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大宝娱乐注册:铁路钢桥高强度螺栓连接施工若干问题探讨

发布时间:2018-11-26   来源:铁道标准设计   作者:刘宏刚,张洪玉,彭月燊  

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  1 概述

  现行铁路行业标准《铁路钢桥高强度螺栓连接施工规定》(TBJ 214—92),以下简称“《施工规定》”,发布至今已有20 余年,随着钢桥技术的发展,我国在铁路钢桥的设计、制造、安装及科研试验等方面取得很大进步,如整体节点的设计与制造技术[1]、钢桁梁整节段架设技术[2]、大跨度公铁两用桥中广泛采用的正交异性钢桥面板与主桁弦杆间的栓焊混用连接方式、施拧工艺和工具的改进等,这些情况是当时制定标准时无法预见的,因此有必要对其进行补充和修订,以更好地指导施工。

  《施工规定》与建设部1991 年发布的行业标准《钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程》( JGJ 82—91) 均依据《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件》( GB /T 1231—1991) 等国家标准制定。2006 年“钢结构摩擦型高强度螺栓连接用的连接副”国标产品系列标准中的GB /T 1228 ~1231 4 个标准发布了新版本,建设部据此更新了其行业标准,并改名为《钢结构高强度螺栓连接技术规程》( JGJ 82—2011) 。2011 年,原铁道部将《铁路钢桥高强度螺栓连接施工技术指南》( 下称《指南》) 列入当年铁路工程建设标准编制计划,委托中铁大桥局对1992 年版的《施工规定》进行修订,大桥局成立课题组对现行标准的修订做了大量工作,于2012 年底向经济规划研究院提交了《指南》的征求意见稿,并通过了初审,后因铁道部撤并重组而暂停,但这一工作仍将继续下去直到修订完成。

  2 若干问题探讨

  由于铁路桥梁承受的动荷载较大,对结构的变形和抗疲劳性能要求较高,铁路钢桥的设计原则和方法与建筑行业标准中的规定有所不同,比如承压型连接和栓焊并用连接对铁路钢桥都是不适用的,因此铁路钢桥高强度螺栓连接施工还不能完全参照其他行业标准,需结合具体情况对相关问题进行研究。

  2. 1 扭矩法与转角法(扭角法)

  高强度螺栓的施拧方法主要分为扭矩法和转角法,在转角法中也要采用扭矩法对高强度螺栓进行初拧,因此一些文献中称其为“扭矩-转角法”,《施工规定》中的“扭角法”,可以理解为“扭矩-转角法”的简称。

  扭矩法是通过控制施拧扭矩对高强度螺栓连接副进行紧固的施工方法,因操作简便,这种方法在国内外高强度螺栓紧固作业中被广泛采用。但由于制造工艺和表面润滑技术的制约,早期高强度螺栓扭矩系数的离散性较大且容易变化,使螺栓轴力难以准确控制。1980 年4 月,表面磷化高强度螺栓在中铁大桥局桥梁科学研究院研制成功,高强度螺栓经过磷化处理后可降低及稳定扭矩系数,提高并稳定预紧轴力,与表面发黑高强度螺栓相比,扭矩系数降低50% 左右,平均值能保证在0. 110~0. 150,标准差可以稳定在0. 010 以下,离散率减小70% 左右[3],这对保证高强度螺栓连接质量具有重要意义,为扭矩法施工奠定了基础。九江长江大桥及之后修建的其他铁路钢桥高强度螺栓均采用扭矩法施工。

  转角法是对螺栓进行初拧后,再通过控制螺栓与螺母相对转角值对高强度螺栓连接副进行紧固的方法。美国在20 世纪40 年代末开始用转角法研究螺栓伸长和轴力的关系,并于1960 年制定了规范,在1962年修订时强调以转角法作为主要拧紧方法[4],之后又多次进行修订使之日臻完善。目前,这一方法在国内外机械制造、汽车装配等行业中应用较为广泛。初拧扭矩和终拧转角是转角法的两个重要参数,《施工规定》第4 章给出了终拧转角的计算公式,但公式中的参数和转角前的初拧扭矩都需要通过试验确定,应用起来具有一定困难,需要增加转角参数试验的内容,以改进可操作性。

  2. 2 延迟断裂

  延迟断裂( 也称滞后断裂)是高强度螺栓连接常见病害之一,这种情况在20 世纪80 年代以前建造的钢桥中较为普遍,在后来的九江长江大桥建设中,中铁大桥局桥梁科学研究院通过对高强度螺栓的材质、使用环境、表面处理方法、工作应力大小、螺栓的欠拧和超拧以及强度级别、屈强比等因素进行深入研究,得出了“调整回火温度、改善形位公差”的正确结论,并基于断裂力学理论,结合实测数据推导出了形位公差的限值[5],实桥螺栓断裂率明显下降,充分证明了其控制方法的科学性和有效性。然而近年来施工的钢桥中,高强度螺栓延迟断裂的现象时有发生,说明某些环节的控制出现疏漏,以前的研究成果和经验有必要以适当方式吸收到标准中加以反映。

  高强度螺栓的延迟断裂主要与原材料、制造工艺、形位偏差、施拧质量等因素有关。随着技术的进步,定扭矩电动扳手标定扭矩的精度明显提高,因施拧扭矩偏差导致的螺栓断裂情况已比较少见。原材料方面,在高强度螺栓发展初期国内外都进行了比较充分的研究,认识到钒、钛、铬、镍、铂、硼、氮等元素对钢材性能的影响,并验证了螺栓延迟断裂与材料强度之间的关系,如日本从20 世纪60 年代开始推出F8T螺栓(极限抗拉强度784~980MPa),之后不断提高螺栓强度直至F13T螺栓(强度为1274~1470MPa),继而发现这种螺栓延迟断裂现象严重,在经历七年半的曝露试验后淘汰了FllT(强度为1078~1274MPa)以上的螺栓[6],推广采用F10T(强度为980~1176MPa)螺栓。我国的10. 9S高强度螺栓抗拉强度为1040~1240MPa,介于日本的F10T与FllT之间,可以认为是基本适宜的。

  众多事例表明,制造工艺和形位偏差成为影响我国高强度螺栓性能的主要因素。延迟断裂现象是材料-环境-应力相互作用而发生的一种氢致脆化。酸洗、电镀处理时侵入钢材中的氢在应力作用下向应力集中处富集会引起高强度螺栓的延迟断裂,对高强度螺栓特别是10. 9级及其以上的螺栓酸洗、电镀后均应及时进行脱氢处理。在滚压螺纹时提高加工质量、避免过大的应力集中等措施,可以有效降低高强度螺栓发生延迟断裂的敏感性。另外,回火温度也是影响高强度螺栓延迟断裂的重要因素,九江长江大桥的研究表明,对于20MnTiB和35VB两种材质的高强度螺栓,淬火后回火温度应分别控制在(420±10)℃和(440±10)℃。对于42CrMoA材质的10. 9级和12. 9级高强度螺栓,有研究指出淬火后的回火温度不低于500 ℃可有效提高延迟断裂抗力[7]。螺栓形位偏差与延迟断裂也有密切的关系,高强度螺栓在服役时除承受拉、扭外还承受一个附加弯矩作用的力,当螺栓支承面不垂直度和栓焊不直度接近国标允许偏差的极限值时,弯曲应力会超过轴向应力,由于螺栓承受的附加弯矩与其长度成反比,与惯性矩成正比,因此当形位偏差一定时,短螺栓和大直径螺栓更易于断裂。在调查南京长江大桥的127个断栓时发现,除其中5个螺栓的长度达到或超过90mm外,其余全是76mm以内的短螺栓[6]。服役期间高强度螺栓的延迟断裂危及桥梁结构和运营安全,必须高度重视。然而由于延迟断裂与高强度螺栓生产工艺有很大关系,现有的产品标准体系不足以保证螺栓性能,有专家提出应要求工厂进行延迟断裂试验,但这又涉及试验方法与合格标准的问题,不易解决。由于高强度螺栓质量要求较高、生产工艺复杂、市场竞争激烈等原因,多数大型企业已退出这项业务,目前市场上的高强度螺栓生产厂家大多是中小型企业,为降低成本往往会省略或放松对一些工序的严格执行而影响产品质量,施工单位在验收时通常仅对常规性能进行检查,而延迟断裂问题属事后发生,因此在采购时须注意对生产厂家制造工艺和产品信誉的考察并择优选定,不宜将价格作为唯一主要考虑因素。由于形位偏差是高强度螺栓延迟断裂的主要原因之一,同时也是施工单位能够实施的检查项目,在验收高强度螺栓时对检查标准特别是螺栓不垂直度和螺母同轴度等指标应从严掌握。

  2. 3 其他工艺措施

  高强度螺栓生产的基本工艺流程为: 配料→锻造→磷化→去氢→缩颈→热处理→喷砂→探伤→校直→车支承面、去毛刺→滚压螺纹→磷化→皂化→去氢→分选→包装。不同生产企业的工艺流程有所不同,但锻造工序不允许采用冷镦;喷砂和去氢工序是减少螺栓氢脆发生的重要工序,不能省略;磷化工序中包括去油、酸洗、表调等内容;工艺中所有酸洗工序后必须在2h之内去氢(温度190~230℃、时间6h);去氧化皮、毛刺工序宜采用机械方法。

  试验测定,经皂化处理后的高强度螺栓连接副其扭矩系数易受湿度影响,随湿度增加而降低,当湿度大于90%时扭矩系数会急剧下降(达到0.08以下,超出标准允许值。由于扭矩系数过低将变得不稳定且使螺栓的防松效果变差,是应当避免的情况),而全磷化浸油螺栓的扭矩系数随湿度增加反而增大(仍在标准允许范围内)[8],因此在潮湿地区使用的高强度螺栓宜采用全磷化表面处理工艺。对一些桥梁的高强度螺栓病害调查发现,螺栓大都断在螺母内侧第一扣处和光杆与螺纹的分界处,这里有较大的应力集中。西宁特钢的研究认为,改善螺纹牙沟的形状可降低应力集中程度,除可改善高强度螺栓的抗疲劳性能外,还可减少螺纹牙沟处氢的富集和扩散,亦可明显地提高其延迟断裂抗力。

  2. 4 大直径高强度螺栓

  由于国内铁路钢桥的跨度愈来愈大,钢梁节点板层厚度不断增加,现有规格的高强度螺栓已显得力不从心,对承载力更大的高强度螺栓有着现实的需求。已有厂家试制出M36、M42 甚至更大直径的高强度螺栓,但现行国家标准《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件》(GB/T1231)中最大螺栓规格为M30。高强度螺栓的研制涉及材料、制造工艺、产品标准等众多问题,属于技术链中的上游链,而施工则属于尾链,在《施工规定》中对产品要求方面的规定仅涉及预拉力及相关的值,而这些又是由设计规范提出的。

  目前“非标”的发展趋势,一是增大螺栓直径,二是提高螺栓强度。由于延迟断裂问题的存在,除非在材料科学或制造工艺方面取得显著突破,否则难以采用更高强度的材料,因此,增大螺栓直径可能是一个合理的选项。目前的产品系列标准对普通钢结构是基本够用的,而对于铁路钢桥的发展而言确实有所滞后,有必要在充分研究的基础上对高强度螺栓的型号、规格进行拓展,以适应大跨度钢桥对高强度螺栓连接的迫切需求。

