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    鐵路鋼橋高強度螺栓連接施工若干問題探討

    2018-11-26 2360

      1 概述

      現行鐵路行業標準《鐵路鋼橋高強度螺栓連接施工規定》(TBJ 214—92),以下簡稱“《施工規定》”,發布至今已有20 余年,隨著鋼橋技術的發展,我國在鐵路鋼橋的設計、制造、安裝及科研試驗等方面取得很大進步,如整體節點的設計與制造技術[1]、鋼桁梁整節段架設技術[2]、大跨度公鐵兩用橋中廣泛采用的正交異性鋼橋面板與主桁弦桿間的栓焊混用連接方式、施擰工藝和工具的改進等,這些情況是當時制定標準時無法預見的,因此有必要對其進行補充和修訂,以更好地指導施工。

      《施工規定》與建設部1991 年發布的行業標準《鋼結構高強度螺栓連接的設計、施工及驗收規程》( JGJ 82—91) 均依據《鋼結構用高強度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術條件》( GB /T 1231—1991) 等國家標準制定。2006 年“鋼結構摩擦型高強度螺栓連接用的連接副”國標產品系列標準中的GB /T 1228 ~1231 4 個標準發布了新版本,建設部據此更新了其行業標準,并改名為《鋼結構高強度螺栓連接技術規程》( JGJ 82—2011) 。2011 年,原鐵道部將《鐵路鋼橋高強度螺栓連接施工技術指南》( 下稱《指南》) 列入當年鐵路工程建設標準編制計劃,委托中鐵大橋局對1992 年版的《施工規定》進行修訂,大橋局成立課題組對現行標準的修訂做了大量工作,于2012 年底向經濟規劃研究院提交了《指南》的征求意見稿,并通過了初審,后因鐵道部撤并重組而暫停,但這一工作仍將繼續下去直到修訂完成。

      2 若干問題探討

      由于鐵路橋梁承受的動荷載較大,對結構的變形和抗疲勞性能要求較高,鐵路鋼橋的設計原則和方法與建筑行業標準中的規定有所不同,比如承壓型連接和栓焊并用連接對鐵路鋼橋都是不適用的,因此鐵路鋼橋高強度螺栓連接施工還不能完全參照其他行業標準,需結合具體情況對相關問題進行研究。

      2. 1 扭矩法與轉角法(扭角法)

      高強度螺栓的施擰方法主要分為扭矩法和轉角法,在轉角法中也要采用扭矩法對高強度螺栓進行初擰,因此一些文獻中稱其為“扭矩-轉角法”,《施工規定》中的“扭角法”,可以理解為“扭矩-轉角法”的簡稱。

      扭矩法是通過控制施擰扭矩對高強度螺栓連接副進行緊固的施工方法,因操作簡便,這種方法在國內外高強度螺栓緊固作業中被廣泛采用。但由于制造工藝和表面潤滑技術的制約,早期高強度螺栓扭矩系數的離散性較大且容易變化,使螺栓軸力難以準確控制。1980 年4 月,表面磷化高強度螺栓在中鐵大橋局橋梁科學研究院研制成功,高強度螺栓經過磷化處理后可降低及穩定扭矩系數,提高并穩定預緊軸力,與表面發黑高強度螺栓相比,扭矩系數降低50% 左右,平均值能保證在0. 110~0. 150,標準差可以穩定在0. 010 以下,離散率減小70% 左右[3],這對保證高強度螺栓連接質量具有重要意義,為扭矩法施工奠定了基礎。九江長江大橋及之后修建的其他鐵路鋼橋高強度螺栓均采用扭矩法施工。

      轉角法是對螺栓進行初擰后,再通過控制螺栓與螺母相對轉角值對高強度螺栓連接副進行緊固的方法。美國在20 世紀40 年代末開始用轉角法研究螺栓伸長和軸力的關系,并于1960 年制定了規范,在1962年修訂時強調以轉角法作為主要擰緊方法[4],之后又多次進行修訂使之日臻完善。目前,這一方法在國內外機械制造、汽車裝配等行業中應用較為廣泛。初擰扭矩和終擰轉角是轉角法的兩個重要參數,《施工規定》第4 章給出了終擰轉角的計算公式,但公式中的參數和轉角前的初擰扭矩都需要通過試驗確定,應用起來具有一定困難,需要增加轉角參數試驗的內容,以改進可操作性。

      2. 2 延遲斷裂

      延遲斷裂( 也稱滯后斷裂)是高強度螺栓連接常見病害之一,這種情況在20 世紀80 年代以前建造的鋼橋中較為普遍,在后來的九江長江大橋建設中,中鐵大橋局橋梁科學研究院通過對高強度螺栓的材質、使用環境、表面處理方法、工作應力大小、螺栓的欠擰和超擰以及強度級別、屈強比等因素進行深入研究,得出了“調整回火溫度、改善形位公差”的正確結論,并基于斷裂力學理論,結合實測數據推導出了形位公差的限值[5],實橋螺栓斷裂率明顯下降,充分證明了其控制方法的科學性和有效性。然而近年來施工的鋼橋中,高強度螺栓延遲斷裂的現象時有發生,說明某些環節的控制出現疏漏,以前的研究成果和經驗有必要以適當方式吸收到標準中加以反映。

