 预紧力和工作载荷的紧螺栓连接，工作时受力情况比较复杂，应从分析螺栓连接的受力和 变形关系入手，求出螺栓总拉力的大小。塔吊标准节之间的连接属于承受预紧力和工作载 荷的紧螺栓连接，是利用紧固螺栓时产生在构件间的压力进行应力传递的。 图为高强度螺栓副拧紧之前、施加预紧力后和在工作载荷作用下的变形和结合面受 力简图。 图 1a 表示螺母刚好拧到与被连接件相接处，但尚未拧紧。此时螺栓与被连接件都不受 力，因此也不发生变形。 图 1b 是螺母已拧紧，但尚未承受工作载荷。此时螺栓承受预紧力的拉伸作用，其 P F 伸长量为。相反被连接件在预紧力的作用下，其压缩量为。 1 P F 2 图 1c 是承受工作载荷时的情况。此时螺栓承受的工作载荷为 F。若螺栓和被连接件是 在弹性变形范围内，则两者的受力及变形关系符合胡克定律。当螺栓承受拉力 F 后，其伸 长量增加，总伸长量为。根据连接件的变形协调条件，则被连接件将会放松， 1 3 其压缩变形的减小量应等于螺栓拉伸变形的增加量。因此总压缩量为。被连 2 接件的压缩力由减至，即为螺栓上的残余预紧力。 P F P F P F 图 1d 是螺栓所受工作载荷过大或者预紧力过小的情况，被连接件的结合面相互分离。 在实际应用中，此种情况是不允许出现的。 a)开始拧紧 b)拧紧后 c)受工作载荷时 d)工作载荷过大时 图 1、承受预紧力和工作载荷的高强度螺栓连接 图是螺栓和被连接件的受力和变形关系图，前提条件是工作载荷要小于预紧力，被 连接件的结合面不允许分离，而且各个材料都在强度允许的范围内没有产生塑性变形。由 图可得： 螺栓的刚度： 1 11 tan p F c 被连接件的刚度： 2 22 tan P F c 在连接尚未承受工作载荷 F 时，螺栓和被连接件的受力均等于预紧力；当连接件 P F 承受工作拉力F时，螺栓的总拉力为，相应的总伸长量为，被连接件的压缩力 0 F 1 等于残余预紧力，相应的总压缩量为，由图 2 可以得出： P F 2 （1）FFF P 0 螺栓的总拉力、预紧力及残余预紧力之间的关系可由图 2 中的几何关系推出： 0 F P F P F （2）)( FFFF PP 4 或 （3） 2 1 2 1 tan tan c c FF F F cc c F 21 1 将式（3）代入式（2）得螺栓预紧力为： （4）F cc c FF cc c FF c P c PP 2 2 2 1 )1 ( 螺栓的总拉力为： （5）F cc c FFFF PP 21 1 0 式（1）和（5）是螺栓总拉力的两种表达形式。用式（1）计算螺栓总拉力时，为保证 连接的紧密性，以防止受载后结合面产生缝隙，应使。连接有紧密性要求的残余预0 P F 紧力推荐值为（1.51.8）F。 a) 拧紧后 b) a 中两图合并 c) 受工作载荷时 图 2、螺栓和被连接件的力与变形关系 在式（5）中为螺栓的相对刚度，其大小与螺栓和被连接件的结构尺寸、材料 21 1 cc c 及垫片、工作载荷的位置等因素有关，其值在 01 之间变化。为了降低螺栓的受力，提高 螺栓连接的承载能力，应使值尽量小些。一般被连接钢板之间所用垫片为金属垫片 21 1 cc c 或无垫片时，的取值为 0.20.3。 21 1 cc c 若承受变载荷，工作载荷在和之间变化，则螺栓的总拉力在和之间变化， 1 F 2 F 01 F 02 F 如图 3 所示。 在危险界面上，螺栓受的最大拉应力为，最小拉应力为。 4 2 1 02 max d F 4 2 1 01 min d F 受变载荷的螺栓大多为疲劳破坏，而应力幅是影响疲劳强度的主要因素。