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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(dòng)的高強度普通螺栓、高強螺栓、風(fēng)力發(fā)電塔筒內承受拉壓交變的高強螺栓四種類(lèi)型?？偨Y了這四類(lèi)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(guān)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(lǐng)域應用最廣泛的節點(diǎn)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(chǎn)、構造簡(jiǎn)單、成本低、安裝方便、可互換等優(yōu)點(diǎn)，在現代結構工程中被廣泛應用。而螺栓的類(lèi)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)而造成結構破壞的事故屢見(jiàn)不鮮，可見(jiàn)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(dòng)已成為鋼結構連接的一個(gè)安全隱患。分析認為，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，如準確施加預應力、采取機械措施防松、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(lèi)及目前的施工、防松措施

從螺栓的受力機理來(lái)看，可以將螺栓分為四種類(lèi)型：普通螺栓、高聳結構中承受振動(dòng)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(zhì)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(dòng)。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(chǎn)生摩擦阻力來(lái)承受剪力或減少其預壓力來(lái)受拉力。一般用于梁構件等重要的工業(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(shí)承受疲勞荷載，需要施加預拉力，并且對防松要求很高，常見(jiàn)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到規范規定值時(shí)螺栓一般就不會(huì )松動(dòng)。高聳結構中承受一定振動(dòng)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(fā)現螺栓松動(dòng)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(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，風(fēng)機運行過(guò)程中用力矩扳手檢查螺栓預緊力已成為風(fēng)電場(chǎng)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(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(cháng)，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(wèn)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(huì )引起螺紋晶相組織發(fā)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(guò)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。

分析認為導致螺栓松動(dòng)的原因有以下三點(diǎn)：一是螺栓防腐蝕方法，一般采用涂達克羅防腐，但是這樣會(huì )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(lái)降低扭矩系數。但是這樣做會(huì )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(guò)擰緊給螺栓施加預拉力，這一過(guò)程中螺栓發(fā)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(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)。當螺栓產(chǎn)生松動(dòng)后，高強螺栓變成了普通螺栓，在風(fēng)荷載作用下，螺栓的疲勞應力幅會(huì )顯著(zhù)提高，螺栓的應力幅抵抗全部外力彎矩作用。而緊固狀態(tài)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(jiàn)，當 面積很小時(shí)，螺桿的拉力就會(huì )增大。傳統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）。當塔筒受彎時(shí)，受拉側的法蘭板邊緣脫開(kāi)后（圖2b）螺栓的拉力由P 變成(a+b)P/b ，受力按柔性法蘭見(jiàn)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(dòng)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(dòng)以后，疲勞應力幅增大。螺栓長(cháng)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(wèn)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(chǎn)生松動(dòng)的內因。目前用于風(fēng)力發(fā)電塔筒內的反向平衡法蘭可以有效地解決這一問(wèn)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(cháng)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(shí)合理調節平衡面大小和力臂長(cháng)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(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的鍛造法蘭的螺桿增長(cháng)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(chǎn)生松動(dòng)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(chǎng)圖片(螺栓防松措施)

首臺采用反向平衡法蘭的風(fēng)機塔筒到目前已經(jīng)運行了三年半的時(shí)間，對螺栓進(jìn)行檢測時(shí)，未發(fā)現螺栓松動(dòng)問(wèn)題。同時(shí)，經(jīng)現場(chǎng)應力實(shí)測表明，在相同時(shí)段內同一風(fēng)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(dòng)相比也較小。說(shuō)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(lèi)型的螺栓，應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，為設計及施工人員提供參考。

參考文獻

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