重型钢丝缠绕预应力剖分坎合结构概述
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第４５卷第１１期 ２００９年１ １月
机械工程学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｖ０１．４５ ＮＯ．１ｌ
ＮＯＶ．
２ ００９
ＤｏＩ：ｌＯ．３９０１，ＪＭＥ．２００９．１１．３０６
重型钢丝缠绕预应力剖分一坎合结构概述
颜永年１ 刘海霞１’２ 曾攀１ 林峰１ 张磊１ 张人佶１
ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｂｕｍｐｙ ｒｉｄｇｅ ｊｏｉｎｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｉｓ ａ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｓｃｉｅｎｃｅ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ａ ｋｅｙ ｆａｃｔｏｒ ｔｏ ｐｒｏｍｏｔｅ ｔｈｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｖｉｅｗ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ａｌｌｏｗａｂｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｐｉｅｃｅｓ，ｓｔｒｅｓｓ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｅｄ ｐｉｅｃｅｓ，ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ｒｅｓｉｄｕａｌ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ，ｆａｔｉｇｕｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｔａｒｇｅｔ．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｖｙ ｂｏｌｔｓ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｒｅ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ．Ｏｗｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔ ｏｆ ｌｏｗｅｒ ａｌｌｏｗａｂｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｐｉｅｃｅｓ，ｉｔ ｉｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｈｉｇｈ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅａｖｙ ａｎｄ ｓｕｐｅｒ ｈｅａｖｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ；ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｐｉｅｃｅｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｎｅｅｄ ｔｏ ｏｃｃｕｐｙ ａ ｂｉｇ ｓｐａｃｅ ｂｕｔ ａｌｓｏ ｃａｎｎｏｔ ｏｆｆｅｒ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｔｏ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｅｄ ｐｉｅｃｅｓ．Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙ，ａ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｗｉｎｄｉｎｇ ｗｉｒｅ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｂｕｍｐｙ ｒｉｄｇｅ ｊｏｉｎｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｍａｄｅ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｂｅｓｉｄｅｓ ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｅｄ ｐｉｅｃｅｓ ｒｅｍａｉｎｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｐｒｅ－ｓｔｒｅｓｓ ｕｐ ｔｏ ５０％．