塔式起重
机高
强度螺
栓的
重复
使用次数
及疲劳寿命问题
上海市建材业质
量监督管理
中心
上海
纺织
高等专
科学校机械系贾国
喻
庄
幼敏
内容摘要
本文
从高强度螺
检的
紧固原理出发
说明
塔机上
高强度螺
检一般不
可
多次重
复使用的原因
并论证重
复使用
次
数并不
受疲
劳寿命限制
关键词
塔机高强度
螺栓疲劳寿命
咭成
一21
引言
高强度螺栓联接是一种优越的钢结构联接形
式它具有施工简便易拆换受力好耐疲劳不
松
动等优点所以
目前已成为塔式起重机(以
下简称塔
机)安装的主要联接手段由于
塔
机在完成了一
个
施工任
务后要拆
卸并在
下次使
用时重新安装于
是
就有
了拆卸
后的高
强度
螺栓能否在
下次安装时再次
使
用以
及能重复使
用几次的问题由于
紧固
件的
使
用关系到塔机工作的安全性以
及施工单位的经济效
益因
此必须对高
强度螺栓的重
复使
用问题有一
明
确
的认识建筑行业标准JG/
巧05
74。一1
995
中已
明文规定:
高
强度螺栓螺母使
用后拆
卸下
再次使用
一
般不得超过两次但其中道理一些从事
塔机设计
的人员和施工管理的人员并
不真
正了解以致于
目
前执行标准的情况不甚理想据
调查在
上海地区
百
分之九十以上的塔机高
强度紧固
件都任其反
复使
用直到断裂为止这对塔机的安
全工作
是个潜在的
危险
调查中发现的另一个问题是有关执行标准
较好
的工程技术人员不恰当地从疲劳寿命
的角度来
对标准中的规定进行解释即提出塔机高强
度螺栓
一般安全使用的疲劳寿命
约为
五年因
此每次施工
18
个
月左右
的塔机其高
强度螺栓重复使用
次数便
只
有
两次
而每次施工期较短的塔机其高
强度螺栓
重
复使用
次数可以
放宽笔者以
为在这种说
法中
对高
强度螺栓疲劳寿
命的估计
是不
够正
确的也是
与实际
不符的因
此并不能引
导人们
去正
确执行标
准为此拟以
本文与有关
工程技术人员进行探讨
应
当指出关龄高强度螺栓联
接国
内外已
经积累了
大量的
研究成果其设计与施工问
题基本都获解决
《
建设
机械
技术与管理)l
熨巡,
年第4
期但国
内在塔机上使
用高
强度螺栓的时间较短本文
旨在将
正确的
理论引人该工
程实际
2
从紧
固原
理看
高强度螺栓的重复
使用问题
高强度
螺栓联接有摩
擦型
张拉型
和承压型三
种塔机上使用的属于
前
两种联接型
式都是利用被
联接板之间的摩擦力来传递载荷的为了
能比
普遍
受拉螺
栓联接
获得更好的联接强度联接刚性和联
接效率塔机上高
强度螺栓
必须按正确
的方法进行
紧
固以
精确地获得很高的联接
预紧力高
强度螺栓
常用
的紧固
方法是扭
矩法和
转角法扭
矩法是以
拧
紧扭矩M
与预
紧力凡的关系
为依据的在高强度
螺栓出现以前就已经知道:M=
kd
凡式中k
为
扭矩系数d
为螺纹公称直径
式中、=
杏
‘。+
小奈
d
—螺纹中径;
d
—螺母
和垫圈接触面
的平均直
径;
p
—螺纹槽当
量摩擦角;
入
—螺纹升角;
产
—螺母和
垫圈间的摩擦
系数
所谓扭矩法就是将扭矩系
数当作定值通过控
制拧紧扭矩从而
控制
预紧力的一
种紧固方法显
然
这种方法必须以
扭
矩系数始终保持计算
时的定值前
提否
则
即使拧紧扭矩施加很精确也无法
得到精确
的预紧力但
试验和现场使
用经验都证实扭矩系数
具有不稳定的
性质当将一
个拧紧的
螺栓联接松
开
后再次拧紧时扭矩系数即下
降图1
所示
为日
本的
试验结
果表明扭矩系数随重复
拧紧次数的
增加而
降低
的情
形这是由于
重复拧紧时摩擦表
面被磨光
l9
摩擦
系数下
降所致除此之外高
强度螺栓紧固件的
锈蚀润滑
温度湿度情况都将
影响扭矩系数仅就
锈蚀而
言显然塔机
上使用的高强
度螺栓紧固件
重
复使用
几次的锈蚀情况会有很大的不同
必将
引起
扭矩系数很大
的变化
正因
为扭矩系数的这种
不稳
定性多次重复使
用高
强度螺栓极易造成或
预紧力
不
足或过分紧固
甚至
还可
能将螺栓拧断所以
不
建议
多次重复使
用高
强度螺栓但
显然如果能掌握
扭矩系数确切的变化数值
相应调整拧紧扭矩的大
小那么精确控制预紧力也是可能
的这时多次重复
使
用便成为
可行来承受在初拆后额外施加的终拧即
其
拧紧能力或
称螺母
的转动传
力急剧下降
了试验还已经指出镀
锌螺栓
的拧紧能力比
不镀锌
的降
低更多因
此在美
国是绝对不准许
重复使
用有镀层的高
强度螺栓的
雕L___17
翌
氢
‘l
第均吩除第匀吩除
”!遥
图2
螺
母转角与螺
栓轴力
的关系
最低拉力
要求
。
—第一次的平均
值
—第二
次的平
均值
—第三次的平均
值¹
巴»
500勺的石的2州泊
竹{
体一】破
坏划拼
锐不月只
井奥
转
图1
扭矩系数
的变化
拧紧螺母
时螺母转过的角度与螺
栓的轴
力
(即
预紧力)呈现一定的关系
如图2
所示因
此紧固
时可以
用螺母转角
的大小来控制
预紧力这就是所
谓的
转角法转角法紧固
时先转动螺母到螺栓的
轴
力超过A
点(相当于
被联接件密贴程度)此称为初
拧再以此为起始位
置将螺母终
拧某额定角度一
般规定为1/2
圈
或3/4
圈
此时螺栓的轴力不仅达到
规定的保证
载荷(我
国规定的保
证载荷比
屈服极限
略低)而且超过r
点达到塑性区域由于
在rM
之间
的塑
性区
域内螺母转角有误
差时所产生的
螺栓力
变化很微小这就为获得预定的预紧力提供
了保障
即通常施工时存在的螺母
拧紧程度
的误差
几乎不引
起预紧力的误
差而在A
r
之间同样大小的螺母转
角误差所对应的螺
栓轴
力的
误差是
有相当数量
的
所以
拧紧到这个区域
是不恰当的即
施工
时存在的
螺母拧紧程度误
差会引起较大的预紧力误差
由此
可见以转角法精确控制螺栓
预紧力
必将
是以引起
超过弹性极限的螺栓轴
力为前提的在这种情
况下
重复使
用高
强度螺栓是不适当
的图3
所示是美
国
A4
90高
强度螺栓试验得出的代
表性结果
可
见设计
所要求
的最低预紧
力只在第一
次和第
二次使
用时达
到以
后使
用时预紧力急剧下降
这是由于
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
20仍脚饰诩仍汉
伸
长(
二)
图3A
4
卯螺栓的重复拧紧
综上所述不论是用扭矩法或是转角法紧固高
强度螺栓一
般均存
在重复使用多次后预紧力不
能
精确控制
而使联接的可靠
性和
安全性下降
的危险
这正
是J
‘/T50574
0一1
95
规定
使用后拆卸
下的
高
强度螺栓螺母再次使
用的次数
不得超过两次的道
理所在有
必要指出的是有些塔机的高
强度螺栓曾
重复使
用多次而仍未发生
问题这往往是不少施工
者实际上只
将高
强度螺栓象普通螺栓一样去使用
既不施以
高的预紧力也不严格仔
细地控制
和检查
预紧力这显然不是真
正意义
上的高强度螺栓联接
3
高强度
螺栓
疲劳寿
命的估
算
塔机的
工作并不频繁其高
强度螺栓按有
限寿
命设计
是可
行的但
这就有一个疲劳寿命如何正
确
估算
的问题在外载荷仅为横
向载荷
的摩擦型高强
度
联接中一
般
不存在高
强度螺栓本身
的疲劳问题
但在受有轴向外载荷的张
拉型
联接中有
螺栓的疲劳
问题下面以
塔机上常
用的129
级M3
高
强度螺栓
为例估算其疲劳寿命当
张拉型
高
强度螺栓联接受
轴向脉动循
环载荷作
用时螺栓受到的是非对称循
环的单
向拉力作
用其最低载荷是预紧力凡按文
(
建
设
机械技术与管理)l男心年第4期