引言

螺栓連接是輸變電鋼結構主要的連接方式之一,具有施工操作簡單、安裝快捷、承載力高等優(yōu)點。在工程應用過程中,一些人員對螺栓的選擇和使用存在一些誤解,對工程施工與質量造成了不良影響。為此,本文對螺栓連接常見的幾個問題進行了分析,并提出了一些建議,從而幫助相關技術人員在工程應用實踐中正確使用螺栓。

1普通螺栓

近十多年來,隨著輸變電工程向高電壓、大容量發(fā)展,輸變電鋼結構也向高承載能力、大型化發(fā)展,高強度性能級別的螺栓應用越來越多。

在鋼結構中,螺栓分為普通螺栓和高強度螺栓,普通螺栓是指六角頭螺栓,高強度螺栓是指高強度大六角頭螺栓。

普通螺栓分為A、B、C三種產品等級,A級精度最高,A、B級螺栓為精制螺栓,C級螺栓為粗制螺栓,性能等級為4.6級和4.8級。

A、B級螺栓孔是I類孔,精度要求高,采用在裝配好的構件上鉆孔、在單個零件和構件上用鉆模鉆成、在單個零件和構件上沖或鉆孔然后組裝后再擴鉆孔的工藝,孔徑與螺栓公稱直徑相等,螺栓外徑公差為負公差,孔徑公差為正公差。C級螺栓孔是Ⅱ類孔,采用一次沖壓或不用鉆模鉆成工藝完成,C級螺栓孔直徑一般比螺栓直徑大1~2mm。

文獻[1]中規(guī)定A、B級螺栓孔應具有H12的精度,A、B、C級螺栓孔徑允許偏差要求如表1所示。

由于A、B級螺栓孔精度要求高,生產制作及安裝施工很復雜,造價較高,很少在鋼結構中應用,在輸變電鋼結構中也不采用,即使6.8、8.8級甚至更高性能級別的A、B級普通螺栓都是采用C級螺栓孔,文獻[2]與文獻[3]中規(guī)定的螺栓都是鍍鋅粗制螺栓(C級)。

C級螺栓孔由于螺栓與孔之間有較大的間隙,在承受剪力的連接中,接頭會產生較大的滑移,連接的變形大。因此普通螺栓主要用于沿螺栓桿軸方向受拉的連接、承受靜力荷載和間接承受動力荷載結構的次要受剪連接。直接承受動力荷載構件的螺栓連接,如采用普通螺栓,則應采用雙螺帽或其他能防止螺母松動的有效措施[4]。

2摩擦型連接和承壓型連接

在圖1的連接中,普通螺栓連接的傳力特征是螺栓受剪、構件孔壁承壓,以兩者的承載力最小值為設計極限:高強度螺栓連接則分為摩擦型連接和承壓型連接。

高強度螺栓連接與普通螺栓連接的很大區(qū)別在于高強度螺栓在安裝時有很大的預拉力,被連接構件間有很大的預壓力,當連接受力后,接觸面間產生的摩擦力可以在一定范圍內阻止構件間的相互滑移,實現(xiàn)傳遞外力的目的。

高強度螺栓摩擦型連接可以完全不靠螺栓的抗剪和構件孔壁的承壓來傳力,而是靠構件間接觸面的摩擦力來傳遞外力。而高強度螺栓承壓型連接的傳力特征是當外力超過摩擦力時,構件之間發(fā)生相對滑移,螺栓與孔壁接觸,使螺栓受剪和構件孔壁受壓,與普通螺栓相同。因此,承壓型高強度螺栓承載力計算方法也與普通螺栓相同。

高強度螺栓摩擦型連接保證連接構件不產生滑移,承載能力極限狀態(tài)是連接件間產生相對滑移,一旦滑移,就認為設計達到破壞狀態(tài),因此,摩擦型連接的關鍵在于連接構件間的摩擦力,摩擦力的大小取決于摩擦面的抗滑移系數。輸變電鋼結構的設計使用壽命都較長,鋼構件普遍采用熱鍍鋅或噴鋅防腐,這種防腐方式的構件摩擦面抗滑移系數非常低,采用摩擦型連接設計不科學、很不經濟。

有些設計單位對輸變電鋼結構的螺栓要求采用高強度大六角頭螺栓,有些建設單位對變電工程驗收提出提供鋼結構摩擦面的抗滑移系數及高強度螺栓連接副的試驗資料的要求,從上面的分析可知,這些要求都是不科學、不合理的。甚至有些設計單位,對受剪連接采用螺栓受剪、構件孔壁受壓的方法進行設計計算,但卻要求螺栓按《鋼結構用高強度大六角頭螺栓》(HB/T1228一2006)標準供應,而此標準規(guī)定的螺栓正是適用于摩擦型連接的。這種不合理要求體現(xiàn)了設計人員對設計原理理解得不透徹。