Ａｌｌ ｔｈｅｓｅ ａｒｅ ｆａｖｏｒａｂｌｅ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｔｈｅ ｓｈｅａｒｉｎｇ ｏｆｆｓｅｔ ｏｆ ｐｉｅｃｅｓ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｔａｂｌｅ ｉｓ ｇｉｖｅｎ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｈｅａｖｙ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｈｅａｖｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ ｗｉｒｅ ｗｏｕｎｄ Ｊｏｉｎｉｎｇ Ｂｕｍｐｙ ｒｉｄｇｅ
近百年来，重型螺栓预应力剖分一组合结构大 量用于重型装备１１０Ｉ，尽管不断出现由于结构的原理 性固有问题而产生的事故报告，但在２０世纪末钢丝 缠绕预应力剖分一坎合结构大量应用于重型领域以 前，工程界只能采用螺栓预紧的重型预应力剖分一 组合结构。这种由螺栓施加预紧力技术可能产生的 原理性问题有以下几点。
０前言
近代重型结构制造技术路线的形成和发展始
２００８１ Ｉ １６收到初稿，２００９０６２７收到修改稿
万方数据
于１９世纪未２０世纪初，有百年以卜的历史，与任 何一种技术领域的发展一样，它既是当代工业和经 济发展催生的产物，又是在当代科学、技术和工程 环境的支持下发展并受其制约的结果。延续垒２０ 世纪巾叶的重型结构制造技术路线的基本框架是在 重型冶炼能力的支持下，被迫追求尽可能大的铸、
Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ Ｈｅａｖｙ Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ Ｂｕｍｐｙ Ｒｉｄｇｅ Ｊｏｉｎｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｗｉｔｈ Ｓｔｅｅｌ嘶ｉｒｅ”白ａｎｄ
ＹＡＮ Ｙｏｎｇｎｉａｎｌ ＬＩＵ Ｈａｉｘｉａｌ·２ ＺＥＮＧ Ｐａｎｌ ＬＩＮ Ｆｅｎ９１ ＺＨＡＮＧ Ｌｅｉｌ ＺＨＡＮＧ Ｒｅｎｊｉｌ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４；
ｍ清华大学机械工程系北京 １ ０００８４： ２．北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京 １０００８３）
摘要：霞型整体结构转变成螺栓预应力剖分一组合结构再发展到钢丝缠绕预应力剖分一坎合结构是科学、技术、工程发展的 结果，预应力技术是推动这一发展的关键因素。从预紧件的许用应力、被预紧件的应力波动比、预紧系数、预紧刚度、剩余 顶应力、疲劳抗力、技术经济等多个角度系统分析这几种结构的优缺点和应用背景。着霞指出重型螺栓预应力剖分一组合结 构的原理性缺点，由于预紧件许用应力的限制，在重型和超重型结构应用中难以获得高的力学指标，预紧件须占据很大的窄 间且无法对被预紧件进行法向应力保护。详尽对比分析钢丝缠绕预应力剖分一坎合结构力学特性及应用于霞犁结构的优势， 可提供高可靠性预紧力，被预紧件上的剩余压应力与预应力之比可达到５０％左右，对防止子件间剪切错移十分有利。通过给 出重型预紧结构设计参数优选表，为重型预应力结构的设计提供了科学的参考。 关键词：重型结构预应力钢丝缠绕组合坎合 中图分类号：ＴＢＩ
（１）预紧刚度过高的问题。预应力结构的力学 特性由其预紧件和被预紧件对于工作载荷的分配关
万方数据
机械工程学报
第４５卷第１１期
图２ ＡＤ公司４００ ＭＮ模锻液压机
系所决定。由于大型螺栓的许用应力受制于冶炼、 锻造及热处理等一系列热加工工艺，难以提高，一 般在１００－－－一１５０ ＭＰａ。为了获得巨大的预紧力，只有 增加螺栓的截面积，即增加了预紧刚度。所谓预紧 刚度可采用预紧件所承受的工作载荷份额（百分数） 来表示，预紧刚度越大，预紧件即螺栓承受的工作 载荷份额越大，其结果就是螺栓承受的交变应力幅 值与其平均应力比值（应力波动比）越大，预应力结 构的力学特性越差，则疲劳抗力（强度）越低，这是 导致螺栓破坏的主要原因。显然，重型螺栓的许用 应力是难以提高的，因而高应力波动比无法解决， 这是原理性问题之一。
预应力机械结构早在１７世纪就已产生（主要是 大炮的预紧），１９世纪已有大量的工业应用。自２０ 世纪以来，粗螺栓预应力技术（用粗螺栓将子件预紧 形成组合件的技术）已发展到十分成熟的地步【４】，为 了提高结构的可靠性，２０世纪中叶细螺栓预应力技 术逐步发展起来ｐＪ。工程界为追求更高的技术经济 指标和更高的结构可靠性，又将细螺栓技术发展成 为钢丝缠绕预应力技术，并于２０世纪８０年代至２１ 世纪初，逐渐形成现代预应力技术之一，即钢丝缠 绕预应力技术【６１。钢丝缠绕预应力技术提供了高可 靠性预紧力。借助缠绕机器人，对于数千吨重的结 构件自动施加数万吨乃至十几万吨预紧力的技术在 我国率先实现。上述预应力技术的进步，特别是本 文要分析的重点——重型钢丝缠绕预应力剖分一坎 合结构ｌ列及制造技术路线，大大推动了重型结构的 发展。
２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｏｐｔｏ—ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １ ０００８３）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｅａｖｙ ｏｖｅｒａｌｌ ｓｔｒｕｃｔ来自百度文库ｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｉｎｔｏ ｈｅａｖｙ ｂｏｌｔｓ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｆｕｒｔｈｅｒ ｉｎｔｏ ｈｅａｖｙ ｗｉｎｄｉｎｇ ｗｉｒｅ
１重型整体结构、预应力剖分一组合 结构和预应力剖分一坎合结构
本文将重型结构分为三类：重型整体结构、重 型螺栓预应力剖分一组合结构和重型钢丝缠绕预应 力剖分一坎合结构。 １．１重型整体结构
重型整体结构是一次铸造、锻造或由铸、锻、 轧子件经焊接而形成的一种整体结构件，焊接连接 是一种冶金结合。如宝钢的４５０ ｔ的５ ｍ轧机牌坊， 铸件约５５０ ｔ，用了约７００ ｔ钢水一次浇铸完成，如 图ｌ所示。又如１９５８－－－１９６０年，上海江南造船厂自 行设计制造１２ ０００ ｔ自由锻水压机，其４根长度为
１８ ｍ，直径约为ｌ ｍ的立柱，工程人员创造性地采 用了分段铸造后焊成整体的工艺路线制造‘８１。再如 ７００－－－９００ ｔ的水轮机转轮是由不锈钢铸造的上冠、 下环和十几枚具有自由曲面的叶片，经焊接而成。 这些都是本文定义的重型整体结构。
图１重型轧机整体牌坊
重型整体结构的制造触及到重型冶金、铸造、 锻造、焊接、热处理、机械加工和起重运输等一系 列工艺和技术的极限能力。往往由于多个环节能力 和规模不足，无法完成重型结构的整体制造，而成 为工程的瓶颈，极大地影响重型装备的发展。 １．２重型螺栓预应力剖分一组合结构
一般来说，用于重型缙构的粗螺栓由于低许用 应力而导致大截面积，其值与被预紧件面积相当， 工作载荷的５０％左右被粗螺栓所承受。也就是说， 预紧刚度过高。
（２）应力集中难以避免的问题。螺纹根部是严 重的应力集中区，许多预应力剖分一组合结构的失 效无不与螺纹根部裂纹失稳扩张有关，这是另一个
预应力结构由预紧件（如螺栓）和被预紧件（如立 柱）子件所组成。所谓重型螺栓预应力剖分一组合结 构，是指子件间不通过紧接形成冶金结合的方式， 由螺栓特别是直径很大的粗螺栓将子件预紧而形成 的具有重型承载能力的组合件ｆ９Ｊ。由于其子件界面 的压应力场强度不够，不足以形成阻止子件界面相 互错动的抗剪切阻力，必须在剪切界面上增设键、 销、块、台等抗剪切结构。
这种粗螺栓预紧的重型预应力剖分一组合结 构成功地用于许多重型装备，如德国西马克公司和 德国ＳＰＳ公司于２００６年为法国ＡＤ公司，在法国 土伦附近的Ｐａｍｉｅｓ Ａｉｒｆｏｒｇｅ工厂制造安装的重型 ４００ ＭＮ模锻液压机，其承载机架由４根巨大的粗 螺栓等预紧而成，运动部分质量达２ ５５０ ｔ，如图２ 所示。
２００９年ｌ １月
颜永年等：重型钢丝缠绕预应力剖分一坎合结构概述
锻和焊成形能力，用尽可能少的ｆ个子件组装成重 型结构（ｆ＝ｌ为整体结构，ｆ＞１时为组合结构）【１’２】。 如３００＂５００ ｔ的轧机牌坊（扛ｌ，整体结构）、１ ０００＂～ ２ ０００ ｔ的液压机承载机架（ｆ＞ｌ，组合结构）、７００ ｔ 的水轮机转轮（ｉ＝ｌ，焊接整体结构）、６０－－一４００ ｔ的 锻造工作缸部件（ｉ＝ｌ，整体结构）都是代表之作。 这条技术路线推动了近代重型装备百年的发展。
进入２０世纪末、２１世纪初，我国经济高速发 展，伴随着全球经济增长，我们面临更大尺度、更 大质量和承载能力的重型装备的需求，如一个活动 横梁的质量会超过５００ ｔ：一个承载机架长达３５ ｍ、 重达３ ０００ ｔ；需要制造更大的水轮机转轮、更高参 数的锅炉、更大的油轮和超大的民航客机等。新的 工业规模和强劲需求以及现代数字设计技术和数字 模拟分析技术ｆ３】必将催生重型结构制造的新技术 路线。