应力幅为： 5 （6） 4 2)( 2 2 1 0102minmax d FF a 将式（5）代入式（6）得： （7） aa d FF cc c 4 2)( 2 1 12 21 1 式中为螺栓的许用应力幅，MPa，见表 1。由表 1 可见，螺栓受轴向载荷控制预 a 紧力设计时的安全系数比不控制预紧力设计时的安全系数小的多。也就是说如果设计时按 照精确控制预紧力来设计螺栓连接，螺栓的许用应力都要比按不控制预紧力设计的螺栓连 接的许用应力小的多。如果设计时按照精确控制螺栓连接的预紧力来设计，而装配时又没 有精确控制预紧力的大小，此时螺栓连接就不仅没有达到设计的要求，螺栓的连接强度也 不能满足使用要求，这也就是现在装配塔吊标准节连接的高强度螺栓时普遍存在的问题。 图 3、工作载荷变化时螺栓拉力的变化 表 1：受轴向载荷的紧螺栓连接的许用应力 螺栓的受 载荷情况 许用应力不控制预紧力时的安全系数 S 控制预紧 力时的安 全系数 S 变载材料M6M16M16M30M30M60不分直径 6 碳钢12.58.58.58.512.5按最大应 力 S S 合金钢106.86.86.810 1.21.5 三、如何精确控制高强度螺栓连接预紧力的方法三、如何精确控制高强度螺栓连接预紧力的方法 1、扭矩法、扭矩法 扭矩控制法和螺母转角法是高强度螺栓常用的紧固方法。扭矩法是以拧紧扭矩与预紧 力的关系为依据的。 P FdkM 1 式中： d1为螺纹公称直径 k 为扭矩系数 扭矩法就是将连接副的扭矩系数当做定值，通过控制拧紧扭矩从而控制预紧力的一种 紧固方法。这种方法必须以扭矩系数保持定值为前提，否则即便拧紧扭矩施加得很精确也 无法得到精确的预紧力，但重复使用后螺栓的扭矩系数必然发生变化。紧固件的锈蚀、温 度、湿度和润滑等情况都将影响扭矩系数，重复拧紧时螺栓副的摩擦表面被磨光会导致摩 擦系数下降，有关资料表明，扭矩系数随重复拧紧次数的增加而降低。正是由于扭矩系数 的这种不稳定性，多次重复使用高强度螺栓容易造成要么预紧力不足，要么预紧力过大甚 至将螺栓拧断。除非能确切地掌握扭矩系数的变化值，从而相应地调整拧紧扭矩的大小， 才能精确地控制预紧力，只有在这种情况下，多次重复使用才是可行的。显然，在绝大多 数塔吊使用和安装单位中是不会也不能确切地掌握每套高强度螺栓副的扭矩系数的。 2、转角法、转角法 拧紧螺母时，螺母转过的角度和螺栓的预紧力有一定的关系，所以，可以用螺母转角 的大小来控制预紧力。采用转角法紧固时，先转动螺母到螺栓的预紧力超过 A 点，称为初 拧，初拧一般采用扭矩法，扭矩一般为额定扭矩的 50，初拧后可以消除板缝影响，使板 层达到密贴程度。而后进行终拧，终拧是以 A 点作为起始位置，再将螺母拧转一定角度， 此时螺栓的轴力超过点 V 到达塑性区域。如图 4 所示，由于在 yM 之间的塑性区域，螺母 转角存在误差时所产生的螺栓力变化很小，如图 4 中 1 区域，这就为获得预定的预紧力提 供了保障，也就是说施工时螺母的拧紧程度误差几乎不引起预紧力的误差。而在 V 点之前， 同样大小的螺母转角误差所产生的螺栓力变化很大，如图 4 中 2 区域，所以，拧紧在这个 区域是不合适的，因为施工的拧紧程度误差会引起较大的预紧力误差。以转角法精确控制 螺栓预紧力是以引起超过弹性极限的螺栓轴力为前提的，这种情况下，重复使用高强度螺 7 栓是不适当的，因为重复拧紧积累的塑性变形已使其不再有足够的变形能力可以来承受在 初拆后额外施加的拧紧力，即其拧紧能力急剧下降了。 如图4、螺母转角与螺栓预紧力关系 四、结论四、结论 综上所述，无论是扭矩法还是转角法紧固高强度螺栓，均存在重复使用多次后预紧力 不能精确控制而使连接可靠性和安全性下降的危险，这正是 JGT5057.40一 l995建筑机 械与设备高强度紧固件技术条件规定高强度螺栓重复使用次数不