钢结构用摩擦型高强度螺栓连接副的设计与施工

1、钢结构用摩擦型高强度螺栓连接副的设计与施工2009年第1期总第21期重工与起重技术HEAVYINDUsTRIAL&H0InNGMACHINERYNO.12O09SedaINO.21钢结构用摩擦型高强度螺栓连接副的设计与施工大连重工?起重集团设计研究院陈晋摘要:通过对钢结构用摩擦型高强度螺栓连接副应用的详细分析,阐述了螺栓数量与连接板的计算,高强度螺栓的预紧力,扭矩系数K与施工扭矩的确定与检验,施工环境温度对扭矩系数影响的经验公式,连接面的表面处理与抗滑移系数的关系,抗滑移系数的试验与数据处理,连接头的验算,高强度螺栓连接副施工中常见问题的处理方法,以及螺栓副相关参数快速计算的方

2、法.对设计与施工技术人员正确使用高强度螺栓连接副具有指导作用.关键词:摩擦型高强度螺栓;扭矩系数;抗滑移系数;预紧力t等强度,数据处理大型金属结构件由于运输安装条件所限,需要将其分段.为了保证结构件在截断重新连接后,受力状况不变,通常人们习惯采用摩擦型高强度螺栓与截面等强度连接.影响摩擦型高强度螺栓连接性能的因素有:螺栓的机械性能,强度等级,连接面粗糙度及连接面的表面涂装等.1螺栓数量与连接板的计算螺栓数量的确定是钢结构连接计算的关键步骤,按照与截面等强度连接的计算原则为:母材截面积连接板截面积之和Fb;母材截面积:1.1连接螺栓(或铆钉)面积之和.(I)考虑各种不利因素的安全系数,该值在I.

3、I1.3范围之内.按照上述原则确定最少连接螺栓数量,连接截面尺寸见图1.母材截面积:F=t?b式中:哪材截面积,mm;t一母材板厚,mm;6母材板宽,mm.单个螺栓名义尺寸的截面积:=rdaxO.8n=O.2qrdn式中:一螺栓名义直径,mm,一连接剪切面数量;0.8钢结构对于连接处的缩减系数6(寸于起重机,桥梁等取为O.8;对于高建筑取为1).一l,I_1高耒布置区段图1高强度螺栓连接副截面尺寸按照:1.1F<岫的原则1.It?b=O.27rd2nX.Xa.=1.75(1)式中:凡一最少连接螺栓截面积之和,mm,一最少连接螺栓数量.按照:的原则,考虑双面连接板不能布置满全部被连

4、接面.因此,取连接板的厚度之和1.即:对于双面连接2.1.2f.t1i>0.6t(2)式中:t-一连接板厚度,mm.对于单面连接,因连接板截面与被连接板截面相同,可取tl=t.2螺栓布置螺栓布置的极限尺寸应符合GBff3811的规定,见表1.根据螺栓计算数量和布置情况确定螺栓使用数量后,应考虑工地施工有一定的损失.因此,在此基础上需增加总数的3%-5%作为安装损失增加量.螺栓孔径cf0按GB52771985精装配要求,螺栓公称直径d十(1-1.5),根据实际情况可适当放大.但孔径应小于或等于中等装配要求.3螺栓机械性能螺栓实物负载试验时,断裂应发生在螺纹部分或螺纹与螺杆交接处,其

5、拉力载荷应在表2规定范一29重工与起重技术HEAVYINDUSIRIAL&H0ISnNGMACHINERY围之内.螺栓试件性能是指螺栓制造厂将制造螺栓的材料取样制成试件,进行拉力试验,其实验结果应大于表3的规定值.当螺栓的材料直径16ram时,根据用户要求,螺栓制造厂还需增加常温冲击韧性试验,其结果应符合表3.表1铆钉和螺栓布置的极限尺寸c单位m默允锉睛名称布置与方向最,J蹴敢以下两者之中的小外排8d0或12t受压构件12d.或18t3d0中心间距中间排受拉构件16do或24t.顺内JZh-向2d0中心到构件边缘的距离垂直于内切割边4do或3t1.5do力方向轧制边1.2d0注

6、:do为螺栓孔径ttl为连接板厚度表2螺栓实物机械性能与螺母的保证载荷(单位螺纹规恪M12M16M2OM22M24M27M3O螺母保证载荷10H87.71632553l5367477583性能8H7013020325l293381466等级10.9S87.71O4.5163-19525孓.30431孓876367-438477569583696螺栓实物拉力载荷8.8S7名6.813O162205225131229364381l73466578表3螺栓试件机械性能抗拉强度R(屈服强度断后伸长率A(6s)断后收缩率z)冲击吸收功率A性能等级MPa%JMPa10.9S1O40124094010424

