作者：贾国喻（上海市建材业质量监督管理中心）、庄幼敏（上海纺织高等专科学校机械系）

出处：《建设机械技术与管理》1999年第4 期

点评：温故知新...

1 引言

    高强度螺栓联接是一种优越的钢结构联接形式, 它具有施工简便、易拆换、受力好、耐疲劳、不松动等优点, 所以目前已成为塔式起重机(以下简称塔机)安装的主要联接手段。由于塔机在完成了一个施工任务后要拆卸并在下次使用时重新安装, 于是就有了拆卸后的高强度螺栓能否在下次安装时再次使用以及能重复使用几次的问题。由于紧固件的使用关系到塔机工作的安全性以及施工单位的经济效益, 因此必须对高强度螺栓的重复使用问题有一明确的认识。建筑行业标准JG/ T5057.40一1995 中已明文规定: 高强度螺栓螺母使用后拆卸下再次使用,一般不得超过两次。但其中道理一些从事塔机设计的人员和施工管理的人员并不真正了解, 以致于目前执行标准的情况不甚理想。据调查, 在上海地区百分之九十以上的塔机高强度紧固件都任其反复使用, 直到断裂为止, 这对塔机的安全工作是个潜在的危险。调查中发现的另一个问题是, 有关执行标准较好的工程技术人员不恰当地从疲劳寿命的角度来对标准中的规定进行解释, 即提出塔机高强度螺栓一般安全使用的疲劳寿命约为五年, 因此每次施工18 个月左右的塔机, 其高强度螺栓重复使用次数便只有两次, 而每次施工期较短的塔机, 其高强度螺栓重复使用次数可以放宽。笔者以为在这种说法中,对高强度螺栓疲劳寿命的估计是不够正确的, 也是与实际不符的, 因此并不能引导人们去正确执行标准, 为此拟以本文与有关工程技术人员进行探讨。应当指出, 关于高强度螺栓联接, 国内外已经积累了大量的研究成果, 其设计与施工问题基本都获解决,但国内在塔机上使用高强度螺栓的时间较短, 本文旨在将正确的理论引人该工程实际。

2 从紧固原理看高强度螺栓的重复使用问题

    高强度螺栓联接有摩擦型、张拉型和承压型三种, 塔机上使用的属于前两种联接型式, 都是利用被联接板之间的摩擦力来传递载荷的。为了能比普遍受拉螺栓联接获得更好的联接强度、联接刚性和联接效率, 塔机上高强度螺栓必须按正确的方法进行紧固, 以精确地获得很高的联接预紧力。高强度螺栓常用的紧固方法是扭矩法和转角法。扭矩法是以拧紧扭矩M 与预紧力凡的关系为依据的。在高强度螺栓出现以前就已经知道: M = k·d·Fsp式中k 为扭矩系数,d 为螺纹公称直径。

 

 所谓扭矩法就是将扭矩系数当作定值, 通过控制拧紧扭矩从而控制预紧力的一种紧固方法, 显然这种方法必须以扭矩系数始终保持计算时的定值前提, 否则即使拧紧扭矩施加很精确, 也无法得到精确的预紧力, 但试验和现场使用经验都证实扭矩系数具有不稳定的性质。当将一个拧紧的螺栓联接松开后再次拧紧时, 扭矩系数即下降。图1 所示为日本的试验结果, 表明扭矩系数随重复拧紧次数的增加而降低的情形, 这是由于重复拧紧时摩擦表面被磨光，摩擦系数下降所致。除此之外, 高强度螺栓紧固件的锈蚀、润滑、温度、湿度情况都将影响扭矩系数。仅就锈蚀而言, 显然塔机上使用的高强度螺栓紧固件重复使用几次的锈蚀情况会有很大的不同, 必将引起扭矩系数很大的变化。

    因为扭矩系数的这种不稳定性, 多次重复使用高强度螺栓极易造成或预紧力不足, 或过分紧固, 甚至还可能将螺栓拧断, 所以不建议多次重复使用高强度螺栓。但显然如果能掌握扭矩系数确切的变化数值, 相应调整拧紧扭矩的大小, 那么精确控制预紧力也是可能的, 这时多次重复使用便成为可行。

 

 拧紧螺母时, 螺母转过的角度与螺栓的轴力( 即预紧力) 呈现一定的关系, 如图2 所示, 因此紧固时可以用螺母转角的大小来控制预紧力, 这就是所谓的转角法。转角法紧固时, 先转动螺母到螺栓的轴力超过A 点( 相当于被联接件密贴程度) , 此称为初拧, 再以此为起始位置, 将螺母终拧某额定角度, 一般规定为1/2 圈或3/4 圈, 此时螺栓的轴力不仅达到规定的保证载荷( 我国规定的保证载荷比屈服极限略低) 而且超过r 点达到塑性区域。由于在rM 之间的塑性区域内, 螺母转角有误差时所产生的螺栓力变化很微小, 这就为获得预定的预紧力提供了保障,即通常施工时存在的螺母拧紧程度的误差几乎不引起预紧力的误差。而在Ar 之间, 同样大小的螺母转角误差所对应的螺栓轴力的误差是有相当数量的,所以拧紧到这个区域是不恰当的, 即施工时存在的螺母拧紧程度误差会引起较大的预紧力误差。由此可见, 以转角法精确控制螺栓预紧力必将是以引起超过弹性极限的螺栓轴力为前提的, 在这种情况下,重复使用高强度螺栓是不适当的。图3 所示是美国A 4 90 高强度螺栓试验得出的代表性结果, 可见设计

