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高強度螺栓施工緊固軸力的自動控制
    發布日期:2018-11-12 

  1 引言

  高強度螺栓通常用于鋼結構中構件的連接、固定、定位等,利用高強度螺栓的緊固軸力將兩個被連接件緊密夾緊。工程上高強度螺栓大部分處于摩擦型連接狀態,通過對高強度螺栓施加緊固軸力(也稱預拉力或預載荷),將被連接的鋼板壓緊,并產生摩擦效應。當連接節點受外力作用時,外力靠連接板層接觸面間的摩擦來傳遞,應力流通過接觸面平滑傳遞,無應力集中現象。所以,摩擦型高強度螺栓連接要求對構件表面進行粗糙處理,而且對螺栓緊固軸力有要求。螺栓的緊固軸力、摩擦面的抗滑移系數直接決定摩擦型高強度螺栓連接的承載力大小。

  鋼結構連接用高強度螺栓的緊固方法有兩種:扭矩法和轉角法[1]。扭矩法是通過控制施工扭矩值來對高強度螺栓連接副進行緊固,而轉角法則是通過控制螺栓與螺母的相對轉角值來緊固高強度螺栓連接副。對兩種類型的高強度螺栓的施工,大六角頭高強度螺栓連接副可以使用扭矩法或轉角法,扭剪型高強度螺栓連接副實質上使用的也是扭矩法,緊固軸力的獲取不是用扭矩扳手,而是由工廠在制造中轉換成切口直徑控制。

  鋼結構中應用的高強度螺栓數量龐大,施工方法的可靠和方便具有重要價值。由于轉角法的使用相對麻煩,于是國外研究使用“直接拉力指示器”來控制高強度螺栓的緊固軸力,并已逐步應用于建筑鋼結構、橋梁、電站、風電設備、石化設備和體育會展場館等方面。在我國,上海金茂大廈、香港中國銀行大廈也應用了“直接拉力指示器”(金茂大廈:規格1 1/2",8 萬套;中國銀行大廈:規格1 1/8",20 萬套)[2]。

  2 直接拉力指示器及測量方法

  2.1 直接拉力指示器

  直接拉力指示器(Direct-Tension-Indicator,簡稱DTI)是一種特殊的墊圈,在墊圈的一個平面上有一系列與孔同心的凸出物,如圖1 所示。國外已有相關的DTI 標準[3-5]。

  在高強度螺栓連接副中應用DTI 控制緊固軸力的原理示意如圖2。擰緊螺母,預拉力通過配套的平墊圈壓縮DTI 上的凸出物,逐漸增大的預拉力不斷壓縮凸出物,DTI 平面與平墊圈之間的間隙也越來越小。利用應力與應變的相應關系,可根據間隙值來判斷緊固軸力是否達到設計要求。

  與DTI 配套使用的平墊圈是一個高強度螺栓連接副墊圈,除原有作用外,又新增兩個作用:① 確保DTI 的所有凸出物都能被完整地壓縮到;② 它的硬度高于DTI,以確保間隙的減小是由于凸出物被壓縮,而不是與凸出物接觸處的平墊圈被壓出凹坑。利用應力~應變關系,以凸出物被壓縮的程度來指示高強度螺栓的緊固軸力,這是DTI 的工作原理;而如何知道間隙的大小,這是DTI 的施工方法。常用的DTI 施工方法有兩種:間隙測量法和彩膠目測法。

  2.2 間隙測量法

  間隙測量法采用塞尺來測量間隙的大小。DTI 的圓周上有缺口(見圖1 和圖3),用于指示塞尺插入的位置。

  試驗證明,由于制造偏差(形式、尺寸、硬度等),即使規格相同,不同批次DTI 的間隙與螺栓預拉力的關系也不盡相同。所以,每批DTI 使用前,必須預先驗證該批DTI 壓縮后的間隙與螺栓預拉力之間的關系。施工時,根據測量到的間隙大小,對照預先得到的“螺栓預拉力~間隙距離”的試驗數據,就可以知道螺栓連接副的預拉力。顯然,在用塞尺測量間隙時必須停止加載。如果間隙大,那么繼續加載;如果間隙已小于規定值,那么還要用不同厚度的塞尺測出具體的間隙大小,以判斷是否超擰,這種斷斷續續的施工過程難以被接受,降低了其實用性。這是“間隙測量法”迄今沒有在高強度螺栓上大規模推廣應用的主要原因。

  2.2 彩膠目測法

  針對間隙測量法的缺陷,國外某公司對DTI 作了改進,其主要點是:①在DTI 凸出物的背側、與凸出物對應的位置上設置凹穴;②在凹穴旁壓制放射狀的凹槽,使凹穴與DTI 的邊緣相通;③在凹穴內填充彩色膠狀物(見圖4a)。當擰緊螺母壓縮凸出物時,把凹穴內的彩色膠狀物通過放射狀的凹槽從DTI 的邊緣擠出,當擠出量達到一定規模(見圖4b),表示螺栓的預拉力已經符合要求。