7、78.8S830-1030660124563螺栓芯部硬度值:一10.9S时为:(3339)HRC;-8.8S时为:(2431)HRC.螺母的保证载荷应符合表2规定值,其硬度:一10H时为:rain98HRB,max32HRC;一8H时为:rain95HRB,max30HRCl垫圈的硬度为:35HRC45HRC.4连接副的预紧力在预紧状态下受轴向载荷的螺栓连接,当预紧力为P时,螺栓与被连接件的受力变形情况为螺栓受拉力(预紧力)P而伸长,被连接件受压缩力P而缩短,在拧紧力矩作用下,螺栓的危险截面除受有拉伸应力之外,还要克服由转动阻力矩(施工扭矩)所引起的扭剪应力.PP一As1330一.1_'

8、;.1.6'.-ctg按照第四强度理论其当量应力O-f_,/再=,/再1.26787O"式中,0.45O"是以摩擦系数为0.15时计算出的M16M68普通螺纹,由此得出在预紧状态下螺栓疲劳断裂的强度条件:,6075/i,_r,r1一,/1?1尸_l_=Aso'b-0.63A.o-b(3)1.25×,/1.6075按此式计算出表4螺栓最大设计预紧力P,施工时预紧力P可按此值±l0%范围最终拧紧.在表4螺栓性能等级中,小数点前的数字为最小抗拉强度o-鲥n/100,小数点后的数字为屈服比,的l0倍,当材料无明显屈服点crs时,重工与起重技术HE

9、AVYINDUSI'RIAL&H0ISnNGMACHINERY表4钢结构高强度螺栓基本参数螺栓规格dM12M16M2OM22M24M27M3O螺距1.7522.52.5333.5公称应力截面积A./mm284.3157245303353459561螺栓孑L直径/mm13-13.517-17.521-21.52323.525-25.528-28.531-31.5基本尺寸参数S212734364l4649nun7.51012.514151718.7最大预拉力平均值性能10.9S5510316119923l301368p|kN等级8.8S3565102126147191233

10、可用材料产生2%变形时的屈服强度cr0.:代替.在施工现场资料不全的情况下,可用以下经验方式初估螺栓预拉力允许值:L10?9s:Pl0.960?51Ao"0?,kN(4)8.8s:.昭0?4Ao"0?25d2,kN(5)式中:A螺栓公称直径的截面积,mml口1_公称最小抗拉强度,MPa.5连接副的扭矩系数K与施工扭矩高强度大六角头螺栓连接副必须按保证扭矩系数供货,同批连接副的扭矩系数平均值为(O.1100.150),扭矩系数标准偏差O"n一.0.010,每一连接副包括一个螺栓,一个螺母和二个垫圈,并应分属同批制造.连接副扭矩系数保证期为:自出厂之日起六个月,或供需

11、双方协议保证期.当超出保证期使用时,连接副的扭矩系数应复验.也可依据供需双方协议要求,每批次每种规格均在使用前一个月以内复验扭矩系数.复验用螺栓应在施工现场待安装的螺栓批中随机抽取8套连接副,逐套进行检验性试验,且每套连接副只应做一次试验不得重复使用.连接副扭矩系数的复验应将螺栓穿入轴力计,在测出螺栓预拉力尸的同时,应测定施加于螺母上的施拧扭矩值,并应按下式计算扭矩系数K.K=式中:施拧扭矩,Nm;螺栓预拉力,kN;d一高强度螺栓的螺纹规格(螺纹大径),mm.组装时先将螺栓穿人轴力计.垫圈放入时要注意正反面,有倒角一侧朝向螺母支承面.螺栓的拧紧应分初拧和终拧,首先按50%终拧扭矩进行初拧(或复

12、拧),初拧结束后按扭矩法进行终拧.初拧和终拧必须在一个工作日内完成.建议有试验资质条件的安装单位或按照合同要求,不分螺栓的保质期是否过期,都应在安装前进行扭矩系数的复验,这样,既可检验螺栓的制造质量,也可验证和校正因施工环境温度与工厂试验室环境温度的差异对扭矩系数的影响,确保连接副的连接质量.无试验条件的安装单位,应委托有合格试验资质的专业部门进行复验.根据制造厂与多年来的现扬施工经验,由于温度的影响,扭矩系数的差异较大,现场施工可按实测温度,按照下式经验公式加以修正.K=Ko【1一(Cco)x0.67%】(7)式中:K一施工扭矩系数l艇一试验室或合格证提供的扭矩系数,C卜试验室或合格证提供的

13、检测温度,C一施工现场环境温度,.高强度螺栓的拧紧应分初拧和终拧.操作时应使用专门的可检测力矩的合格力矩扳手.对大型节点应分初拧,复拧和终拧.复拧扭矩应等于初拧扭矩,初拧扭矩宜为终拧扭矩的50%,终拧扭矩应按下列公式计算:To=K'Pc.d=1.1K?P?d(8)式中:一终拧扭矩,Nm,一施工预拉力,kN.PP+AP=I.1P尸L_预拉力损失值(kN),宜取设计预拉力的1O%.终拧结束后,宜采用0.30.5kg的小锤逐个敲一31重工与起重技术HEAVYINDUSTRIAL&HOISTING1VIACHINERY栓,且应进行扭矩抽查,欠扭或漏拧应及时补拧,超拧者应予更换.