机械工程学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｖ０１．４５ ＮＯ．１ｌ
ＮＯＶ．
２ ００９
ＤｏＩ：ｌＯ．３９０１，ＪＭＥ．２００９．１１．３０６
重型钢丝缠绕预应力剖分一坎合结构概述
颜永年１ 刘海霞１’２ 曾攀１ 林峰１ 张磊１ 张人佶１
ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｂｕｍｐｙ ｒｉｄｇｅ ｊｏｉｎｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｉｓ ａ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｓｃｉｅｎｃｅ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ａ ｋｅｙ ｆａｃｔｏｒ ｔｏ ｐｒｏｍｏｔｅ ｔｈｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｖｉｅｗ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ａｌｌｏｗａｂｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｐｉｅｃｅｓ，ｓｔｒｅｓｓ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｅｄ ｐｉｅｃｅｓ，ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ｒｅｓｉｄｕａｌ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ，ｆａｔｉｇｕｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｔａｒｇｅｔ．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｖｙ ｂｏｌｔｓ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｒｅ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ．Ｏｗｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔ ｏｆ ｌｏｗｅｒ ａｌｌｏｗａｂｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｐｉｅｃｅｓ，ｉｔ ｉｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｈｉｇｈ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅａｖｙ ａｎｄ ｓｕｐｅｒ ｈｅａｖｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ；ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｐｉｅｃｅｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｎｅｅｄ ｔｏ ｏｃｃｕｐｙ ａ ｂｉｇ ｓｐａｃｅ ｂｕｔ ａｌｓｏ ｃａｎｎｏｔ ｏｆｆｅｒ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｔｏ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｅｄ ｐｉｅｃｅｓ．Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙ，ａ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｗｉｎｄｉｎｇ ｗｉｒｅ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｂｕｍｐｙ ｒｉｄｇｅ ｊｏｉｎｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｍａｄｅ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｂｅｓｉｄｅｓ ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｅｄ ｐｉｅｃｅｓ ｒｅｍａｉｎｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｐｒｅ－ｓｔｒｅｓｓ ｕｐ ｔｏ ５０％．