文獻[6]指出,變電構架結構的螺栓經熱鍍鋅后在施工扭矩和扭矩系數等方面,不能按《鋼結構高強度螺栓連接設計、施工及驗收規(guī)程》中的要求執(zhí)行。

3雙螺母防松

輸變電鋼結構以承受靜力荷載和風荷載為主,在風荷載的作用下,鋼結構的緊固螺栓連接會產生松動,因此,這些螺栓普遍有防松的要求。目前,輸變電鋼結構螺栓的防松絕大部分采用雙螺母或在單螺母外加裝扣緊螺母這兩種方式。

文獻[7]指出用一個1型螺母和一個薄型螺母同時與相配的外螺紋組裝、用兩個1型螺母與外螺紋組裝,都可以達到6g/6H連接副強度的要求并且具有良好的防松性能,這里所說的I型螺母就是與六角頭螺栓常規(guī)相配的六角螺母。

當用兩個J型螺母作為輸變電鋼結構連接的防松措施時不存在問題,但用一個K型螺母和一個薄型螺母作為防松措施時往往存在問題,就是先裝L型螺母還是先裝薄型螺母的問題。目前,認為先裝M型螺母的占比居多,在實際施工中先擰上N型螺母再擰上薄型螺母的更多。

連接副螺紋結構本身具有自鎖能力,另外,螺母緊固后施加的預緊力帶來的螺母、螺栓頭部和連接構件間的摩擦力更使連接副在靜載下有防松作用。沒有采取防松措施的連接,螺旋副間的摩擦力在受變荷載、振動作用下減小或瞬時消失,會逐漸產生松脫。

采用雙螺母防松是利用雙螺母緊固后的對頂作用,使螺旋副在荷載變化時摩擦力始終存在,防止螺旋副發(fā)生相對轉動從而起到防松作用。下面我們對雙螺母防松的工作狀態(tài)進行分析。

如圖2(a)所示,當擰上并擰緊第一個螺母(即雙螺母的內螺母),內螺母螺紋的上部與螺栓螺紋的下部接觸,產生相互頂力F1。

當擰上并逐步擰緊第二個螺母(即雙螺母的外螺母),外螺母螺紋的上部與螺栓螺紋的下部接觸并有相互頂力F2存在,而這時,外螺母對內螺母同樣存在相互頂力F2,頂力F2使內螺母螺紋的上部與螺栓螺紋的下部接觸頂力降低為F1-F2:隨著外螺母的繼續(xù)擰緊,外螺母與螺栓相互頂力F2增大,當F2=F1時,內螺母螺紋的上部與螺栓螺紋的下部接觸頂力為零:當F2>F1時,內螺母螺紋與螺栓螺紋將不會接觸,如圖2(b)所示。

隨著外螺母的繼續(xù)擰緊,外螺母與螺栓相互頂力F2繼續(xù)增大,螺栓受到的拉伸變形也越來越大,而內螺母受到壓縮,當F2增加到一定程度的時候,螺栓螺紋的上部會與內螺母螺紋的下部接觸并產生相互的頂力F3,如圖2(c)所示,這時內螺母與連接構件的相互作用力為F4,F2=F3＋F4。

這種狀態(tài)下,即使受到變化的工作荷載,螺旋副螺紋間也始終存在附加的壓力和摩擦力,起到了有效防松的作用。從上面的分析可知,采用雙螺母防松方式,外螺母的預緊力較大。

對于受剪連接,薄螺母在外或在內都沒什么影響,因為荷載的傳遞是通過螺栓桿部和連接構件孔壁,螺母幾乎不受其他外力。但對于受拉連接,如果薄螺母在外,由于薄螺母本來已難以滿足連接副的強度要求,再加上其較大的預緊力,將使連接副偏向不安全。

因此,如采用一個I型螺母和一個薄型螺母防松,施工時應先擰上薄型螺母再擰上I型螺母。如采用兩個I型螺母可以避免安裝錯誤,只是經濟性不好。

4結論

(1)高性能級別的螺栓越來越多應用于輸變電鋼結構中,綜合考慮結構的重要性、生產及施工的便捷性,使用的螺栓都是普通螺栓,連接孔都是C級螺栓孔。

(2)輸變電鋼結構螺栓的抗剪連接設計原理與高強度螺栓摩擦型連接的設計原理不同,此類結構不適合采用高強度大六角頭螺栓。

(3)當輸變電鋼結構采用一個I型螺母和一個薄型螺母進行防松時,應使薄型螺母安裝在內。