作者：賈國(guó)喻（上海市建材業(yè)質(zhì)量監(jiān)督管理中心）、莊幼敏（上海紡織高等?？茖W(xué)校機(jī)械系）

出處：《建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理》1999年第4 期

點(diǎn)評(píng)：溫故知新...

1 引言

    高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接是一種*的鋼結(jié)構(gòu)聯(lián)接形式, 它具有施工簡(jiǎn)便、易拆換、受力好、耐疲勞、不松動(dòng)等優(yōu)點(diǎn), 所以目前已成為塔式起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱塔機(jī))安裝的主要聯(lián)接手段。由于塔機(jī)在完成了一個(gè)施工任務(wù)后要拆卸并在下次使用時(shí)重新安裝, 于是就有了拆卸后的高強(qiáng)度螺栓能否在下次安裝時(shí)再次使用以及能重復(fù)使用幾次的問題。由于緊固件的使用關(guān)系到塔機(jī)工作的安全性以及施工單位的經(jīng)濟(jì)效益, 因此必須對(duì)高強(qiáng)度螺栓的重復(fù)使用問題有一明確的認(rèn)識(shí)。建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/ T5057.40一1995 中已明文規(guī)定: 高強(qiáng)度螺栓螺母使用后拆卸下再次使用,一般不得超過兩次。但其中道理一些從事塔機(jī)設(shè)計(jì)的人員和施工管理的人員并不真正了解, 以致于目前執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的情況不甚理想。據(jù)調(diào)查, 在上海地區(qū)百分之九十以上的塔機(jī)高強(qiáng)度緊固件都任其反復(fù)使用, 直到斷裂為止, 這對(duì)塔機(jī)的安全工作是個(gè)潛在的危險(xiǎn)。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)的另一個(gè)問題是, 有關(guān)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)較好的工程技術(shù)人員不恰當(dāng)?shù)貜钠趬勖慕嵌葋韺?duì)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定進(jìn)行解釋, 即提出塔機(jī)高強(qiáng)度螺栓一般安全使用的疲勞壽命約為五年, 因此每次施工18 個(gè)月左右的塔機(jī), 其高強(qiáng)度螺栓重復(fù)使用次數(shù)便只有兩次, 而每次施工期較短的塔機(jī), 其高強(qiáng)度螺栓重復(fù)使用次數(shù)可以放寬。筆者以為在這種說法中,對(duì)高強(qiáng)度螺栓疲勞壽命的估計(jì)是不夠正確的, 也是與實(shí)際不符的, 因此并不能引導(dǎo)人們?nèi)フ_執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn), 為此擬以本文與有關(guān)工程技術(shù)人員進(jìn)行探討。應(yīng)當(dāng)指出, 關(guān)于高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接, 國(guó)內(nèi)外已經(jīng)積累了大量的研究成果, 其設(shè)計(jì)與施工問題基本都獲解決,但國(guó)內(nèi)在塔機(jī)上使用高強(qiáng)度螺栓的時(shí)間較短, 本文旨在將正確的理論引人該工程實(shí)際。

2 從緊固原理看高強(qiáng)度螺栓的重復(fù)使用問題

    高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接有摩擦型、張拉型和承壓型三種, 塔機(jī)上使用的屬于前兩種聯(lián)接型式, 都是利用被聯(lián)接板之間的摩擦力來傳遞載荷的。為了能比普遍受拉螺栓聯(lián)接獲得更好的聯(lián)接強(qiáng)度、聯(lián)接剛性和聯(lián)接效率, 塔機(jī)上高強(qiáng)度螺栓必須按正確的方法進(jìn)行緊固, 以精確地獲得很高的聯(lián)接預(yù)緊力。高強(qiáng)度螺栓常用的緊固方法是扭矩法和轉(zhuǎn)角法。扭矩法是以擰緊扭矩M 與預(yù)緊力凡的關(guān)系為依據(jù)的。在高強(qiáng)度螺栓出現(xiàn)以前就已經(jīng)知道: M = k·d·Fsp式中k 為扭矩系數(shù),d 為螺紋公稱直徑。

 

 所謂扭矩法就是將扭矩系數(shù)當(dāng)作定值, 通過控制擰緊扭矩從而控制預(yù)緊力的一種緊固方法, 顯然這種方法必須以扭矩系數(shù)始終保持計(jì)算時(shí)的定值前提, 否則即使擰緊扭矩施加很精確, 也無法得到精確的預(yù)緊力, 但試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)都證實(shí)扭矩系數(shù)具有不穩(wěn)定的性質(zhì)。當(dāng)將一個(gè)擰緊的螺栓聯(lián)接松開后再次擰緊時(shí), 扭矩系數(shù)即下降。圖1 所示為日本的試驗(yàn)結(jié)果, 表明扭矩系數(shù)隨重復(fù)擰緊次數(shù)的增加而降低的情形, 這是由于重復(fù)擰緊時(shí)摩擦表面被磨光，摩擦系數(shù)下降所致。除此之外, 高強(qiáng)度螺栓緊固件的銹蝕、潤(rùn)滑、溫度、濕度情況都將影響扭矩系數(shù)。僅就銹蝕而言, 顯然塔機(jī)上使用的高強(qiáng)度螺栓緊固件重復(fù)使用幾次的銹蝕情況會(huì)有很大的不同, 必將引起扭矩系數(shù)很大的變化。

