高强度螺栓的重复使用次数及疲劳寿命问题

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1、 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 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 贾国裔上海纺织高等专科学校机械系 庄幼敏内容摘要本文从高*度螺栓的片固原理出发，说明塔机上高强度螺栓一般不可多次重复使用的原因, 并论utl使用次数并不受疲劳寿命限制。关键词 塔机 髙强度

2、0栓 痕劳寿命 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 1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

3、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，因此必须对髙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/T5O57.4O1995中已 明文规定:高强度螺栓螺阳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。据调査，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。调査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

4、标准中的规定进行解释，即提岀塔机高强度螺栓 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。 应当指岀,关於高强度螺栓联接，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1999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入该工程实际。2从紧固原理看高强度螺栓

5、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与预紧力爲的关系为依据的。在高强度 螺栓出现以前就已经知道：M二几武中k为 扭矩系数,d为螺纹公称直径。式中 k = yy + A） + 纸dt螺纹中径；必一螺母和垫圈接触面的平均直径；P.螺纹槽当量摩擦角；A螺纹升角；&螺母和垫圈间的摩擦系数所谓扭矩法就

6、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，也无法得到梢确 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I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，这是由干重复拧紧时縻擦表面被磨光,19 摩擦系数F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

7、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发螺栓。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。图1扭矩系数的变化拧紧蝶母时，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

8、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Ar之间，同样大小的媒母转 角误差所对应的螺栓轴力的误差是有相当数斎的, 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c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，在这种情况卜, 重复使用高强度螺栓是不适当的。图3所示是美

9、国 /1490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，这是由丁重复拧紧 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。试验还已经指岀镀 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。图3 4490 栓的畫复拧紧综上所述,不论是用扭矩法或是转角法紧固高 强度螺栓，一般均存左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JG/r5057.4O-1995规定使用后拆卸下的高

10、 强度螺栓、螺母，再次使用的次数不得趨过两次的道 理所在。有必要指出的是，有些塔机的髙强度螺栓曾 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査 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12.9级M33高强度螺栓 为例估算其疲

11、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F”按文建设机械技术与管理1999年第4期 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing

12、 House. All rights reserved, 1,已知该螺栓的屈服极限= lOSOAfPa,强度 极限以=12OOAfPa,预緊力(取保证载荷值)几= 673&V,公称应力面积4 = 694m7n2o粗估疲劳寿命 可按如下步骤进行：(1) 应力期L幅J一般可取应力幅为0.37o.2,则应力振幅/ = 爭 o.2 = 62MPa(2) 下限应力匚你 673 x 103 oqnMD= 4= 694 =幻 0皈(3) 平均应力几j = Oz + afl = 970 + 162 = 32MPa(4) 应力水平s6 = K卫a +如肌 式中S (歸訂I)#以上两式中各系数为：有效应力集中参数

13、Q = 3.5(3表1.5 - 3); 绝对尺寸影响系数爲=0.77(3表1.24); 表面加工系数金=0.42(3表1.25);表面强化系数代=1.8(3表1.27);钢材平均应力影响系数=0.18(3表1.1- 6);所以 S+ 02-0= 3.296 = 3.29 x 162 + 0.18 x 1132 = 736.74MPa(5) 钢的近似e/V曲线当应力循环次数N = 107时,j = 0.276 + 702) = 615.6MPa;当 /V = 1(/ 时,5 土 0.9以= 1080九。在双对数坐标纸上连接这两点得钢的 曲线中的斜直线部分，如图4所示。由图知,应力水 平a,二13

14、6.74 MPa时的破坏循环次数约为N, = 5x 105。(6) 估计高强度螺栓的寿命一般，塔机一年的工作循环次数可定为21000 次，若以此作为高强度螺栓的年寿命要求，则可算得 12.9级M33高强度螺栓的疲劳寿命为5 x ltf/21000 24年。以上疲劳寿命约估算较为粗糙,但对估计高强 度螺栓寿命的数量级还是可取的。可见，塔机上高强 度螺栓的疲劳寿命远不止五年，因此从疲劳寿命的 观点出发，用塔机经历的工程时间长短来解释其螺 建设机械技术与管理1卿年第4期栓的重复使用次数问题是一种误解。az图4钢的a-N近似曲线塔机上使用的髙强度螺栓的抗拉强度极限均 在800MPa以上。-般地说，强度

15、越高的零件对应力 集中越敏感，也就越容易发生疲劳破坏，加之塔机逍 受的侧向变动风载、螺栓遭受的电腐蚀和锈蚀均発 影响高强度螺栓的疲劳寿命，从这一点上说对高强 度螺栓的疲劳问题引起足够重视是必要的。但同时 我们也不可不注意到高强度螺栓的两大特点，一是 它以滚碾法制造,应力集中大大降低;二是它导入很 髙的预紧力(下限应力较髙)，因此在外载荷变动很 大时也能保持较小的应力振幅。国外试验结果表 明，影响奇强度螺栓疲劳强度的主要因素正是应力 振幅,而平均应力和下限应力的影响甚小，所以高的 预紧力对其疲劳强度是极其有利的(这也就是高强 度螺栓为何要精确地施以高的预紧力的原因之一)。 长期的实践也证明，在高

16、强度螺栓联接中由高强度 螺栓本身发生疲劳而使联接破坏的情况极为少见， 有时，强度级别很高的高强度螺栓在使用中会发生 脆断，但这往往是延海断裂而并非疲劳断裂(塔机使 用的高强度螺栓的强度极限均在1300MPa以下，发 生延滞断裂的可能性也不大，详细可见有关专著)。4结语综上所述,高强度螺栓重复使用次数一般不受 螺栓疲劳寿命的限制，主要是受到精确预紧力要求 的限制。由于预紧力值直接关系到高强度螺栓联接 的使用性能，因此塔机施工管理人员必须按照行业 规范,切实做好高强度螺栓使用的馋理工作。參考文献1. 建筑工业行业标加；建筑机械与设各高跃度紧固件. 1995,22. 山本見，郭可谦:堆纹联接的理论与计算，上海:科技 出版社，19863. 张祖明；机械汞件後度的现代设计方法.北京：航空 工业出版社,1990,7(收稿日期:19980309)21 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved,