作者：賈國喻（上海市建材業質量監督管理中心）、莊幼敏（上海紡織高等專科學校機械系）
出處：《建設機械技術與管理》1999年第4 期
點評：溫故知新...
1 引言
高強度螺栓聯接是一種*的鋼結構聯接形式, 它具有施工簡便、易拆換、受力好、耐疲勞、不松動等優點, 所以目前已成為塔式起重機(以下簡稱塔機)安裝的主要聯接手段。由于塔機在完成了一個施工任務后要拆卸并在下次使用時重新安裝, 于是就有了拆卸后的高強度螺栓能否在下次安裝時再次使用以及能重復使用幾次的問題。由于緊固件的使用關系到塔機工作的安全性以及施工單位的經濟效益, 因此必須對高強度螺栓的重復使用問題有一明確的認識。建筑行業標準JG/ T5057.40一1995 中已明文規定: 高強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設計的人員和施工管理的人員并不真正了解, 以致于目前執行標準的情況不甚理想。據調查, 在上海地區百分之九十以上的塔機高強度緊固件都任其反復使用, 直到斷裂為止, 這對塔機的安全工作是個潛在的危險。調查中發現的另一個問題是, 有關執行標準較好的工程技術人員不恰當地從疲勞壽命的角度來對標準中的規定進行解釋, 即提出塔機高強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 個月左右的塔機, 其高強度螺栓重復使用次數便只有兩次, 而每次施工期較短的塔機, 其高強度螺栓重復使用次數可以放寬。筆者以為在這種說法中,對高強度螺栓疲勞壽命的估計是不夠正確的, 也是與實際不符的, 因此并不能引導人們去正確執行標準, 為此擬以本文與有關工程技術人員進行探討。應當指出, 關于高強度螺栓聯接, 國內外已經積累了大量的研究成果, 其設計與施工問題基本都獲解決,但國內在塔機上使用高強度螺栓的時間較短, 本文旨在將正確的理論引人該工程實際。
2 從緊固原理看高強度螺栓的重復使用問題
高強度螺栓聯接有摩擦型、張拉型和承壓型三種, 塔機上使用的屬于前兩種聯接型式, 都是利用被聯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接獲得更好的聯接強度、聯接剛性和聯接效率, 塔機上高強度螺栓必須按正確的方法進行緊固, 以精確地獲得很高的聯接預緊力。高強度螺栓常用的緊固方法是扭矩法和轉角法。扭矩法是以擰緊扭矩M 與預緊力凡的關系為依據的。在高強度螺栓出現以前就已經知道: M = k·d·Fsp式中k 為扭矩系數,d 為螺紋公稱直徑。
所謂扭矩法就是將扭矩系數當作定值, 通過控制擰緊扭矩從而控制預緊力的一種緊固方法, 顯然這種方法必須以扭矩系數始終保持計算時的定值前提, 否則即使擰緊扭矩施加很精確, 也無法得到精確的預緊力, 但試驗和現場使用經驗都證實扭矩系數具有不穩定的性質。當將一個擰緊的螺栓聯接松開后再次擰緊時, 扭矩系數即下降。圖1 所示為日本的試驗結果, 表明扭矩系數隨重復擰緊次數的增加而降低的情形, 這是由于重復擰緊時摩擦表面被磨光，摩擦系數下降所致。除此之外, 高強度螺栓緊固件的銹蝕、潤滑、溫度、濕度情況都將影響扭矩系數。僅就銹蝕而言, 顯然塔機上使用的高強度螺栓緊固件重復使用幾次的銹蝕情況會有很大的不同, 必將引起扭矩系數很大的變化。
因為扭矩系數的這種不穩定性, 多次重復使用高強度螺栓極易造成或預緊力不足, 或過分緊固, 甚至還可能將螺栓擰斷, 所以不建議多次重復使用高強度螺栓。但顯然如果能掌握扭矩系數確切的變化數值, 相應調整擰緊扭矩的大小, 那么精確控制預緊力也是可能的, 這時多次重復使用便成為可行。
擰緊螺母時, 螺母轉過的角度與螺栓的軸力( 即預緊力) 呈現一定的關系, 如圖2 所示, 因此緊固時可以用螺母轉角的大小來控制預緊力, 這就是所謂的轉角法。轉角法緊固時, 先轉動螺母到螺栓的軸力超過A 點( 相當于被聯接件密貼程度) , 此稱為初擰, 再以此為起始位置, 將螺母終擰某額定角度, 一般規定為1/2 圈或3/4 圈, 此時螺栓的軸力不僅達到規定的保證載荷( 我國規定的保證載荷比屈服極限略低) 而且超過r 點達到塑性區域。由于在rM 之間的塑性區域內, 螺母轉角有誤差時所產生的螺栓力變化很微小, 這就為獲得預定的預緊力提供了保障,即通常施工時存在的螺母擰緊程度的誤差幾乎不引起預緊力的誤差。而在Ar 之間, 同樣大小的螺母轉角誤差所對應的螺栓軸力的誤差是有相當數量的,所以擰緊到這個區域是不恰當的, 即施工時存在的螺母擰緊程度誤差會引起較大的預緊力誤差。由此可見, 以轉角法精確控制螺栓預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,重復使用高強度螺栓是不適當的。圖3 所示是美國A 4 90 高強度螺栓試驗得出的代表性結果, 可見設計
所要求的預緊力只在次和第二次使用時達到, 以后使用時預緊力急劇下降, 這是由于重復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動傳力急劇下降了。試驗還已經指出鍍鋅螺栓的擰緊能力比不鍍鋅的降低更多, 因此在美國是不準許重復使用有鍍層的高強度螺栓的。
綜上所述, 不論是用扭矩法或是轉角法緊固高強度螺栓, 一般均存在重復使用多次后預緊力不能精確控制而使聯接的可靠性和安全性下降的危險,這正是JG/ T5057 . 4 0 -1995 規定使用后拆卸下的高強度螺栓、螺母, 再次使用的次數不得超過兩次的道理所在。有必要指出的是, 有些塔機的高強度螺栓曾重復使用多次而仍未發生問題, 這往往是不少施工者實際上只將高強度螺栓象普通螺栓一樣去使用,既不施以高的預緊力, 也不嚴格仔細地控制和檢查預緊力, 這顯然不是真正意義上的高強度螺栓聯接。
3 高強度螺栓疲勞壽命的估算
塔機的工作并不頻繁, 其高強度螺栓按有限壽命設計是可行的, 但這就有一個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度聯接中, 一般不存在高強度螺栓本身的疲勞問題,但在受有軸向外載荷的張拉型聯接中有螺栓的疲勞問題, 下面以塔機上常用的12.9 級M33高強度螺栓為例估算其疲勞壽命。當張拉型高強度螺栓聯接受軸向脈動循環載荷作用時, 螺栓受到的是非對稱循環的單向拉力作用, 其載荷是預緊力Fsp。按文
(6) 佑計高強度螺栓的壽命
一般, 塔機一年的工作循環次數可定為21000次, 若以此作為高強度螺栓的年壽命要求, 則可算得12.9 級M33高強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, 但對估計高強度螺栓壽命的數量級還是可取的?？梢? 塔機上高強度螺栓的疲勞壽命遠不止五年, 因此從疲勞壽命的觀點出發, 用塔機經歷的工程時間長短來解釋其螺栓的重復使用次數問題是一種誤解。
塔機上使用的高強度螺栓的抗拉強度極限均在800MPa 以上。一般地說, 強度越高的零件對應力集中越敏感, 也就越容易發生疲勞破壞, 加之塔機遭受的側向變動風載、螺栓遭受的電腐蝕和銹蝕均會影響高強度螺栓的疲勞壽命, 從這一點上說對高強度螺栓的疲勞問題引起足夠重視是必要的。但同時我們也不可不注意到高強度螺栓的兩大特點, 一是它以滾碾法制造, 應力集中大大降低; 二是它導人很高的預緊力(下限應力較高), 因此在外載荷變動很大時也能保持較小的應力振幅。國外試驗結果表明, 影響高強度螺栓疲勞強度的主要因素正是應力振幅, 而平均應力和下限應力的影響甚小, 所以高的預緊力對其疲勞強度是極其有利的(這也就是高強度螺栓為何要精確地施以高的預緊力的原因之一)。長期的實踐也證明, 在高強度螺栓聯接中由高強度螺栓本身發生疲勞而使聯接破壞的情況極為少見,有時, 強度級別很高的高強度螺栓在使用中會發生脆斷, 但這往往是延滯斷裂而并非疲勞斷裂(塔機使用的高強度螺栓的強度極限均在1300MPa 以下, 發生延滯斷裂的可能性也不大, 詳細可見有關專著）。
4 結語
綜上所述, 高強度螺栓重復使用次數一般不受螺栓疲勞壽命的限制, 主要是受到精確預緊力要求的限制。由于預緊力值直接關系到高強度螺栓聯接的使用性能, 因此塔機施工管理人員必須按照行業規范, 切實做好高強度螺栓重量復使用的管理工作。
參考文獻
1.建筑工業行業標準; 建筑機械與設備高強度緊固件,1995.2
2. 山本晃, 郭可謙: 螺紋聯接的理論與計算, 上海: 科技出版社, 1986
3. 張祖明; 機械零件強度的現代設計方法, 北京: 航空工業出版社, 1990, 7