  這種方法同樣預先要在實驗室內試驗彩膠擠出量與螺栓預拉力的關系,而且施工人員必須參與試驗,以便讓他們記住達到螺栓設計預拉力時彩膠的擠出量。這種方法雖然免去了中途測量間隙的麻煩,但它僅憑施工人員目測,顯得不很靠譜。施工質量完全依靠施工人員的記憶力、觀察力、判斷力、責任心。另外,它同樣受制于制造誤差,以及有色膠狀物的填充量。此外,放射狀的凹槽還是潛在的裂紋源。美國一實驗室的試驗數據說明,有色膠狀物的擠出量與螺栓預拉力間存在比較大的誤差。實際上,彩膠目測法在美國是一種存在爭議的方法,還沒有得到ASTM 的正式認可,不過此法已取得美國等國的專利。

  3 自動控制墊圈

  為滿足我國高強度螺栓連接副向大規格、高防腐能力發展的需要,我們對國外的DTI 及其施工方法進行了分析研究,經過多次試驗改進,試制成功了具有自主知識產權的“自動控制墊圈”(Automatic Control Washer,簡稱ACW),專利號ZL201320888851.5。試驗數據表明,它可以使高強度螺栓的安裝基本達到正確、可靠、簡單、方便,可以說是DTI 的升級版。

  3.1 控制原理

  ACW 的形式、尺寸和控制螺栓預拉力的原理與DTI 基本相同,但是ACW 的控制方法與DTI的原有方法有本質上的差別:不管是采用“間隙測量法”還是“彩膠目測法”,DTI 都是依靠人工控制;而ACW 采用了全新的“以力控制力”的控制原理,可以自動控制高強度螺栓的預拉力。以下結合圖5 對它的控制原理加以簡單說明。

  圖5 中假設一個ACW 只有三個凸出物,形式、尺寸、機械性能均符合標準要求。凸出物原始高度是h1,先用預壓力F 把點B(稱“基準點”)的高度壓縮到h2,那么,再把點A 和點C(稱“控制點”)同時壓縮到點B 同樣的高度h2,所需要的力一定是2F。這就是自動控制墊圈“以力控制力”的基本原理。

  每個產品之間可能存在制造誤差,如硬度、凸出物尺寸有差異,這只是使h1 和h2 產生一些微小變化,但前后兩個力必定會保持一定的比例關系。

  3.2 超薄傳感器

  那么,如何知道“控制點”(點A 和點C)被壓縮至與“基準點”(點B)同樣的高度了呢?我們在一個“基準點”平面上黏貼一條檢測條(超薄傳感器),為了使黏貼的檢測條的觸點不高出基準點的壓制平面,在黏貼檢測條的“基準點”平面上同時壓有一條與檢測條尺寸相稱的淺淺的凹槽,檢測條就黏貼在這凹槽中(圖6)。當“控制點”被壓縮到“基準點”同樣高度時,檢測條捕捉到這個信號,并輸出到擰緊螺母的施工機具的控制電路,施工機具停止工作。

  3.3 緊固過程

  ACW 的緊固示意圖見圖7。旋緊螺母,ACW 的控制點被壓縮,直至平墊圈與檢測條(超薄傳感器)接觸;傳感器捕捉到信號,通過導線輸出到施工機具的控制電路,切斷施工機具的電源,使其停止工作。

  使用ACW,只要求施工機具(不管是液壓扳手還是電動扳手)的輸出扭矩足夠大,對輸出扭矩的精度沒有任何要求。以前,電動扳手的輸出扭矩不夠大,需要使用倍力器,而倍力器的精度又不高,所以大規格螺栓很少使用電動扳手安裝。用了ACW,扳手只要“保證不欠擰”而不需要考慮“超擰”(因為它不會超擰)。

  實際上,可以把ACW 看作是一種簡單的、定量的壓力傳感器,一旦它制作完成,那么使用它的螺栓的預拉力就已經確定。施工時,操作人員只要按照一般規程把高強度螺栓連接副和ACW 一起安裝在結構上,啟動施工機具,達到規定的預拉力,施工機具便自動停止。可以說,ACW 使制造商參與了高強度螺栓的安裝程序,與施工方共同來控制高強度螺栓的緊固軸力,共同來保證施工質量。

  3.4 組合結構

  施工完成后,DTI 與平墊圈之間必然會留有間隙(在凸出物之間),間隙雖然微小,但在戶外應用時,雨水等還會從縫隙滲入內部,所以國外規范要求,必須在DTI 周圍涂丁腈橡膠涂料,密封間隙。為了省略這一步驟,同時使安裝更為方便,我們還試驗了ACW 與平墊圈的組合結構(圖8),把高強度螺栓連接副中的平墊圈與ACW 組合在一起,兩者之間增加了非金屬密封墊,以替代涂刷丁腈橡膠涂料。

  4 試驗數據

  4.1 緊固軸力及標準偏差

  以M30 高強度螺栓連接副和ACW 組成試樣測試緊固軸力,得到的幾組試驗數據見表1。

  對高強度螺栓連接副的緊固軸力,我國國家標準GB3632-2008[6]有規定:對規格為M30 的,緊固軸力平均值的公稱值、最小值、最大值分別為391 kN、355 kN、430 kN,緊固軸力的標準偏差≤35.5kN。由表1 可知,緊固軸力的平均值處于391~426 kN 范圍內,緊固軸力的標準偏差處于13.7~18.6kN之間,符合國家標準的要求。

  對高強度螺栓連接副緊固軸力的變異系數,老版的行業標準JGJ82-91[7]有規定:對規格為M16~M24 的,緊固軸力的變異系數不大于10%。由表1 可知,變異系數在3~5%之間,≤10%。

  4.2 緊固軸力隨時間的變化

  高強度螺栓連接副的緊固軸力在緊固后一定時間范圍內會有微弱的下降,通稱緊固軸力損失。寶鋼無縫鋼管廠對高強度螺栓預拉力的松弛進行了實測[8],結果示于圖9,圖中的緊固軸力是10 個螺栓的平均值。從圖9 可看出,在起始的30 天內緊固軸力的下降較快,其后變得緩慢,最終趨于穩定。緊固軸力的初始值為287.7kN,1 天后下降到284.8 kN(下降1.0%),32 天后下降到279.7kN(下降2.8%),49 天后下降到278.7 kN(下降3.1%),354 天后下降到276.5kN(下降3.8%)。在79 天后(下降到278.0 kN,下降3.4%)緊固軸力的下降已很緩慢,最后趨于穩定。

  使用ACW 的M30 高強度螺栓連接副,其緊固軸力的損失如圖10 所示。緊固軸力的初始值為412.5kN(2015 年4 月19 日13:40 測試);當天15 點和17 點,緊固軸力分別下降為411.5kN 和410.7kN。從2015 年4 月20 日開始,都是上午8 點讀取緊固軸力值(4 月30 日、5 月1 日、23 日、24 日、6月6 日、7 日休息無記錄)。2015 年4 月20 日的緊固軸力為408.1kN,圖中最后一點是2015 年6月9 日的緊固軸力值402.6 kN。目前試驗還在繼續進行中。

  由圖10 可知,使用ACW 的高強度螺栓連接副的緊固軸力在起始的10 天內下降較快,其后變得緩慢,并有趨于穩定的趨勢。緊固軸力在起始的18 小時內下降了1.1%,在從4 月20 日起的25天內下降了0.99%,在從5 月15 日起的25 天內下降了0.33%,說明緊固軸力的下降越來越慢。在已經進行的51 天試驗中,緊固軸力的損失總共為2.4%(圖9 中,49 天后緊固軸力的損失為3.1%)。對比圖10 與圖9 的數據可看出,使用ACW 的高強度螺栓連接副的緊固軸力損失與常規高強度螺栓連接副的緊固軸力損失相當。

  5 結語

  研究的具有自主知識產權的自動控制墊圈ACW,采用“以力控制力”的控制原理和使用“超薄傳感器”的施工方法,使高強度螺栓連接副的施工基本達到正確、可靠、簡單、方便。試驗結果表明,螺栓緊固軸力的平均值、標準偏差或變異系數均滿足和優于標準要求,螺栓緊固軸力隨時間的變化小。

  目前,我們還在做進一步試驗,比如增加檢測條的數量,適當改變凸出物的形狀,使得螺栓預拉力更準確,施工更方便。

  總之,ACW 的應用不單是增加一種我國高強度螺栓連接副的新的施工方法,也能促進我國大規格高強度螺栓連接副和熱浸鋅高強度螺栓連接副的發展和應用。

  參考文獻

  [1] JGJ82-2011《鋼結構高強度螺栓連接技術規程》.北京:中國建筑工業出版社,2011

  [2] TurnaSure 公司網站,http://www.turnasure.com/bolting-technology-bolting-applications.shtml

  [3] ASTM F959M – 13《Standard Specification for Compressible-Washer-Type Direct Tension Indicators for Use With Structural Fasteners (Metric)》

  [4] ASTM F2437-14《Standard Specification for Carbon and Alloy Steel Compressible-Washer-Type Direct Tension Indicators for Use with Cap Screws, Bolts, Anchors and Studs》

  [5] EN 14399-9-2009《System HR or HV-Direct tension indicators for bolt and nut assemblies》

  [6] GB3632-2008《鋼結構用扭剪型高強度螺栓連接副》.北京:中國標準出版社,2008

  [7] JGJ82-91《鋼結構高強度螺栓連接的設計施工及驗收規程》.北京:中國建筑工業出版社,1991

  [8] 曾元和.20MnTiB 扭剪型高強度螺栓預拉力的松弛—寶鋼無縫鋼管廠屋架連接實測.工業建筑, 1993 (4):21-26

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