14、扭矩检查应在终拧1h以后,24h内完成,扭矩检查时,应将螺母退回30.50.再拧至原位测定扭矩,该扭矩与检查扭矩的偏差应在检查扭矩的±10%以内.检查扭矩按下式计算.T,=KPd(9)式中:检查扭矩,Nm.6高强度螺栓连接副的表面处理与抗滑移系数在摩擦型连接中,摩擦面的状态对栓接接头的抗滑移承载力有很大影响.摩擦面表面未作处理的抗滑移系数远低于经过处理的.因此,在结构件制作完成后,即组装前,必须对摩擦面进行处理,常见摩擦面处理方法有喷砂或喷丸,打磨等,见表5.表5常见摩擦面处理方法与抗滑移系数构件钢号处理方法表面粗糙度Q235AQ345(16Nn)喷砂或喷丸(铁丸)处理:砂粒粒径为1

15、.2-1.4mm,喷射时间12rain.4550m0.450.55喷射风压0.5Pa.喷砂后生赤锈处理:喷砂后放露天60-90d生锈,安装前对表面浮锈进行清除,该方551m0.60.5法可显着提高抗滑移系数.(平均值)喷砂后涂无机富锌漆处理:为了防锈,一般要求涂层厚度为0.60.8p,m,但其抗滑移系数0.350.40偏低.砂轮打磨后放露天生赤锈处理-使用砂轮沿连接件横向(与受力方向垂直)打磨后置于露天605065g.m0.50.690d生锈,注意此法离散性稍大.轧制表面用铜丝刷清理浮锈(若轧制表面干净,无须处理).0-3O.35为了保证高强度螺栓连接构件接触面的摩擦系数,接头处应给予相应的工

16、艺处理.目前,国内外尚无统一标准.在实践中也可以看到接触面不作任何防腐处理,虽然表面粗糙度较大,使得构件摩擦面抗滑移系数增加.但是,构件运行一段时间后,水气从孔隙中间渗入构件接触面而造成锈蚀,影响接触面质量.因此,设计时要充分考虑这方面的因素,通常接触面可热喷涂铝或涂刷无机富锌漆,不仅有增加接触摩擦系数的功能,同时也起到结构防锈蚀的作用.在有条件的工厂,构件连接面应采用喷丸处理,粗糙度达到50-601xm,清洁度达到Sa21/2.彻底清理级,表面上所有的油脂污垢,氧化皮,腐蚀物,旧漆和其它杂质被清除,允许存在由于清理不彻底而出现的阴影或色差,但至少应有95%的表面达到Sa3的水平,5%的表面仅

17、出现轻度色差.从制造到安装时间不足9O天时,连接面可不作防锈处理,直一32一接运往工地,如果制造后储运时间较长超过9O天,连接面应作必要的防锈蚀涂装保护.构件安装前连接摩擦面的表面处理方法应根据设计要求进行选择.对摩擦面上的浮锈宜用钢丝刷清除,建议最好用182铜刷清除锈迹,不得用其它有害于摩擦面的方法清除.应该特别注意,对于在工厂作过喷丸处理的摩擦面,在安装前不易采用喷砂的方法处理表面浮锈,因为这样会由于砂粒的撞击,将原有的粗糙度显着降低,在桥梁安装中出过类似的问题.经处理后的摩擦面,粗糙度一般在50601.m之间,其抗滑移系数可满足设计要求,同时也可用粗糙度仪测定摩擦面的粗糙度.安装前经处理

18、后的螺栓连接构件表面,为使摩擦系数达到规定值,在表面除锈后,宜热喷涂铝或涂刷无机富锌漆.涂刷无机富锌漆推荐采用表6,782型无机富锌漆配方施工.转第28页)重工与起重技术HEAVYINDUSTRIAL&HOIS1fINGMACHINERY开卷速度滞后率ULS:6%飞剪切头速度1.5rrgs由实际应用电流及速度曲线(图5一图8)可以得知:在此方案及参数匹配下,热卷箱的传动装置电流基本均衡,速度稳定.热卷箱与粗轧机及其延伸辊道,精轧机速度匹配良好,热卷箱工作稳定.5结束语通过对热卷箱的速度控制及速度匹配的方案的选择和设计,在实际应用中取得了良好的使用效果,保证了热卷箱稳定可靠的工作,同时和其他设备速度匹配也很好,传动系统负荷均衡,没有因出现拉钢和堆钢现象而影响生产.提高了整条轧线的生产效率,同时也提高了产品质量,为用户创造了效益.参考文献1】Hatch提供的LaiwuDescriptionofOperationRO2雷天觉.液压工程手册呻】.北京:机械工业出版社,19903施妙根,顾丽珍.科学和工程计算基础.北京:清华大学出版社,19994EdwaMB.MagrabMATLAB原理与工程应用.北京:电子工业出版社,20025张志涌.精通MATLAB6.5版.北京:北京航空航天大学出版社,2003(上接