所要求的最低预紧力只在第一次和第二次使用时达到, 以后使用时预紧力急剧下降, 这是由于重复拧紧积累的塑性变形已使其不再有足够的变形能力可以来承受在初拆后额外施加的终拧, 即其拧紧能力或称螺母的转动传力急剧下降了。试验还已经指出镀锌螺栓的拧紧能力比不镀锌的降低更多, 因此在美国是绝对不准许重复使用有镀层的高强度螺栓的。

 

综上所述, 不论是用扭矩法或是转角法紧固高强度螺栓, 一般均存在重复使用多次后预紧力不能精确控制而使联接的可靠性和安全性下降的危险,这正是JG/ T5057 . 4 0 -1995 规定使用后拆卸下的高强度螺栓、螺母, 再次使用的次数不得超过两次的道理所在。有必要指出的是, 有些塔机的高强度螺栓曾重复使用多次而仍未发生问题, 这往往是不少施工者实际上只将高强度螺栓象普通螺栓一样去使用,既不施以高的预紧力, 也不严格仔细地控制和检查预紧力, 这显然不是真正意义上的高强度螺栓联接。

3 高强度螺栓疲劳寿命的估算

    塔机的工作并不频繁, 其高强度螺栓按有限寿命设计是可行的, 但这就有一个疲劳寿命如何正确估算的问题。在外载荷仅为横向载荷的摩擦型高强度联接中, 一般不存在高强度螺栓本身的疲劳问题,但在受有轴向外载荷的张拉型联接中有螺栓的疲劳问题, 下面以塔机上常用的12.9 级M33高强度螺栓为例估算其疲劳寿命。当张拉型高强度螺栓联接受轴向脉动循环载荷作用时, 螺栓受到的是非对称循环的单向拉力作用, 其最低载荷是预紧力Fsp。按文

(6) 佑计高强度螺栓的寿命

    一般, 塔机一年的工作循环次数可定为21000次, 若以此作为高强度螺栓的年寿命要求, 则可算得12.9 级M33高强度螺栓的疲劳寿命为5*10的五次方，约等于24 年。以上疲劳寿命约估算较为粗糙, 但对估计高强度螺栓寿命的数量级还是可取的。可见, 塔机上高强度螺栓的疲劳寿命远不止五年, 因此从疲劳寿命的观点出发, 用塔机经历的工程时间长短来解释其螺栓的重复使用次数问题是一种误解。

 塔机上使用的高强度螺栓的抗拉强度极限均在800MPa 以上。一般地说, 强度越高的零件对应力集中越敏感, 也就越容易发生疲劳破坏, 加之塔机遭受的侧向变动风载、螺栓遭受的电腐蚀和锈蚀均会影响高强度螺栓的疲劳寿命, 从这一点上说对高强度螺栓的疲劳问题引起足够重视是必要的。但同时我们也不可不注意到高强度螺栓的两大特点, 一是它以滚碾法制造, 应力集中大大降低; 二是它导人很高的预紧力(下限应力较高), 因此在外载荷变动很大时也能保持较小的应力振幅。国外试验结果表明, 影响高强度螺栓疲劳强度的主要因素正是应力振幅, 而平均应力和下限应力的影响甚小, 所以高的预紧力对其疲劳强度是极其有利的(这也就是高强度螺栓为何要精确地施以高的预紧力的原因之一)。长期的实践也证明, 在高强度螺栓联接中由高强度螺栓本身发生疲劳而使联接破坏的情况极为少见,有时, 强度级别很高的高强度螺栓在使用中会发生脆断, 但这往往是延滞断裂而并非疲劳断裂(塔机使用的高强度螺栓的强度极限均在1300MPa 以下, 发生延滞断裂的可能性也不大, 详细可见有关专著）。

4 结语

    综上所述, 高强度螺栓重复使用次数一般不受螺栓疲劳寿命的限制, 主要是受到精确预紧力要求的限制。由于预紧力值直接关系到高强度螺栓联接的使用性能, 因此塔机施工管理人员必须按照行业规范, 切实做好高强度螺栓重量复使用的管理工作。

参考文献

1.建筑工业行业标准; 建筑机械与设备高强度紧固件,1995.2

2. 山本晃, 郭可谦: 螺纹联接的理论与计算, 上海: 科技出版社, 1986

3. 张祖明; 机械零件强度的现代设计方法, 北京: 航空工业出版社, 1990, 7