鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘 要：本文根據螺栓的受力機理，將目前常用螺栓分為一般普通螺栓、高聳結構中帶有振動的高強度普通螺栓、高強螺栓、風力發電塔筒內承受拉壓交變的高強螺栓四種類型。總結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。
關鍵詞：螺栓防松 鍛造法蘭 反向平衡法蘭
1 前 言
螺栓連接是機械工程、結構工程等領域應用最廣泛的節點連接方式，是緊固件連接中最基本的一種結構形式，具有便于標準化大批量生產、構造簡單、成本低、安裝方便、可互換等優點，在現代結構工程中被廣泛應用。而螺栓的類型、受力特點、使用的環境等的不同，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而造成結構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構整體安全的重要性。螺栓松動已成為鋼結構連接的一個安全隱患。分析認為，引起螺栓松動的原因很多，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。在工程實踐中，也提出了很多防松措施，如準確施加預應力、采取機械措施防松、采用沖點、膠粘螺栓和螺母、使用自鎖防松螺母等方法。因此，當對螺栓采取防松措施時，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
從螺栓的受力機理來看，可以將螺栓分為四種類型：普通螺栓、高聳結構中承受振動荷載的高強度普通螺栓、高強螺栓、承受拉壓交變荷載的高強螺栓。普通螺栓一般直接承受拉力或者剪力，用于非重要結構構件的連接中，以往認為螺栓施工中只需擰緊即可。但目前電力系統和塔桅鋼結構工程施工質量驗收規程中已對“擰緊”給出了相對準確的扭矩值要求。第二種螺栓常用于高聳結構中的塔柱法蘭，承受拉力，且結構承受一定的振動。第三種高強螺栓的受力為先對其施加預拉力，然后在被連接件之間的接觸面上產生摩擦阻力來承受剪力或減少其預壓力來受拉力。一般用于梁構件等重要的工業及民用建筑中，此種螺栓一般采用扭矩法施工，螺栓依靠螺紋之間壓緊產生的摩擦力進行防松。螺栓采用高強度普通螺栓，螺栓不施加預拉力，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，這種螺栓一般同時承受疲勞荷載，需要施加預拉力，并且對防松要求很高，常見于風力發電塔筒的連接法蘭。
第一種普通螺栓的緊固力矩達到規范規定值時螺栓一般就不會松動。高聳結構中承受一定振動荷載的高強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現螺栓松動現象。橋梁結構中的高強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。在風力發電領域，風機運行過程中用力矩扳手檢查螺栓預緊力已成為風電場定期維護的一項重要內容，這耗費大量的人力物力。
3 承受拉壓交變荷載螺栓施工、防松措施
對于第四種風力發電塔筒中承受拉壓交變荷載的螺栓，同時承受疲勞荷載。傳統的法蘭形式為厚型鍛造法蘭，這種法蘭的優點就是焊縫少，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：造價太高，制造耗能大，端面要銑平， 材料用量大，螺孔偏差不易處理。大量靠進口，仍有螺栓松動問題，每年都需檢測維護。而且定期的維護并不能完全保證連接的可靠，高強螺栓反復緊固會引起螺紋晶相組織發生變化，由于扭矩系數的增大而達到規范規定的扭矩卻達不到規范規定的預拉力。為了達到預拉力而過分加大扭矩以致螺栓在外力作用下產生塑性變形甚至斷裂。一旦關鍵部位的螺栓因松動而失效，有可能造成巨大的損失。
分析認為導致螺栓松動的原因有以下三點：一是螺栓防腐蝕方法，一般采用涂達克羅防腐，但是這樣會導致螺栓扭矩系數不合格。因此工程中再采用涂二硫化鉬來降低扭矩系數。但是這樣做會使螺栓螺紋摩擦系數減半，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拉力，這一過程中螺栓發生扭轉變形，其內部存了扭矩，當施工完成撤除外扭矩后，螺栓內將儲存一部分的扭轉彈性勢能，也就是反彈扭矩。三是在風荷載作用下，背風面螺栓的拉力減少，螺紋表面上壓力減小，阻止螺栓松動的摩擦力矩小于反彈扭矩后，螺栓會產生松動。當螺栓產生松動后，高強螺栓變成了普通螺栓，在風荷載作用下，螺栓的疲勞應力幅會顯著提高，螺栓的應力幅抵抗全部外力彎矩作用。而緊固狀態高強螺栓的拉力公式為：
圖1 螺栓受力示意圖(螺栓防松措施)
由此可見，當 面積很小時，螺桿的拉力就會增大。傳統的厚型法蘭板表面并非全接觸，在最初安裝時保證邊緣接觸（圖2a）。當塔筒受彎時，受拉側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《高聳結構設計規范》5.9.4條。同普通螺栓。因此疲勞應力幅增大。
圖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，故把法蘭構造成外密和內松動形狀（如圖2a），但這又使得法蘭基礎面Ac減少，所以疲勞應力幅增大。特別是螺栓松動以后，疲勞應力幅增大。螺栓長時間承受疲勞荷載之后會發生逐個斷裂。圖3、圖5為螺栓斷裂后的圖片。因此有效解決螺栓的松動問題是非常必要的。
圖3 厚型法蘭塔筒螺栓斷裂后整體倒塌圖片(螺栓防松措施)
圖4 斷裂在塔筒平臺上的螺栓
圖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生松動的內因。目前用于風力發電塔筒內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緊力和控制預緊力的大小。 反向平衡法蘭在加勁板的鋼管向心側加設的一段“平衡面”，設計時合理調節平衡面大小和力臂長度，可減小螺栓預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的鍛造法蘭的螺桿增長了50%，存儲了更多的彈性應變能防松；其次此種螺栓采用直接張拉法施工，因此不存在產生松動的內因——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，不用涂二硫化鉬，因此螺紋的摩擦系數與傳統的鍛造法蘭螺栓相比加倍。
圖6 反向平衡法蘭示意圖
圖7 反向平衡法蘭現場圖片(螺栓防松措施)
首臺采用反向平衡法蘭的風機塔筒到目前已經運行了三年半的時間，對螺栓進行檢測時，未發現螺栓松動問題。同時，經現場應力實測表明，在相同時段內同一風速條件下，反向平衡法蘭的疲勞應力幅僅為傳統鍛造法蘭疲勞應力幅的1/3~1/5，螺栓的應力波動相比也較小。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 論
本文分析了四種常用螺栓的受力機理，針對不同類型的螺栓，應采取不同的防松措施。重點分析了承受拉壓交變荷載作用的風機塔筒法蘭螺栓，分析了使螺栓產生松動的原因，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，為設計及施工人員提供參考。
參考文獻
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