塔吊高强度螺栓的预紧力及重复使用分析

塔吊高强度螺栓的预紧力及重复使用分析【摘要】钢结构工程的重要性已越来越被业内人士所认同，它关系到钢结构的使用寿命。

本文就钢结构高强度螺栓的施工质量与扭矩系数、摩擦系数、长度的关系进行了说明。

高强度螺栓在安装前需复检，以及安装工艺流程和储运、保管等三个方面作了阐述通过对塔式起重机（以下简称塔吊）塔身连接的高强度螺栓连接副的受力分析，得出预紧力的重要性，然后又介绍两种控制高强度螺栓预紧力的方法，得出高强度螺栓重复使用次数不得超过2次的原由。

关键词：高强度螺栓；预紧力；扭矩法；转角法一、引言目前，无论是大容量发电机组的炉架和主厂房，还是大型的塔吊、门吊等起重设备，或者是越来越多的大型厂房、桥梁等均采用钢结构，因钢结构以其施工周期短、使用寿命长、收益快等特点，在现代工业中占有较大一席之地，前景可观。

钢结构要形成一个稳固的框架整体，用高强度螺栓进行连接是现在目前采用较多的连接形式。

特别是现在大型燃煤电站锅炉，无论是200 MW 机组，还是1 000 MW 机组，都采用全钢架结构，来承载受热面。

钢结构主要用高强度螺栓副进行连接，故高强度螺栓的施工质量就对钢结构受力、钢结构的设计寿命而言，就显得非常重要。

下面主要就高强度螺栓在电站锅炉钢结构中的施工质量与各位同仁进行探讨。

高强度螺栓连接方式由于其对于被连接件制作精度要求低，连接方便、成本低廉而广泛应用于中小型塔式起重机的塔身连接上。

但由于施工安装人员缺乏对该种连接方式的认识，往往不按规定控制预紧力，而只将高强度螺栓如普通螺栓一般多次重复使用，高强度螺栓并未起高强度螺栓的真正作用。

二、高强度螺栓的发展、特点和分类高强度螺栓连接是继铆接、焊接之后发展起来的一种新型钢结构连接形式。

其特点是施工方便，可拆可换、传力均匀、接头刚性好，承载能力大，疲劳强度高，螺母不易松动，结构安全可靠。

按连接形式可分为摩擦连接和承压连接；按种类可分为大六角头高强度螺栓和扭剪型高强度螺栓。

大六角头高强度螺栓也可叫扭矩型高强度螺栓，特点是依靠施工扳手来控制螺栓、螺母的紧固扭矩；扭剪型高强度螺栓是在普通大六角头高强度螺栓的基础上发展起来的，螺头和铆钉相仿，特点是在丝扣端头设置了控制紧固扭矩的梅花卡头和环形切口。

国电九江三期发电厂2×350 MW 机组就是用的是大六角头高强度螺栓，是承压连接；丰城发电厂4×300 MW 机组、华能井冈山发电厂2×300 MW 机组、华能山西榆社发电厂2×300 MW 机组，以及目前江西省内在建的中电投江西新昌2×660 MW 超超临界机组，华能井冈山发电厂2×660 MW 超超临界机组用的都是剪型高强度螺栓，是摩擦连接。

三、高强度螺栓的扭矩系数、长度、摩擦系数与施工质量的关系本文从分析预紧力对高强度螺栓连接的重要性入手，结合工程实际，得出预紧力的重要性，然后又介绍两种控制高强度螺栓预紧力的方法，得出高强度螺栓重复使用次数不得超过2次的原因。

在施工现场使用中，经常会出现如下现象：①使用生锈的螺栓、螺母与垫圈；②丝扣损坏后用锉刀修复一下继续使用；③在螺杆上涂黄油使用；④螺栓粘有脏物的没有清理干净也照常使用； ⑤以长代短；⑥连接板上浮锈、油污、油漆不进行清理干净进行连接。

如果认为这些现象对施工质量没有关系，那是错误的，是没有任何科学依据。

下面就从摩擦系数、扭矩系数、长度三个方面与施工质量的关系进行分析。

高强度螺栓连接按其受力状况，可分为两种类型，一种是只受预紧力作用的螺栓连接，这种螺栓连接靠螺栓预紧力在被连接件结合面产生的磨擦力传递工作载荷；另一种是承受预紧力和工作载荷的紧螺栓连接，工作时受力情况比较复杂，应从分析螺栓连接的受力和变形关系入手，求出螺栓总拉力的大小。

塔吊标准节之间的连接属于承受预紧力和工作载荷的紧螺栓连接，是利用紧固螺栓时产生在构件间的压力进行应力传递的。

图１为高强度螺栓副拧紧之前、施加预紧力后和在工作载荷作用下的变形和结合面受力简图。

图1a 表示螺母刚好拧到与被连接件相接处，但尚未拧紧。

此时螺栓与被连接件都不受力，因此也不发生变形。

图1b 是螺母已拧紧，但尚未承受工作载荷。

此时螺栓承受预紧力P F 的拉伸作用，其伸长量为1λ。

相反被连接件在预紧力P F 的作用下，其压缩量为2λ。

图1c 是承受工作载荷时的情况。

此时螺栓承受的工作载荷为F 。

若螺栓和被连接件是在弹性变形范围内，则两者的受力及变形关系符合胡克定律。

当螺栓承受拉力F 后，其伸长量增加λ∆，总伸长量为λλ∆+1。

根据连接件的变形协调条件，则被连接件将会放松，其压缩变形的减小量应等于螺栓拉伸变形的增加量λ∆。

因此总压缩量为λλ∆-2。

被连接件的压缩力由P F 减至'P F ，'P F 即为螺栓上的残余预紧力。

图1d 是螺栓所受工作载荷过大或者预紧力过小的情况，被连接件的结合面相互分离。

在实际应用中，此种情况是不允许出现的。

a)开始拧紧 b)拧紧后 c)受工作载荷时 d)工作载荷过大时图1、承受预紧力和工作载荷的高强度螺栓连接图２是螺栓和被连接件的受力和变形关系图，前提条件是工作载荷要小于预紧力，被连接件的结合面不允许分离，而且各个材料都在强度允许的范围内没有产生塑性变形。

由图可得： 螺栓的刚度：111tan λθpF c == 被连接件的刚度：222tan λθPF c ==在连接尚未承受工作载荷F 时，螺栓和被连接件的受力均等于预紧力P F ；当连接件承受工作拉力F 时，螺栓的总拉力为0F ，相应的总伸长量为λλ∆+1，被连接件的压缩力等于残余预紧力'P F ，相应的总压缩量为λλ∆-2，由图2可以得出： F F F P +='0 （1）螺栓的总拉力0F 、预紧力P F 及残余预紧力'P F 之间的关系可由图2中的几何关系推出： )('F F F F P P ∆-+= （2）2121tan tan c c F F F =∆∆=∆-∆θλθλ 或 F c c c F 211+=∆ （3） 将式（3）代入式（2）得螺栓预紧力为：F c c c F F c c c F F c P c P P 22'21')1(++=+-+= （4） 螺栓的总拉力为： F c c c F F F F P P 2110++=∆+= （5） 式（1）和（5）是螺栓总拉力的两种表达形式。

用式（1）计算螺栓总拉力时，为保证连接的紧密性，以防止受载后结合面产生缝隙，应使0'≥P F 。

连接有紧密性要求的残余预紧力推荐值为（1.5~1.8）F 。

a) 拧紧后 b) a 中两图合并 c) 受工作载荷时图2、螺栓和被连接件的力与变形关系在式（5）中211c c c +为螺栓的相对刚度，其大小与螺栓和被连接件的结构尺寸、材料及垫片、工作载荷的位置等因素有关，其值在0~1之间变化。

