高强螺栓的刚度为什么从刚度较大部位向约束较小部位进行?

钢结构高强螺栓松动原因分析及预防措施
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钢结构高强螺栓松动原因分析及预防措施
钢结构高强螺栓松动原因分析及预防措施 钢结构高强螺栓松动原因分析及预防措施 张弼伟,许家文 (山西省建筑科学研究院结构与检测鉴定研究所,山西太原 030001) 摘 要:介绍了钢结构高强螺栓的连接类型及受力特点,结合钢结构检测实例研究了高强螺栓松动的原因,提出覆盖保护膜、合理施拧及双螺母等预防措施,进而完善高强螺栓连接的施工工艺,保证高强螺栓的连接质量。 关键词:钢结构;高强螺栓;螺栓松动;预防措施 0 引 言 目前,钢结构已被广泛的应用于工业与民用建筑中,其具有强度高、自重轻、整体性好、施工速度快、节能环保等诸多优点。钢结构整体是由预制钢构件通过焊接、螺栓或铆钉等连接方式拼装而成,因此节点连接就成为设计、施工以及验收的重要组成部分。而高强螺栓作为目前钢结构设计中应用最广泛的连接形式,是由于它具有连接可靠、便于安装拆卸以及受力和抗疲劳性能好等优点。但在实际工程中,经常会遇到钢结构建筑物或构筑物在正常使用过程中,部分高强螺栓存在松动的情况,出现这种情况会严重影响结构的整体安全稳定性,尤其是受重复动荷载的结构存在的安全隐患更严重。因此本文对钢结构检测中所发现的高强螺栓松动现象做了一些分析,并提出相应处理措施。 1 高强螺栓连接类型及特点 根据高强螺栓的不同受力特性,可分为摩擦型连接和承压型连接两种类型。 摩擦型连接是根据高强螺栓所具有的紧固特点,在被连接板重叠部分间产生摩擦阻力以传递剪力而将构件、部件或板件连成整体的连接方式。设计时,摩擦型高强螺栓的极限连接承载力是以板间摩擦力恰好被克服为准则的,这意味着该类型螺栓不承担剪力,连接板间摩擦力一旦产生相对滑动,设计中即判定这种连接状态已经达到了破坏状态。承压型连接是依靠螺杆的抗剪性能和螺杆与孔壁的承压性能以传递剪力而将构件、部件或板件连成整体的连接方式,是以螺栓自身受剪破坏或螺栓孔壁承压破坏作为设计准则。从单个螺栓受剪的工作曲线(图1)可以看出:当以“1”点位作为连接受剪极限承载力时,即仅依靠接触面间的摩擦力传递剪力,这是摩擦型高强螺栓的计算准则,但从曲线中可知该连接仍较大的承载潜力;而最高点“3”是承压型高强螺栓的连接极限承载力,该连接比摩擦型连接更加充分地利用了螺栓本身的承载能力,从理论上来讲可以节省50%以上的螺栓[1]。 图1 单个螺栓受剪工作曲线 从理论上分析:因承压型高强螺栓剪切变形较摩擦型大,并且接头易产生滑移,故对于承受动荷载的结构以及接头变形易导致结构内力和刚度产生较大变化的敏感构件,国家规范有明确规定,不应采用承压型连接[1]。从技术上分析:摩擦型连接是比较成熟和保守的连接形式,使用过程中也便于控制,且在动荷载作用下不易松动,因此在施工中被广泛使用。故本文仅以摩擦型高强螺栓为例进行分析。 2 工程案例 某工厂车间为单层门式刚架结构,共有11 榀GJ-1组成,钢梁、柱材料均为Q235B钢;构件拼接连接采用10.9级摩擦型高强螺栓连接,对接焊缝质量等级不低于二级;车间内配备起重5 t吊车一部。 图2 GJ-1结构 现场抽取了12个节点,使用预置式数显扭矩扳子对所抽取节点的所有螺栓进行了扭矩值检测,测试结果显示,有5个螺栓的扭矩终拧值未达到设计要求的终拧扭矩值,见表1。 3 松动原因分析 单个摩擦型高强螺栓的承载力设计值是设计规范要求[1]进行计算:
式中,受剪承载力设计值;nf为传力摩擦面个数;μ为摩擦面的抗滑移系数;P为一个高强螺栓的预拉力。 从式(1)中可以看出,影响单个摩擦型高强螺栓承载力的因素主要为摩擦面个数、抗滑移系数以及预拉力有关。因此结合现场检测的结果,对高强螺栓松动原因进行分析,分析如下: 表1 螺栓扭矩终拧值测试节点轴线位置螺栓位置螺栓规格终拧扭矩设计值/(N·m)终拧扭矩测试值/(N·m)存在油污10/A-D北段3-3底排2M连接板接触面存在间隙14/A-D南段3-3底排1M连接板有毛刺,油污,接触面存在间隙14/A-D北段2-2底排2M连接板尺寸存在偏差,接触面有间隙13/A-D北段3-3底排1M螺栓锈蚀,螺纹损伤外观情况5/A-D南段2-2底排1M节点锈蚀, (1)螺栓、连接板污损。 螺栓与连接板接触面的抗滑移系数是影响螺栓承载力的重要参数,而抗滑移系数是由试验确定,但在钢结构现场施工中,螺栓、连接板等构件往往会在运输、装卸、保管的过程中,表面被油污、杂物等污染,使材料抗滑移性能下降,降低了螺栓的承载能力。 (2)螺栓施拧顺序错误。 高强螺栓应按一定的顺序进行施拧,错误的施拧顺序会使连接板受力不均衡,出现局部微小的形变,最终导致连接板层贴合不紧密。而在施拧的过程中,初拧扭矩过大或过小,甚至不经初拧直接终拧,也会导致连接板差生微小形变,最终导致节点的承载力下降。 对于单个节点上的高强螺栓群连接副拧紧,应分初拧和终拧两个步骤。同时,应按一定的顺序施拧,施拧顺序的原则应按先中间后向外的顺序拧紧。如此顺序施拧,可以保证被连接构件与连接板充分接触,充分发挥摩擦面的抗滑移作用[2]。 (3)连接板间存在间隙。 板厚公差、制造偏差、安装偏差以及连接板表面的毛刺等都会使摩擦面间产生一定的间隙,这使得有间隙一侧的部分螺栓紧固力会以剪力形式通过连接板传向较厚一侧,导致该部位摩擦面间的正压力减小,摩擦承载力降低。因此,国家现行相关规范规定:①当间隙小于1 mm时,不予处理;②当间隙在1~3 mm时,将厚板一侧削成1∶10缓坡,使间隙小于1 mm;③当间隙大于3 mm时,应加厚度不小于3 mm的垫板,但最多不超过3层,并采用与构件相同的处理方法对垫板材质和摩擦面进行处理[3]。 (4)震动影响。 在配备有吊车的钢结构车间中,吊车反复移动所产生的动荷载,会使节点处的螺栓自身产生振动,影响螺栓的拧紧效果。螺栓自振动基本为两个方向,轴向振动和径向振动。随着振动能量和次数的增加,螺栓会出现微小的变形,造成应力松弛,使螺栓预紧力减小,节点螺栓发生松动,但螺栓预紧力不会因振动而无限减小,而是减小至一定程度则趋于稳定[4]。 4 防松措施 (1)在对螺栓、连接板的运输和保存过程中,应轻装、轻卸,防止损伤螺纹和连接板。此外还应采取一定的防潮、防锈和防沾染赃物等相应措施,保护摩擦面,对摩擦面已被污染的连接板等,应进行相应的处理才能使用。 图3是一种简便可行的保护摩擦面的方法。在防腐施工前,将纸张等遮盖物,覆盖在摩擦面之上,遮盖物四边要宽于接触区域边缘,并且用胶带将遮盖物边缘进行粘贴密封。 图3 摩擦面保护措施 (2)施工初拧扭矩及终拧扭矩应进行准确计算。高强螺栓连接副在拧紧后会有一部分预拉力损失,因此在施拧时应对预拉力损失进行一定的补偿,规范[2]规定施工预拉力应比设计预拉力增加10%,对于大六角头高强螺栓初拧和复拧扭矩值为终拧值的0.5倍。初拧和复拧后的螺栓应进行颜色标记,终拧后的螺栓应用另一种颜色区别标记。对于大六角头高强螺栓连接副,初拧、复拧和终拧应在一天内完成。 (3)施拧时,应严格遵循先中间、后四边,先接头刚度大的部位后约束小的部位进行施拧。图4为一般节点接头及工字梁接头螺栓施拧顺序。 图4 常见螺栓连接接头施拧顺序 此外,对于工字型柱对接螺栓应按先翼缘后腹板的顺序进行施拧;而对于两个或多个节点螺栓群应按先主要构件,后次要构件的顺序施拧。 (4)双螺母连接也是目前广泛采用的一种螺栓防松动的方法[5]。这种锁紧装置的工作原理是靠两螺母的螺纹产生的微小弹性变形而将螺母锁紧,其具有更长的抗振寿命。 图5是一种常见的双螺母紧固件,由防松螺母、螺母和防松螺栓组成。其中防松螺母和螺母旋拧方向相反,防松螺栓末端由工作螺纹和防松螺纹两段直径不同的螺纹组成,防松螺纹外径小于紧固螺纹内径。紧固件在工作时,螺母在振动、冲击等作用下,可能发生微小变形或松动,但由于两螺母的旋拧方向相反,防松螺母此刻起到拧紧和阻止螺母松退的锁紧作用,从而确保工作螺母无法松脱。 