Ａｌｌ ｔｈｅｓｅ ａｒｅ ｆａｖｏｒａｂｌｅ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｔｈｅ ｓｈｅａｒｉｎｇ ｏｆｆｓｅｔ ｏｆ ｐｉｅｃｅｓ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｔａｂｌｅ ｉｓ ｇｉｖｅｎ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｈｅａｖｙ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｈｅａｖｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ ｗｉｒｅ ｗｏｕｎｄ Ｊｏｉｎｉｎｇ Ｂｕｍｐｙ ｒｉｄｇｅ
近百年来，重型螺栓预应力剖分一组合结构大 量用于重型装备１１０Ｉ，尽管不断出现由于结构的原理 性固有问题而产生的事故报告，但在２０世纪末钢丝 缠绕预应力剖分一坎合结构大量应用于重型领域以 前，工程界只能采用螺栓预紧的重型预应力剖分一 组合结构。这种由螺栓施加预紧力技术可能产生的 原理性问题有以下几点。
０前言
近代重型结构制造技术路线的形成和发展始
２００８１ Ｉ １６收到初稿，２００９０６２７收到修改稿
万方数据
于１９世纪未２０世纪初，有百年以卜的历史，与任 何一种技术领域的发展一样，它既是当代工业和经 济发展催生的产物，又是在当代科学、技术和工程 环境的支持下发展并受其制约的结果。延续垒２０ 世纪巾叶的重型结构制造技术路线的基本框架是在 重型冶炼能力的支持下，被迫追求尽可能大的铸、
Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ Ｈｅａｖｙ Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ Ｂｕｍｐｙ Ｒｉｄｇｅ Ｊｏｉｎｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｗｉｔｈ Ｓｔｅｅｌ嘶ｉｒｅ”白ａｎｄ
ＹＡＮ Ｙｏｎｇｎｉａｎｌ ＬＩＵ Ｈａｉｘｉａｌ·２ ＺＥＮＧ Ｐａｎｌ ＬＩＮ Ｆｅｎ９１ ＺＨＡＮＧ Ｌｅｉｌ ＺＨＡＮＧ Ｒｅｎｊｉｌ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４；
ｍ清华大学机械工程系北京 １ ０００８４： ２．北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京 １０００８３）
摘要：霞型整体结构转变成螺栓预应力剖分一组合结构再发展到钢丝缠绕预应力剖分一坎合结构是科学、技术、工程发展的 结果，预应力技术是推动这一发展的关键因素。从预紧件的许用应力、被预紧件的应力波动比、预紧系数、预紧刚度、剩余 顶应力、疲劳抗力、技术经济等多个角度系统分析这几种结构的优缺点和应用背景。着霞指出重型螺栓预应力剖分一组合结 构的原理性缺点，由于预紧件许用应力的限制，在重型和超重型结构应用中难以获得高的力学指标，预紧件须占据很大的窄 间且无法对被预紧件进行法向应力保护。详尽对比分析钢丝缠绕预应力剖分一坎合结构力学特性及应用于霞犁结构的优势， 可提供高可靠性预紧力，被预紧件上的剩余压应力与预应力之比可达到５０％左右，对防止子件间剪切错移十分有利。通过给 出重型预紧结构设计参数优选表，为重型预应力结构的设计提供了科学的参考。 关键词：重型结构预应力钢丝缠绕组合坎合 中图分类号：ＴＢＩ
（１）预紧刚度过高的问题。预应力结构的力学 特性由其预紧件和被预紧件对于工作载荷的分配关
万方数据
机械工程学报
第４５卷第１１期
图２ ＡＤ公司４００ ＭＮ模锻液压机
系所决定。由于大型螺栓的许用应力受制于冶炼、 锻造及热处理等一系列热加工工艺，难以提高，一 般在１００－－－一１５０ ＭＰａ。为了获得巨大的预紧力，只有 增加螺栓的截面积，即增加了预紧刚度。所谓预紧 刚度可采用预紧件所承受的工作载荷份额（百分数） 来表示，预紧刚度越大，预紧件即螺栓承受的工作 载荷份额越大，其结果就是螺栓承受的交变应力幅 值与其平均应力比值（应力波动比）越大，预应力结 构的力学特性越差，则疲劳抗力（强度）越低，这是 导致螺栓破坏的主要原因。显然，重型螺栓的许用 应力是难以提高的，因而高应力波动比无法解决， 这是原理性问题之一。