为了降低螺栓的受力，提高螺栓连接的承载能力，应使211c c c +值尽量小些。

一般被连接钢板之间所用垫片为金属垫片或无垫片时，211c c c +的取值为0.2~0.3。

若承受变载荷，工作载荷在1F 和2F 之间变化，则螺栓的总拉力在01F 和02F 之间变化，如图3所示。

在危险界面上，螺栓受的最大拉应力为42102max d F πσ=，最小拉应力为42101min d F πσ=。

受变载荷的螺栓大多为疲劳破坏，而应力幅是影响疲劳强度的主要因素。

应力幅为：42)(2210102minmax d F F a πσσσ-=-= （6） 将式（5）代入式（6）得：a a d F F c c c ][42)(2112211σπσ≤-∙+= （7） 式中a ][σ为螺栓的许用应力幅，MPa ，见表1。

由表1可见，螺栓受轴向载荷控制预紧力设计时的安全系数比不控制预紧力设计时的安全系数小的多。

也就是说如果设计时按照精确控制预紧力来设计螺栓连接，螺栓的许用应力都要比按不控制预紧力设计的螺栓连接的许用应力小的多。

如果设计时按照精确控制螺栓连接的预紧力来设计，而装配时又没有精确控制预紧力的大小，此时螺栓连接就不仅没有达到设计的要求，螺栓的连接强度也不能满足使用要求，这也就是现在装配塔吊标准节连接的高强度螺栓时普遍存在的问题。

图3、工作载荷变化时螺栓拉力的变化表1：受轴向载荷的紧螺栓连接的许用应力 螺栓的受载荷情况 许用应力不控制预紧力时的安全系数S 控制预紧力时的安全系数S 变载材料 M6~M16 M16~M30 M30~M60 不分直径 按最大应力S Sσσ=][ 碳钢 12.5~8.5 8.5 8.5~12.51.2~1.5 合金钢 10~6.8 6.8 6.8~10三、如何精确控制高强度螺栓连接预紧力的方法1、扭矩法扭矩控制法和螺母转角法是高强度螺栓常用的紧固方法。

扭矩法是以拧紧扭矩与预紧力的关系为依据的。

P F d k M ∙∙=1式中： d 1为螺纹公称直径k 为扭矩系数扭矩法就是将连接副的扭矩系数当做定值，通过控制拧紧扭矩从而控制预紧力的一种紧固方法。

这种方法必须以扭矩系数保持定值为前提，否则即便拧紧扭矩施加得很精确也无法得到精确的预紧力，但重复使用后螺栓的扭矩系数必然发生变化。

紧固件的锈蚀、温度、湿度和润滑等情况都将影响扭矩系数，重复拧紧时螺栓副的摩擦表面被磨光会导致摩擦系数下降，有关资料表明，扭矩系数随重复拧紧次数的增加而降低。

正是由于扭矩系数的这种不稳定性，多次重复使用高强度螺栓容易造成要么预紧力不足，要么预紧力过大甚至将螺栓拧断。

除非能确切地掌握扭矩系数的变化值，从而相应地调整拧紧扭矩的大小，才能精确地控制预紧力，只有在这种情况下，多次重复使用才是可行的。

显然，在绝大多数塔吊使用和安装单位中是不会也不能确切地掌握每套高强度螺栓副的扭矩系数的。

2、转角法拧紧螺母时，螺母转过的角度和螺栓的预紧力有一定的关系，所以，可以用螺母转角的大小来控制预紧力。

采用转角法紧固时，先转动螺母到螺栓的预紧力超过A 点，称为初拧，初拧一般采用扭矩法，扭矩一般为额定扭矩的50％，初拧后可以消除板缝影响，使板层达到密贴程度。

而后进行终拧，终拧是以A 点作为起始位置，再将螺母拧转一定角度，此时螺栓的轴力超过点V 到达塑性区域。

如图4所示，由于在yM 之间的塑性区域，螺母转角存在误差时所产生的螺栓力变化很小，如图4中1区域，这就为获得预定的预紧力提供了保障，也就是说施工时螺母的拧紧程度误差几乎不引起预紧力的误差。

而在V 点之前，同样大小的螺母转角误差所产生的螺栓力变化很大，如图4中2区域，所以，拧紧在这个区域是不合适的，因为施工的拧紧程度误差会引起较大的预紧力误差。

以转角法精确控制螺栓预紧力是以引起超过弹性极限的螺栓轴力为前提的，这种情况下，重复使用高强度螺栓是不适当的，因为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拧紧力，即其拧紧能力急剧下降了。