图5 双螺母紧固件结构 5 结 语 本文未考虑原材料、设计等对螺栓松动的影响,而仅仅是从施工的角度对检测中发现的高强螺栓松动现象进行了一定的分析,同时提出了一些预防螺栓松动的措施和方法,其简单易行、安全可靠,可为钢结构中高强螺栓节点连接施工提供一定的参考。但如果实际情况复杂,则应建立模型对结构进行详细分析及验算,最终确定施工手段,保证节点连接的可靠性。 参考文献: [1] GB ,钢结构设计规范[S]. [2] 李启才,顾强,苏明周,陈爱国.摩擦型高强螺栓连接性能的试验研究[J].西安科技学院学报,2-324+327. [3] GB ,钢结构工程施工规范[S]. [4] 单长伟,杨琪,武庆.振动对高强度螺栓拧紧效果的影响[J].轻型汽车技术,2008,(9):23-26. [5] 金玉萍,黄朗宁,隋玉国.双螺母防松时螺栓联接装配拧紧工艺的初步理论分析[J].煤矿机械,):117-119. Analysis of the causes for high-strength bolts loosening in steel structure and the prevention measures Zhang Biwei,Xu Jiawen(Structure Testing and Identification Research Institute,Shanxi Academy of Building Research,Taiyuan 030001,Shanxi) Abstract:The connection type and mechanical characteristics of high strength bolt in steel structure were introduced,in combination with the practical steel structure testing example,the causes for loosening of high strength bolts were studied,such preventive measures as covering protective film,screwing reasonably and double nuts were put forward,so as to perfect the construction technique of high-strength bolt connection and ensure the connection quality of and high-strength bolts. Key words:steel structure;high-strength bolt;bolt loosening;preventive measures 中图分类号:TU 391 文献标识码:B 文章编号:(4-04 doi:10.13402/j.gcjs. 收稿日期: 基金项目:山西省自然科学基金(-1);国家自然科学基金资助项目() 作者简介:张弼伟(1984-),男,工程师。
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Copyright (C) 2017 Baidu2017年一建《建筑工程》高频考点:钢结构施工技术
知识点:钢结构施工技术
【考频指数】★★★
【考查年份】2013多选,2014单选、2016年单选
【考点精讲】
知识点一:连接方法
1.焊接2.普通螺栓连接3.高强度螺栓连接4.铆接
知识点二:焊接后焊缝的缺陷
1.焊缝缺陷通常分为六类:裂纹、孔穴、固体夹杂、未熔合、未焊透、形状缺陷和上述以外的其他缺陷。2.裂纹:通常有热裂纹和冷裂纹之分。产生热裂纹的主要原因是母材抗裂性能差、焊接材料质量不好、焊接工艺参数选择不当、焊接内应力过大等;产生冷裂纹的主要原因是焊 接结构设计不合理、焊缝布置不当、焊接工艺措施不合理,如焊前未预热、焊后冷却快等。处理办法是在裂纹两端钻止裂孔或铲除裂纹处的焊缝金属,进行补焊。3.固体夹杂:有夹渣和夹钨两种缺陷。产生夹渣的主要原因是焊接材料质量不好、焊接电流太小、焊接速度太快、熔渣密度太大、阻碍熔渣上浮、多层焊时熔渣未清除干净等,其处理方法是铲除夹渣处的焊缝金属,然后焊补。产生夹钨的主要原因是氩弧焊时钨极与熔池金属接触,其处理方法是挖去夹钨处缺陷金属,重新焊补。
