联系我们 设为首页

15069106761

镀锌处理对高强螺栓扭矩系数和抗滑移系数的影响

来源:未知   发布时间:2020-04-07 09:18   已有 次浏览


作者:彭奕亮1 魏霞冰1 李洪波1 杨俊芬2 (1.河南省电力勘测设计院,郑州450007;2.西安建筑科技大学土木工程学院,西安710055)

出处:《钢结构》2012年第8期

 

摘要:高强螺栓设计中,扭矩系数和抗滑移系数是2个重要的参数,相关规范中对其取值及使用都有明确规定。输变电工程中的钢结构,因其所处环境的要求,都会采用各种防腐处理方式对结构进行保护。高强螺栓经防腐处理后,其扭矩系数会发生改变;钢板经防腐处理后,其抗滑移系数也会发生改变。为考察扭矩系数和抗滑移系数的改变,对不同厂家、不同规格、不同防腐处理的高强螺栓及钢板分别进行扭矩系数和抗滑移系数的测试工作。结果表明:高强螺栓经镀锌处理后,扭矩系数平均值和标准差均有一定程度的增加;抗滑移系数的大小则与钢板的防腐处理方式关系密切,富锌涂料处理钢板的抗滑移系数比热浸镀锌处理钢板的抗滑移系数大。

 

    日前,输变电工程钢结构常用的防腐方式有:母材采用热浸镀锌或富锌涂料等防腐方式;螺栓采用热浸镀锌或机械镀锌等防腐方式。

    螺栓的扭矩系数[1]为宏观上直接反映螺栓拧紧过程中扭矩与轴力之问关系的系数。经过各种镀锌处理后,高强螺栓的扭矩系数平均值和标准差范围,高强螺栓与钢板连接构件的抗滑移系数等,与未镀锌处理螺栓(俗称黑件)都有一定差异,但由于缺乏详细的研究,镀锌处理高强螺栓的应用存在安全隐患。

    本文主要研究高强螺栓经热浸镀锌和机械镀锌处理后扭矩系数的变化,以及不同镀锌处理螺栓连接热浸镀锌钢板或刷涂富锌涂料钢板所组成构件的抗滑移系数变化,并对测试结果予以分析。

1 试验材料、方案和方法

1.1 试验材料

1.1.1 测试扭矩系数所使用的材料

    为了使研究结果具有代表性,在螺栓的选择与购买上,考虑了厂家、镀锌处理方式、强度等级和规格等因素,作以下选择。

1)4个厂家:厂家一、厂家二、厂家三、厂家四。

2)螺栓种类:黑件螺栓、热浸镀锌螺栓、机械镀锌螺栓3种。

3)螺栓级别:8.8S和10.9S 2个级别。

4)螺栓规格:M20、M22、M24和M27 4个规格。

1.1.2 测试抗滑移系数所使用的材料

1)钢板:材质均为Q345一B,经过热浸镀锌和富锌涂料防腐处理。热浸镀锌的钢板表面仅作除锈处理;富锌涂料处理的钢板表面除经酸洗除锈处理外,另进行了抛丸处理。

2)高强螺栓:包括黑件螺栓、热浸镀锌螺栓和机械镀锌螺栓三种,规格均为M22×100,级别分别为8.8s和10.9s。8.8s螺栓生产厂家为厂家一,10.9S螺栓生产厂家为厂家四。

试验原材料的相关信息见表1。

1.2 试验方案和方法

1.2.1 扭矩系数试验方案和方法

扭矩系数试验方案详见图1。

  采用压力传感器与应变仪组成的高强螺栓扭矩系数测试装置[2],按照GB 50205—2001《钢结构工程施工质量验收规范》[3] 进行测试,试验装置见图

2。

扭矩系数测试原理如下:

1)螺栓在一定扭矩下产生应变,该应变与螺栓的预拉力之间满足线性关系;

2)将压力传感器与待测螺栓装配在一起,通过施加已知的扭矩测试出应变,根据1)中应变一预拉力的线性关系,计算出螺栓所受的预拉力;