    因?yàn)榕ぞ叵禂?shù)的這種不穩(wěn)定性, 多次重復(fù)使用高強(qiáng)度螺栓極易造成或預(yù)緊力不足, 或過分緊固, 甚至還可能將螺栓擰斷, 所以不建議多次重復(fù)使用高強(qiáng)度螺栓。但顯然如果能掌握扭矩系數(shù)確切的變化數(shù)值, 相應(yīng)調(diào)整擰緊扭矩的大小, 那么精確控制預(yù)緊力也是可能的, 這時(shí)多次重復(fù)使用便成為可行。

 

 擰緊螺母時(shí), 螺母轉(zhuǎn)過的角度與螺栓的軸力( 即預(yù)緊力) 呈現(xiàn)一定的關(guān)系, 如圖2 所示, 因此緊固時(shí)可以用螺母轉(zhuǎn)角的大小來控制預(yù)緊力, 這就是所謂的轉(zhuǎn)角法。轉(zhuǎn)角法緊固時(shí), 先轉(zhuǎn)動(dòng)螺母到螺栓的軸力超過A 點(diǎn)( 相當(dāng)于被聯(lián)接件密貼程度) , 此稱為初擰, 再以此為起始位置, 將螺母終擰某額定角度, 一般規(guī)定為1/2 圈或3/4 圈, 此時(shí)螺栓的軸力不僅達(dá)到規(guī)定的保證載荷( 我國(guó)規(guī)定的保證載荷比屈服極限略低) 而且超過r 點(diǎn)達(dá)到塑性區(qū)域。由于在rM 之間的塑性區(qū)域內(nèi), 螺母轉(zhuǎn)角有誤差時(shí)所產(chǎn)生的螺栓力變化很微小, 這就為獲得預(yù)定的預(yù)緊力提供了保障,即通常施工時(shí)存在的螺母擰緊程度的誤差幾乎不引起預(yù)緊力的誤差。而在Ar 之間, 同樣大小的螺母轉(zhuǎn)角誤差所對(duì)應(yīng)的螺栓軸力的誤差是有相當(dāng)數(shù)量的,所以擰緊到這個(gè)區(qū)域是不恰當(dāng)?shù)? 即施工時(shí)存在的螺母擰緊程度誤差會(huì)引起較大的預(yù)緊力誤差。由此可見, 以轉(zhuǎn)角法精確控制螺栓預(yù)緊力必將是以引起超過彈性極限的螺栓軸力為前提的, 在這種情況下,重復(fù)使用高強(qiáng)度螺栓是不適當(dāng)?shù)?。圖3 所示是美國(guó)A 4 90 高強(qiáng)度螺栓試驗(yàn)得出的代表性結(jié)果, 可見設(shè)計(jì)

所要求的預(yù)緊力只在次和第二次使用時(shí)達(dá)到, 以后使用時(shí)預(yù)緊力急劇下降, 這是由于重復(fù)擰緊積累的塑性變形已使其不再有足夠的變形能力可以來承受在初拆后額外施加的終擰, 即其擰緊能力或稱螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)傳力急劇下降了。試驗(yàn)還已經(jīng)指出鍍鋅螺栓的擰緊能力比不鍍鋅的降低更多, 因此在美國(guó)是不準(zhǔn)許重復(fù)使用有鍍層的高強(qiáng)度螺栓的。

 

綜上所述, 不論是用扭矩法或是轉(zhuǎn)角法緊固高強(qiáng)度螺栓, 一般均存在重復(fù)使用多次后預(yù)緊力不能精確控制而使聯(lián)接的可靠性和安全性下降的危險(xiǎn),這正是JG/ T5057 . 4 0 -1995 規(guī)定使用后拆卸下的高強(qiáng)度螺栓、螺母, 再次使用的次數(shù)不得超過兩次的道理所在。有必要指出的是, 有些塔機(jī)的高強(qiáng)度螺栓曾重復(fù)使用多次而仍未發(fā)生問題, 這往往是不少施工者實(shí)際上只將高強(qiáng)度螺栓象普通螺栓一樣去使用,既不施以高的預(yù)緊力, 也不嚴(yán)格仔細(xì)地控制和檢查預(yù)緊力, 這顯然不是真正意義上的高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接。