知识点三:普通螺栓连接的要求
1.普通螺栓作为永久性连接螺栓时,应符合下列要求:(1)螺栓头和螺母(包括螺栓)应和结构件的表面及垫圈密贴。(2)螺栓头和螺母下面应放置平垫圈,以增大承压面。(3)每个螺栓头侧放置的垫圈不应多于两个,螺母侧垫圈不应多于1个,并不得采用大螺母代替垫圈。螺栓拧紧后,外露丝扣不应少于2扣。(4)对于设计有防松动要求的螺栓应采用有防松动装置的螺栓(即双螺母)或弹簧垫圈,或用人工方法采取防松动措施(如将螺栓外露丝扣凿毛或将螺母与外露螺栓点焊等)。(5)对于动荷载或重要部位的螺栓连接应按设计要求放置弹簧垫圈,弹簧垫圈必须设置在螺母一侧。(6)对于工字钢和槽钢翼缘之类上倾斜面的螺栓连接,则应放置斜垫圈垫平,使螺母和螺栓的头部支承面垂直于螺杆。(7)使用螺栓等级、规格、长度、材质等符合设计要求。2.连接形式:平接连接、搭接连接和T形连接。螺栓排列主要有并列和交错排列两种形式。3.紧固:螺栓的紧固次序应从中间开始,对称向两边进行。螺栓的紧固施工以操作者的手感及连接接头的外形控制为准,对大型接头应采用复拧,即两次紧固方法,保证接头内各个螺栓能均匀受力。
知识点四:高强度螺栓连接的要求
1.连接形式:通常分为摩擦连接、张拉连接和承压连接等,其中,摩擦连接是目前广泛采用的基本连接形式。 2.摩擦面的处理方法:通常有喷砂(丸)法、酸洗法、砂轮打磨法和钢丝刷人工除锈法等。可根据设计抗滑移系数的要求选择处理工艺,抗滑移系数必须满足设计要求。 3.安装:高强度螺栓的安装应能自由穿入孔,严禁强行穿入。高强度螺栓连接中连接钢板的孔径略大于螺栓直径,并必须采取钻孔成型。高强度螺栓终拧后,螺栓丝扣外露应为2~3扣丝。4.紧固:高强度大六角头螺栓连接副施拧可采用扭矩法或转角法。同一接头中,高强度螺栓连接副的初拧、复拧、终拧应在24h内完成。高强度螺栓连接副初拧、复拧和终拧原则上应以接头刚度较大的部位向约束较小的方向、螺栓群中央向四周的顺序进行。高强度螺栓和焊接并用的连接节点,当设计文件无规定时,宜按先螺栓紧固后焊接的施工顺序。
知识点五:钢结构涂装
1.钢结构涂装工程通常分为防腐涂料(油漆类)涂装和防火涂料涂装两类。通常情况下,先进行防腐涂料涂装,再进行防火涂料涂装。2.防火涂料按涂层厚度可分为CB、B、H三类。CB类:超薄型钢结构防火涂料,涂层厚度小于或等于3mm;B类:薄型钢结构防火涂料,涂层厚度大于3mm且小于或等于7mm;H类:厚型钢结构防火涂料,涂层厚度大于7mm且小于或等于45mm。3.防腐涂料和防火涂料的涂装油漆工属于特殊工种。施涂时,操作者必须有特殊工种作业操作证(上岗证)。防腐涂料和防火涂料应具有相容性。
知识点六:钢结构单层厂房安装
1.安装准备工作:包括技术准备、机具准备、构件材料准备、现场基础准备和劳动力准备等2.安装方法:单件流水法吊装法(如采用履带式起重机时,柱、柱间支撑、吊车梁的安装)、节间综合法吊装法(如屋盖安装,或采用汽车式起重机时,柱、柱间支撑、吊车梁的安装)。3.钢柱常用的吊装方法有旋转法、滑行法和递送法。4.钢屋架安装前需进行吊装稳定性验算,吊点选在上弦节点处。
知识点七:高层钢结构的安装
1.准备工作:包括钢构件预检和配套、定位轴线及标高和地脚螺栓的检查、钢构件现场堆放、安装机械的选择、安装流水段的划分和安装顺序的确定、劳动力的进场等。2.高层建筑的钢柱通常以2?4层为一节,吊装一般采用一点正吊。钢柱安装到位、对准轴线、校正垂直度、临时固定牢固后才能松开吊钩。3.同一节柱、同一跨范围内的钢梁,宜从上向下安装。钢梁安装完后,宜立即安装本节柱范围内的各层楼梯及楼面压型钢板。
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