3)根据式(1)计算出扭矩系数,并计算扭矩系数的算术平均值与标准差。

式中:正为扭矩系数;T为施加的扭矩,N·in;D为螺栓的公称直径,mm;P为螺栓所受的预拉力,kN。

1.2.2 构件抗滑移系数的试验方案和方法

    构件抗滑移系数测试的试验方案见图3,主要研究钢板在不同螺栓防腐蚀条件和不同级别等条件下,构件抗滑移系数的差异性。

 依据GB 50205—2001和表1中的尺寸,制作试件并装配成构件。装配好的构件见图4。


具体的试验步骤如下:取不同镀锌处理的螺栓一测试扭矩系数一计算需要施加的扭矩一螺栓和钢板装配成测滑移系数的试件一测试试件发生滑移时的荷载一计算抗滑移系数。

2 试验结果与分析

2.1 扭矩系数的试验结果与分析

    扭矩系数的测试与计算结果见表2。由表2可见:4个厂家的黑件螺栓的扭矩系数平均值与标准差均符合GB 50205—2001的要求(平均值为0.110~0.150,标准差不大于0.010)。但是同材质黑件螺栓经镀锌处理后得到的热浸镀锌螺栓和机械镀锌螺栓的扭矩系数却均不符合GB 50205—2001中对高强螺栓扭矩系数平均值和标准差的要求。扭矩系数平均值数据如下:厂家一的热浸镀锌螺栓扭矩系数范围为0.379~0.441,机械镀锌的为0.252~0.385;厂家二的热浸镀锌螺栓扭矩系数为0.248~0.367,机械镀锌的则高达0.365~0.523;厂家四的热浸镀锌螺栓扭矩系数为0.282~0.343,机械镀锌的为0.400~0.491。4个厂家中仅厂家三的镀锌处理螺栓扭矩系数较接近黑件螺栓扭矩系数的标准值范围:其热浸镀锌螺栓的扭矩系数为0.1 63~ 0.1 92,机械镀锌的为0.203~0.341。但就扭矩系数标准差而言,也大大超出标准值范围,表明镀锌处理螺栓扭矩系数离散性很大。

 由表2可以看出,厂家四所生产的热浸镀锌和机械镀锌高强螺栓的扭矩系数与黑件的扭矩系数差异最大。为了分析螺杆和螺帽的尺寸偏差是否为产生扭矩系数差异的原因,对厂家四10.9S级M24螺栓的螺杆和螺帽分别进行了尺寸对比,并与GB/T1229—2006(钢结构用高强度大六角螺母》_4 中的数据进行了对比,见表3和表4。

    测试结果表明,螺杆和螺帽的外部尺寸均符合标准要求。说明螺杆和螺帽的外部尺寸不是引起镀锌螺栓扭矩系数变化的因素,应该是镀锌处理导致螺帽内部尺寸的改变引起扭矩系数的变化。

2.2 抗滑移系数测试结果与分析

    由表2可知,厂家一、厂家三和厂家四黑件螺栓的扭矩系数均符合标准要求的0.11~0.15范围,但是热浸镀锌螺栓和机械镀锌螺栓的扭矩系数均远超过该范围。

  理论施加扭矩T的大小按照T—kDP计算,(式(1))。根据GB 502O5—2001,8.8S螺栓的预拉力标准值为150 kN,10.9s螺栓的预拉力标准值为210 kN 。抗滑移系数是根据试验所得的滑移荷载N 、螺栓预拉力P的实测值和摩擦面个数,按下式计算所得:

抗滑移系数测试结果见表5。

 由表5扭矩系数和施加扭矩数据可见,根据螺栓种类不一样,其扭矩系数差异很大,而根据扭矩系数计算的拧紧螺栓所需施加的扭矩差异也很大,如8.8S黑件螺栓需施加的扭矩为470 N ·in,而8.8S热浸镀锌螺栓和机械镀锌螺栓拧紧扭矩分别为1 450 N·ITI和1 030 N·ITt,较黑件螺栓高出很多。

    相对应的10.9S黑件螺栓拧紧扭矩为640 N ·1TI,10.9s热浸镀锌螺栓和机械镀锌螺栓拧紧扭矩分别为1 300 N·m和2 030 N ·m。拧紧10.9S机械镀锌螺栓时,施加的扭矩过大,导致螺栓被拧断,见图5。

    根据构件的滑移荷载,计算出构件的抗滑移系数。抗滑移系数呈现的规律如下:

1)相同防腐处理后的钢板与不同螺栓组成构件,其抗滑移系数均趋于一稳定范围,如热浸镀锌钢板与黑件螺栓、热浸镀锌螺栓或机械镀锌螺栓组成构件,抗滑移系数的范围为0.17~0.23;而富锌涂料处理的钢板,采用上述3种螺栓紧固后,抗滑移系数为0.31~0.39。

2)钢板的防腐处理方式不一样,构件的抗滑移系数差异很大。在相同紧固螺栓的连接下,富锌涂料处理钢板构件的抗滑移系数较热浸镀锌处理钢板构件的高。其原因是富锌涂料处理后,钢板表层含锌层的颗粒粗大,而热浸镀锌使钢板表层含锌层呈现连续分布的光滑层面,如图6所示。

 3)相同的防腐处理钢板,采用不同的螺栓拧紧,测试出的抗滑移系数也存在差异。主要原因是,施加的扭矩值是按照螺栓扭矩系数的平均值计算所得的,而扭矩系数的离散性较大(即标准差比较大),因此在同一个构件中施加相同扭矩时每个螺栓所获得的预拉力值差异也很大。这将会导致在同一构件中有的螺栓过拧,有的螺栓欠拧。

3 结 语

1)黑件螺栓经热浸镀锌和机械镀锌处理后,其扭矩系数平均值均不同程度地增大,且扭矩系数标准差范围也不同程度地增大了;如果按照黑件螺栓的扭矩系数来给镀锌螺栓施加预拉力,会导致镀锌螺栓达不到设计规定的预拉力值。

2)构件的抗滑移系数高低主要取决于钢板的防腐处理方式,相比较而言,构件中钢板如采用热浸镀锌处理,其抗滑移系数较小(0.17~0.23);而采用富锌涂料处理,则抗滑移系数较高(0.31~0.39)。

济南九望仪器有限公司@版权所有 鲁ICP备19050441号