输变电钢结构螺栓应用常见问题分析

引言

螺栓连接是输变电钢结构主要的连接方式之一,具有施工操作简单、安装快捷、承载力高等优点。在工程应用过程中,一些人员对螺栓的选择和使用存在一些误解,对工程施工与质量造成了不良影响。为此,本文对螺栓连接常见的几个问题进行了分析,并提出了一些建议,从而帮助相关技术人员在工程应用实践中正确使用螺栓。

1普通螺栓

近十多年来,随着输变电工程向高电压、大容量发展,输变电钢结构也向高承载能力、大型化发展,高强度性能级别的螺栓应用越来越多。

在钢结构中,螺栓分为普通螺栓和高强度螺栓,普通螺栓是指六角头螺栓,高强度螺栓是指高强度大六角头螺栓。

普通螺栓分为A、B、C三种产品等级,A级精度最高,A、B级螺栓为精制螺栓,C级螺栓为粗制螺栓,性能等级为4.6级和4.8级。

A、B级螺栓孔是I类孔,精度要求高,采用在装配好的构件上钻孔、在单个零件和构件上用钻模钻成、在单个零件和构件上冲或钻孔然后组装后再扩钻孔的工艺,孔径与螺栓公称直径相等,螺栓外径公差为负公差,孔径公差为正公差。C级螺栓孔是Ⅱ类孔,采用一次冲压或不用钻模钻成工艺完成,C级螺栓孔直径一般比螺栓直径大1~2mm。

文献[1]中规定A、B级螺栓孔应具有H12的精度,A、B、C级螺栓孔径允许偏差要求如表1所示。

由于A、B级螺栓孔精度要求高,生产制作及安装施工很复杂,造价较高,很少在钢结构中应用,在输变电钢结构中也不采用,即使6.8、8.8级甚至更高性能级别的A、B级普通螺栓都是采用C级螺栓孔,文献[2]与文献[3]中规定的螺栓都是镀锌粗制螺栓(C级)。

C级螺栓孔由于螺栓与孔之间有较大的间隙,在承受剪力的连接中,接头会产生较大的滑移,连接的变形大。因此普通螺栓主要用于沿螺栓杆轴方向受拉的连接、承受静力荷载和间接承受动力荷载结构的次要受剪连接。直接承受动力荷载构件的螺栓连接,如采用普通螺栓,则应采用双螺帽或其他能防止螺母松动的有效措施[4]。

2摩擦型连接和承压型连接

在图1的连接中,普通螺栓连接的传力特征是螺栓受剪、构件孔壁承压,以两者的承载力最小值为设计极限:高强度螺栓连接则分为摩擦型连接和承压型连接。

高强度螺栓连接与普通螺栓连接的很大区别在于高强度螺栓在安装时有很大的预拉力,被连接构件间有很大的预压力,当连接受力后,接触面间产生的摩擦力可以在一定范围内阻止构件间的相互滑移,实现传递外力的目的。

高强度螺栓摩擦型连接可以完全不靠螺栓的抗剪和构件孔壁的承压来传力,而是靠构件间接触面的摩擦力来传递外力。而高强度螺栓承压型连接的传力特征是当外力超过摩擦力时,构件之间发生相对滑移,螺栓与孔壁接触,使螺栓受剪和构件孔壁受压,与普通螺栓相同。因此,承压型高强度螺栓承载力计算方法也与普通螺栓相同。

高强度螺栓摩擦型连接保证连接构件不产生滑移,承载能力极限状态是连接件间产生相对滑移,一旦滑移,就认为设计达到破坏状态,因此,摩擦型连接的关键在于连接构件间的摩擦力,摩擦力的大小取决于摩擦面的抗滑移系数。输变电钢结构的设计使用寿命都较长,钢构件普遍采用热镀锌或喷锌防腐,这种防腐方式的构件摩擦面抗滑移系数非常低,采用摩擦型连接设计不科学、很不经济。

有些设计单位对输变电钢结构的螺栓要求采用高强度大六角头螺栓,有些建设单位对变电工程验收提出提供钢结构摩擦面的抗滑移系数及高强度螺栓连接副的试验资料的要求,从上面的分析可知,这些要求都是不科学、不合理的。甚至有些设计单位,对受剪连接采用螺栓受剪、构件孔壁受压的方法进行设计计算,但却要求螺栓按《钢结构用高强度大六角头螺栓》(HB/T1228一2006)标准供应,而此标准规定的螺栓正是适用于摩擦型连接的。这种不合理要求体现了设计人员对设计原理理解得不透彻。