  2. 5 栓焊混用连接

  栓焊混用连接不同于栓焊并用连接,前者是指同一受力接头中,部分构件采用焊接、部分构件采用高强度螺栓摩擦型连接的一种连接方式,后者在建筑行业标准中被定义为:”考虑摩擦型高强度螺栓连接和帖角焊缝同时承担同一剪力进行设计的连接接头形式。”在铁路钢桥中,栓焊混用连接通常表现为:在正交异性钢桥面板作为桥面系结构中,钢桥面板间连接采用纵、横向现场焊接,而纵梁(肋)间连接和横梁(肋)与主桁弦杆间连接采用栓接或在横梁翼缘与主桁间采用焊接而腹板采用高强螺栓摩擦型连接、且焊接滞后于栓接。从螺栓与焊缝共同受力的角度看,栓焊混用连接对两者共同受力及变形的同步性要求低于栓焊并用连接,因此简化了接头的设计且便于施工。对于栓焊并用连接,20 世纪60 年代原西德的试验表明:在静载下,二者的容许荷载可以迭加,安全系数≥2. 5;在反复荷载作用下,栓焊并用的节点耐劳强度高于焊接的耐劳强度( 焊缝安排在螺栓后面)[9]。国内则有研究指出,当摩擦型高强度螺栓强度与侧焊缝强度比值在0. 85 左右时,两者强度均能充分发挥,其他比值下,强度较高者有不同程度的浪费,栓焊并用连接承载力可近似用两种连接各自的受剪承载力的线性组合表达[10]。

  大跨度铁路钢桥的设计中已广泛使用栓焊混用接头,设计单位采用何种力学模型与计算理论,是施工单位制定高强度螺栓施拧方案的重要依据,因此应与设计单位加强沟通联系,使施工工艺合理、安全。在这类接头施工中,由于后焊板件的焊接变形对先行栓合的板件产生附加内力,进而影响到先行栓合板件上高强度螺栓的受力特性,有必要通过科研试验,结合多座大型钢桥的工程实践,对高强度螺栓施拧、构件焊接工艺和施工顺序等提出明确规定。根据经验,如果先焊后栓,桥面板施焊后冲钉被拴孔压紧很难退出,影响高强度螺栓施工,且桥面板与弦杆连成整体后,栓接部位的板面难以贴紧,降低摩擦面的连接效果[11]。建筑行业标准则规定,梁、柱、支撑等构件的栓焊混用连接接头中,“施工顺序宜在高强度螺栓初拧后进行翼缘的焊接,然后再进行高强度螺栓终拧”。

  在近期施工的几座钢桥上,为降低横梁腹板上高强度螺栓承受的附加力,靠近钢桥面板侧2~3 排栓孔先用冲钉上满,让冲钉先行承受桥面板焊接变形产生的附加力,待焊接完成后再用高强度螺栓替换冲钉的方法,这一经验可予参考。在一些栓焊混用连接接头中,如果焊接滞后栓接的时间很短,可考虑待横梁翼缘焊接后再终拧横梁腹板上的高强度螺栓。如滞后时间较长,扭矩系数将发生变化,则不宜采用此法。

  2. 6 终拧质量检查

  关于高强度螺栓的终拧检查,《施工规定》第5. 0. 4 条规定扭矩法的终拧检查应符合下列要求:

  一、观察全部终拧后的高强度螺栓连接副,检查初拧(复拧)后用油漆标记的螺栓与螺母相对位置是否发生转动,以检查终拧有否漏拧。

        二、对主桁( 板梁主梁)及纵、横梁连接处,每栓群高强度螺栓连接副总数的5%,但不少于2 套,其余每个节点不少于1 套进行终拧扭矩检查。1996和2002年版《铁路桥涵施工规范》(TBJ 203-96、2002)均在第11. 1. 22 条规定:高强度螺栓施拧完毕,应按下述规定进行检查: 一、应设专职人员进行检查,当天拧好的螺栓当天检查完。二、主桁节点及纵横梁连接处,每一个螺栓群检查的数量为其总数的5%,每个主桁节点不得少于5 个。但2003 年发布的《铁路桥涵工程施工质量验收标准》(TB10415-2003)出现了重大变化,该标准第12. 2. 5 条规定:高强度螺栓连接副施拧,必须符合相关标准规定和施工工艺要求。检查数量:施工单位全部检查……检验方法:施工单位使用扭矩扳手或量角器检查;监理单位见证检验。而之后的版本基本沿用了这一规定。对条文的理解或许有不同,但实际执行过程中确实按螺栓总数的100%进行终拧扭矩检查。

  对全部高强度螺栓100% 进行终拧扭矩检查,显然是希望更好地保证质量,但这一规定本身却不够科学。首先,对于扭矩法施拧的高强度螺栓其扭矩系数和施拧扭矩同样重要,《施工规定》不仅规定了扭矩系数均值、标准差及其测定方法,同时规定每班操作前及操作后,均必须对施工扳手进行扭矩校正,当其误差超过±5%时则对该班用该扳手终拧的高强度螺栓连接副全部用检查扳手进行检查、处理,因此螺栓的连接质量应主要靠扭矩系数的测定和施工扳手的扭矩校正来保证,采用检查扳手对终拧后的螺栓进行抽查只是辅助手段。其次,无论采用“紧扣法”还是“松扣复位法”检查,均可能对螺栓的紧固状态和扭矩系数产生扰动,由于大多采用紧扣法检查,终拧后“全部检查”必然造成螺栓最终扭矩整体偏高,导致大面积超拧。此外,抽检数量骤增至20 倍,时间和经济成本都大幅增加,扭矩检查不仅耗时而且须多人配合,除2人施加检查扭矩外,其余人员需分别负责卡游、读表、记录、观察螺母转动等,在螺母转动的瞬间读取扭矩值。当检查高空节点或边角处的螺栓时,由于观测条件较差很难保证准确。目前大型钢桥所用高强度螺栓均在100万套以上,有些则达200万套[12],施工高峰时每天施拧上万套螺栓,逐个检查无疑给施工单位带来巨大负担,且检查一套螺栓所花费的时间数倍于施拧时间,对当天施拧的所有螺栓当天完成扭矩检查也是不现实的。

  因此,对全部高强度螺栓进行终拧扭矩检查不仅没有必要,反而造成不利影响,但要改变这一局面,只能通过修订验收标准来现实。作为对照,《公路桥涵施工技术规范》( JTG/T F50—2011) 第19. 13. 3 条规定:高强度螺栓终拧完成后,应按下列规定进行质量检查: ……3) 对主桁节点、板梁主体及纵、横梁连接处,每栓群应以高强度螺栓连接副总数的5%抽检,但不得少于2套,其余每个节点不少于1套进行终拧扭矩检查。《钢结构高强度螺栓连接技术规程》( JGJ82—2011) 第6. 5. 1 条规定:终拧扭矩应按节点数抽查10%,且不应少于10个点; 对每个被抽查节点应按螺栓数抽查10%,且不应少于2个螺栓。

  2. 7 施拧及检查工具

  高强度螺栓施拧主要使用定扭矩电动扳手,对于个别死角处无法使用电动扳手施拧的螺栓,一般使用指针式、数字式扭矩扳手或定扭矩带响扳手施拧。与国外先进产品相比,国产电动扳手在可靠性和耐用性方面还有较大差距,一些关键构件如电机、扭矩输出控制器等容易损坏,维修频繁。某些进口产品价格虽然10 倍于国内同类产品,但由于质量可靠、耐用,分摊到每套螺栓的综合成本仍有优势,这种状况值得反思。