3 高強(qiáng)度螺栓疲勞壽命的估算

    塔機(jī)的工作并不頻繁, 其高強(qiáng)度螺栓按有限壽命設(shè)計(jì)是可行的, 但這就有一個(gè)疲勞壽命如何正確估算的問題。在外載荷僅為橫向載荷的摩擦型高強(qiáng)度聯(lián)接中, 一般不存在高強(qiáng)度螺栓本身的疲勞問題,但在受有軸向外載荷的張拉型聯(lián)接中有螺栓的疲勞問題, 下面以塔機(jī)上常用的12.9 級(jí)M33高強(qiáng)度螺栓為例估算其疲勞壽命。當(dāng)張拉型高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接受軸向脈動(dòng)循環(huán)載荷作用時(shí), 螺栓受到的是非對(duì)稱循環(huán)的單向拉力作用, 其載荷是預(yù)緊力Fsp。按文

(6) 佑計(jì)高強(qiáng)度螺栓的壽命

    一般, 塔機(jī)一年的工作循環(huán)次數(shù)可定為21000次, 若以此作為高強(qiáng)度螺栓的年壽命要求, 則可算得12.9 級(jí)M33高強(qiáng)度螺栓的疲勞壽命為5*10的五次方，約等于24 年。以上疲勞壽命約估算較為粗糙, 但對(duì)估計(jì)高強(qiáng)度螺栓壽命的數(shù)量級(jí)還是可取的?？梢? 塔機(jī)上高強(qiáng)度螺栓的疲勞壽命遠(yuǎn)不止五年, 因此從疲勞壽命的觀點(diǎn)出發(fā), 用塔機(jī)經(jīng)歷的工程時(shí)間長(zhǎng)短來解釋其螺栓的重復(fù)使用次數(shù)問題是一種誤解。

 塔機(jī)上使用的高強(qiáng)度螺栓的抗拉強(qiáng)度極限均在800MPa 以上。一般地說, 強(qiáng)度越高的零件對(duì)應(yīng)力集中越敏感, 也就越容易發(fā)生疲勞破壞, 加之塔機(jī)遭受的側(cè)向變動(dòng)風(fēng)載、螺栓遭受的電腐蝕和銹蝕均會(huì)影響高強(qiáng)度螺栓的疲勞壽命, 從這一點(diǎn)上說對(duì)高強(qiáng)度螺栓的疲勞問題引起足夠重視是必要的。但同時(shí)我們也不可不注意到高強(qiáng)度螺栓的兩大特點(diǎn), 一是它以滾碾法制造, 應(yīng)力集中大大降低; 二是它導(dǎo)人很高的預(yù)緊力(下限應(yīng)力較高), 因此在外載荷變動(dòng)很大時(shí)也能保持較小的應(yīng)力振幅。國(guó)外試驗(yàn)結(jié)果表明, 影響高強(qiáng)度螺栓疲勞強(qiáng)度的主要因素正是應(yīng)力振幅, 而平均應(yīng)力和下限應(yīng)力的影響甚小, 所以高的預(yù)緊力對(duì)其疲勞強(qiáng)度是極其有利的(這也就是高強(qiáng)度螺栓為何要精確地施以高的預(yù)緊力的原因之一)。長(zhǎng)期的實(shí)踐也證明, 在高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接中由高強(qiáng)度螺栓本身發(fā)生疲勞而使聯(lián)接破壞的情況極為少見,有時(shí), 強(qiáng)度級(jí)別很高的高強(qiáng)度螺栓在使用中會(huì)發(fā)生脆斷, 但這往往是延滯斷裂而并非疲勞斷裂(塔機(jī)使用的高強(qiáng)度螺栓的強(qiáng)度極限均在1300MPa 以下, 發(fā)生延滯斷裂的可能性也不大, 詳細(xì)可見有關(guān)專著）。

4 結(jié)語

    綜上所述, 高強(qiáng)度螺栓重復(fù)使用次數(shù)一般不受螺栓疲勞壽命的限制, 主要是受到精確預(yù)緊力要求的限制。由于預(yù)緊力值直接關(guān)系到高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接的使用性能, 因此塔機(jī)施工管理人員必須按照行業(yè)規(guī)范, 切實(shí)做好高強(qiáng)度螺栓重量復(fù)使用的管理工作。

參考文獻(xiàn)

1.建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn); 建筑機(jī)械與設(shè)備高強(qiáng)度緊固件,1995.2

2. 山本晃, 郭可謙: 螺紋聯(lián)接的理論與計(jì)算, 上海: 科技出版社, 1986

3. 張祖明; 機(jī)械零件強(qiáng)度的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法, 北京: 航空工業(yè)出版社, 1990, 7