预应力机械结构早在１７世纪就已产生（主要是 大炮的预紧），１９世纪已有大量的工业应用。自２０ 世纪以来，粗螺栓预应力技术（用粗螺栓将子件预紧 形成组合件的技术）已发展到十分成熟的地步【４】，为 了提高结构的可靠性，２０世纪中叶细螺栓预应力技 术逐步发展起来ｐＪ。工程界为追求更高的技术经济 指标和更高的结构可靠性，又将细螺栓技术发展成 为钢丝缠绕预应力技术，并于２０世纪８０年代至２１ 世纪初，逐渐形成现代预应力技术之一，即钢丝缠 绕预应力技术【６１。钢丝缠绕预应力技术提供了高可 靠性预紧力。借助缠绕机器人，对于数千吨重的结 构件自动施加数万吨乃至十几万吨预紧力的技术在 我国率先实现。上述预应力技术的进步，特别是本 文要分析的重点——重型钢丝缠绕预应力剖分一坎 合结构ｌ列及制造技术路线，大大推动了重型结构的 发展。
２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｏｐｔｏ—ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １ ０００８３）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｅａｖｙ ｏｖｅｒａｌｌ ｓｔｒｕｃｔ来自百度文库ｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｉｎｔｏ ｈｅａｖｙ ｂｏｌｔｓ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｆｕｒｔｈｅｒ ｉｎｔｏ ｈｅａｖｙ ｗｉｎｄｉｎｇ ｗｉｒｅ
１重型整体结构、预应力剖分一组合 结构和预应力剖分一坎合结构
本文将重型结构分为三类：重型整体结构、重 型螺栓预应力剖分一组合结构和重型钢丝缠绕预应 力剖分一坎合结构。 １．１重型整体结构
重型整体结构是一次铸造、锻造或由铸、锻、 轧子件经焊接而形成的一种整体结构件，焊接连接 是一种冶金结合。如宝钢的４５０ ｔ的５ ｍ轧机牌坊， 铸件约５５０ ｔ，用了约７００ ｔ钢水一次浇铸完成，如 图ｌ所示。又如１９５８－－－１９６０年，上海江南造船厂自 行设计制造１２ ０００ ｔ自由锻水压机，其４根长度为
１８ ｍ，直径约为ｌ ｍ的立柱，工程人员创造性地采 用了分段铸造后焊成整体的工艺路线制造‘８１。再如 ７００－－－９００ ｔ的水轮机转轮是由不锈钢铸造的上冠、 下环和十几枚具有自由曲面的叶片，经焊接而成。 这些都是本文定义的重型整体结构。
图１重型轧机整体牌坊
重型整体结构的制造触及到重型冶金、铸造、 锻造、焊接、热处理、机械加工和起重运输等一系 列工艺和技术的极限能力。往往由于多个环节能力 和规模不足，无法完成重型结构的整体制造，而成 为工程的瓶颈，极大地影响重型装备的发展。 １．２重型螺栓预应力剖分一组合结构
一般来说，用于重型缙构的粗螺栓由于低许用 应力而导致大截面积，其值与被预紧件面积相当， 工作载荷的５０％左右被粗螺栓所承受。也就是说， 预紧刚度过高。
（２）应力集中难以避免的问题。螺纹根部是严 重的应力集中区，许多预应力剖分一组合结构的失 效无不与螺纹根部裂纹失稳扩张有关，这是另一个
预应力结构由预紧件（如螺栓）和被预紧件（如立 柱）子件所组成。所谓重型螺栓预应力剖分一组合结 构，是指子件间不通过紧接形成冶金结合的方式， 由螺栓特别是直径很大的粗螺栓将子件预紧而形成 的具有重型承载能力的组合件ｆ９Ｊ。由于其子件界面 的压应力场强度不够，不足以形成阻止子件界面相 互错动的抗剪切阻力，必须在剪切界面上增设键、 销、块、台等抗剪切结构。
这种粗螺栓预紧的重型预应力剖分一组合结 构成功地用于许多重型装备，如德国西马克公司和 德国ＳＰＳ公司于２００６年为法国ＡＤ公司，在法国 土伦附近的Ｐａｍｉｅｓ Ａｉｒｆｏｒｇｅ工厂制造安装的重型 ４００ ＭＮ模锻液压机，其承载机架由４根巨大的粗 螺栓等预紧而成，运动部分质量达２ ５５０ ｔ，如图２ 所示。
２００９年ｌ １月
颜永年等：重型钢丝缠绕预应力剖分一坎合结构概述
锻和焊成形能力，用尽可能少的ｆ个子件组装成重 型结构（ｆ＝ｌ为整体结构，ｆ＞１时为组合结构）【１’２】。 如３００＂５００ ｔ的轧机牌坊（扛ｌ，整体结构）、１ ０００＂～ ２ ０００ ｔ的液压机承载机架（ｆ＞ｌ，组合结构）、７００ ｔ 的水轮机转轮（ｉ＝ｌ，焊接整体结构）、６０－－一４００ ｔ的 锻造工作缸部件（ｉ＝ｌ，整体结构）都是代表之作。 这条技术路线推动了近代重型装备百年的发展。
进入２０世纪末、２１世纪初，我国经济高速发 展，伴随着全球经济增长，我们面临更大尺度、更 大质量和承载能力的重型装备的需求，如一个活动 横梁的质量会超过５００ ｔ：一个承载机架长达３５ ｍ、 重达３ ０００ ｔ；需要制造更大的水轮机转轮、更高参 数的锅炉、更大的油轮和超大的民航客机等。新的 工业规模和强劲需求以及现代数字设计技术和数字 模拟分析技术ｆ３】必将催生重型结构制造的新技术 路线。