  关于施拧及试验设备,近年来研制出的数显电动扳手和扭矩系数试验仪(扭轴仪)是该领域的重要进展。借助于电子技术和传感器的应用,数显电动扳手在施拧时能逐个显示所施拧高强度螺栓的终拧扭矩并编号储存,在施工过程中可直观判定超拧或欠拧,便于及时处理,当天施工结束后,可调出当天储存的终拧扭矩数据作进一步检查分析。扭矩系数试验仪在标定电动扳手时可同时显示扳手的输出扭矩和所用标定螺栓的轴力,便于扭矩系数的计算,并可根据温度、湿度变化及时对施拧扭矩进行修正。检查设备方面,研制出了电动扭矩检测扳手和便携式扭矩测试仪等新设备。电动扭矩检测扳手内置高精度扭矩传感器和角度传感器,可自动显示、储存检测结果,也可将数据导入电脑分析。更重要的是,这种扳手使用的交流伺服电机能够以非常低的速度启动,通过设定可以在转动微小角度(如0. 5°~1°)后及时停止并显示输出扭矩,适用于紧扣法扭矩检查,在有些大型桥梁工程项目上已经进行了试用[8,14]。便携式扭矩测试仪内置20 倍扭矩放大器,可直观显示螺栓扭矩检测值并实时存储,螺母转角由内置的角度传感器精确控制,达到设定转角自动报警,提高了检查结果的准确性,且减少了人为因素影响,降低了劳动强度,有望改善目前高强度螺栓检查工作的困难局面。

  2. 8 订货与包装

  高强度螺栓连接副垫圈的一侧在内径处设有一45°倒角,以与螺栓头下的过渡圆弧相配合,减小应力集中,所以在安装时不得装反; 在测定扭矩系数时,规定了垫圈有内倒角的一侧应朝向螺母支承面,所以在安装时为了保持一致也不得装反。但由于垫圈外缘并无标识,螺栓施拧后从外观上无法判断垫圈是否装反,如果在垫圈有内倒角一侧的外缘作出永久性识别标记,则可方便检查并消除垫圈装反现象。关于螺栓修约长度,《钢结构用高强度大六角头螺栓》(GB /T 1228—2006)给出的尺寸表中,l ≤100mm 时按5 mm 分档,l > 100 mm 时按10 mm 分档,《施工规定》第3. 0. 8 条关于螺栓长度计算公式和修约的规定与其相符。根据近年来高速铁路上钢桁梁的建设经验,一座桥梁上可能存在十几种甚至20 余种长度的同直径高强螺栓,而且同一栓接接头的不同位置也会出现多种长度相差不大的同直径高强螺栓,易造成施工混乱,增加了管理难度,现场施工人员大多建议将高强度螺栓长度统一按10 mm修约。对于M20以上螺栓,由于其螺纹长度超出螺母及垫圈厚度达20 mm以上,按10mm分档选用螺栓从技术上讲是有条件的,能够在现有产品标准下实现。

  关于螺栓头部顶面的标志,《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件》( GB /T1231-2006) 仅要求标志性能等级和制造厂,《钢结构用高强度大六角头螺栓》(GB /T 1228-2006)给出的标记示例中包括螺纹规格和螺栓公称长度,但由于两者规定不一致,导致部分产品标识不全,施工单位采购时可以要求厂家在螺栓六角头上注明公称长度以便识别和使用。此外,由于磷化后浸油、皂化两种处理工艺生产的高强度螺栓其扭矩系数对湿度变化的反应是相反的,给扳手的校准和调整带来困扰,建议同一工程项目的高强度螺栓采用同一种表面处理工艺。

  3 结语

  高强度螺栓是钢结构桥梁的重要受力构件,在保证产品性能的同时还应保证其安装质量。1992 年发布的《铁路钢桥高强度螺栓连接施工规定》(TBJ214-92)对规范铁路钢桥高强度螺栓施工,保证连接质量发挥了重要作用,如能将近年来的研究成果和先进技术以适当方式进行吸收,并对存在的问题进行改进,将有助于标准的进一步完善和施工质量的提高。

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