文献[6]指出,变电构架结构的螺栓经热镀锌后在施工扭矩和扭矩系数等方面,不能按《钢结构高强度螺栓连接设计、施工及验收规程》中的要求执行。

3双螺母防松

输变电钢结构以承受静力荷载和风荷载为主,在风荷载的作用下,钢结构的紧固螺栓连接会产生松动,因此,这些螺栓普遍有防松的要求。目前,输变电钢结构螺栓的防松绝大部分采用双螺母或在单螺母外加装扣紧螺母这两种方式。

文献[7]指出用一个1型螺母和一个薄型螺母同时与相配的外螺纹组装、用两个1型螺母与外螺纹组装,都可以达到6g/6H连接副强度的要求并且具有良好的防松性能,这里所说的I型螺母就是与六角头螺栓常规相配的六角螺母。

当用两个J型螺母作为输变电钢结构连接的防松措施时不存在问题,但用一个K型螺母和一个薄型螺母作为防松措施时往往存在问题,就是先装L型螺母还是先装薄型螺母的问题。目前,认为先装M型螺母的占比居多,在实际施工中先拧上N型螺母再拧上薄型螺母的更多。

连接副螺纹结构本身具有自锁能力,另外,螺母紧固后施加的预紧力带来的螺母、螺栓头部和连接构件间的摩擦力更使连接副在静载下有防松作用。没有采取防松措施的连接,螺旋副间的摩擦力在受变荷载、振动作用下减小或瞬时消失,会逐渐产生松脱。

采用双螺母防松是利用双螺母紧固后的对顶作用,使螺旋副在荷载变化时摩擦力始终存在,防止螺旋副发生相对转动从而起到防松作用。下面我们对双螺母防松的工作状态进行分析。

如图2(a)所示,当拧上并拧紧第一个螺母(即双螺母的内螺母),内螺母螺纹的上部与螺栓螺纹的下部接触,产生相互顶力F1。

当拧上并逐步拧紧第二个螺母(即双螺母的外螺母),外螺母螺纹的上部与螺栓螺纹的下部接触并有相互顶力F2存在,而这时,外螺母对内螺母同样存在相互顶力F2,顶力F2使内螺母螺纹的上部与螺栓螺纹的下部接触顶力降低为F1-F2:随着外螺母的继续拧紧,外螺母与螺栓相互顶力F2增大,当F2=F1时,内螺母螺纹的上部与螺栓螺纹的下部接触顶力为零:当F2>F1时,内螺母螺纹与螺栓螺纹将不会接触,如图2(b)所示。

随着外螺母的继续拧紧,外螺母与螺栓相互顶力F2继续增大,螺栓受到的拉伸变形也越来越大,而内螺母受到压缩,当F2增加到一定程度的时候,螺栓螺纹的上部会与内螺母螺纹的下部接触并产生相互的顶力F3,如图2(c)所示,这时内螺母与连接构件的相互作用力为F4,F2=F3＋F4。

这种状态下,即使受到变化的工作荷载,螺旋副螺纹间也始终存在附加的压力和摩擦力,起到了有效防松的作用。从上面的分析可知,采用双螺母防松方式,外螺母的预紧力较大。

对于受剪连接,薄螺母在外或在内都没什么影响,因为荷载的传递是通过螺栓杆部和连接构件孔壁,螺母几乎不受其他外力。但对于受拉连接,如果薄螺母在外,由于薄螺母本来已难以满足连接副的强度要求,再加上其较大的预紧力,将使连接副偏向不安全。

因此,如采用一个I型螺母和一个薄型螺母防松,施工时应先拧上薄型螺母再拧上I型螺母。如采用两个I型螺母可以避免安装错误,只是经济性不好。

4结论

(1)高性能级别的螺栓越来越多应用于输变电钢结构中,综合考虑结构的重要性、生产及施工的便捷性,使用的螺栓都是普通螺栓,连接孔都是C级螺栓孔。

(2)输变电钢结构螺栓的抗剪连接设计原理与高强度螺栓摩擦型连接的设计原理不同,此类结构不适合采用高强度大六角头螺栓。

(3)当输变电钢结构采用一个I型螺母和一个薄型螺母进行防松时,应使薄型螺母安装在内。