      高強度螺栓的延遲斷裂主要與原材料、制造工藝、形位偏差、施擰質量等因素有關。隨著技術的進步,定扭矩電動扳手標定扭矩的精度明顯提高,因施擰扭矩偏差導致的螺栓斷裂情況已比較少見。原材料方面,在高強度螺栓發展初期國內外都進行了比較充分的研究,認識到釩、鈦、鉻、鎳、鉑、硼、氮等元素對鋼材性能的影響,并驗證了螺栓延遲斷裂與材料強度之間的關系,如日本從20 世紀60 年代開始推出F8T螺栓(極限抗拉強度784~980MPa),之后不斷提高螺栓強度直至F13T螺栓(強度為1274~1470MPa),繼而發現這種螺栓延遲斷裂現象嚴重,在經歷七年半的曝露試驗后淘汰了FllT(強度為1078~1274MPa)以上的螺栓[6],推廣采用F10T(強度為980~1176MPa)螺栓。我國的10. 9S高強度螺栓抗拉強度為1040~1240MPa,介于日本的F10T與FllT之間,可以認為是基本適宜的。

      眾多事例表明,制造工藝和形位偏差成為影響我國高強度螺栓性能的主要因素。延遲斷裂現象是材料-環境-應力相互作用而發生的一種氫致脆化。酸洗、電鍍處理時侵入鋼材中的氫在應力作用下向應力集中處富集會引起高強度螺栓的延遲斷裂,對高強度螺栓特別是10. 9級及其以上的螺栓酸洗、電鍍后均應及時進行脫氫處理。在滾壓螺紋時提高加工質量、避免過大的應力集中等措施,可以有效降低高強度螺栓發生延遲斷裂的敏感性。另外,回火溫度也是影響高強度螺栓延遲斷裂的重要因素,九江長江大橋的研究表明,對于20MnTiB和35VB兩種材質的高強度螺栓,淬火后回火溫度應分別控制在(420±10)℃和(440±10)℃。對于42CrMoA材質的10. 9級和12. 9級高強度螺栓,有研究指出淬火后的回火溫度不低于500 ℃可有效提高延遲斷裂抗力[7]。螺栓形位偏差與延遲斷裂也有密切的關系,高強度螺栓在服役時除承受拉、扭外還承受一個附加彎矩作用的力,當螺栓支承面不垂直度和栓焊不直度接近國標允許偏差的極限值時,彎曲應力會超過軸向應力,由于螺栓承受的附加彎矩與其長度成反比,與慣性矩成正比,因此當形位偏差一定時,短螺栓和大直徑螺栓更易于斷裂。在調查南京長江大橋的127個斷栓時發現,除其中5個螺栓的長度達到或超過90mm外,其余全是76mm以內的短螺栓[6]。服役期間高強度螺栓的延遲斷裂危及橋梁結構和運營安全,必須高度重視。然而由于延遲斷裂與高強度螺栓生產工藝有很大關系,現有的產品標準體系不足以保證螺栓性能,有專家提出應要求工廠進行延遲斷裂試驗,但這又涉及試驗方法與合格標準的問題,不易解決。由于高強度螺栓質量要求較高、生產工藝復雜、市場競爭激烈等原因,多數大型企業已退出這項業務,目前市場上的高強度螺栓生產廠家大多是中小型企業,為降低成本往往會省略或放松對一些工序的嚴格執行而影響產品質量,施工單位在驗收時通常僅對常規性能進行檢查,而延遲斷裂問題屬事后發生,因此在采購時須注意對生產廠家制造工藝和產品信譽的考察并擇優選定,不宜將價格作為唯一主要考慮因素。由于形位偏差是高強度螺栓延遲斷裂的主要原因之一,同時也是施工單位能夠實施的檢查項目,在驗收高強度螺栓時對檢查標準特別是螺栓不垂直度和螺母同軸度等指標應從嚴掌握。

      2. 3 其他工藝措施

      高強度螺栓生產的基本工藝流程為: 配料→鍛造→磷化→去氫→縮頸→熱處理→噴砂→探傷→校直→車支承面、去毛刺→滾壓螺紋→磷化→皂化→去氫→分選→包裝。不同生產企業的工藝流程有所不同,但鍛造工序不允許采用冷鐓;噴砂和去氫工序是減少螺栓氫脆發生的重要工序,不能省略;磷化工序中包括去油、酸洗、表調等內容;工藝中所有酸洗工序后必須在2h之內去氫(溫度190~230℃、時間6h);去氧化皮、毛刺工序宜采用機械方法。

      試驗測定,經皂化處理后的高強度螺栓連接副其扭矩系數易受濕度影響,隨濕度增加而降低,當濕度大于90%時扭矩系數會急劇下降(達到0.08以下,超出標準允許值。由于扭矩系數過低將變得不穩定且使螺栓的防松效果變差,是應當避免的情況),而全磷化浸油螺栓的扭矩系數隨濕度增加反而增大(仍在標準允許范圍內)[8],因此在潮濕地區使用的高強度螺栓宜采用全磷化表面處理工藝。對一些橋梁的高強度螺栓病害調查發現,螺栓大都斷在螺母內側第一扣處和光桿與螺紋的分界處,這里有較大的應力集中。西寧特鋼的研究認為,改善螺紋牙溝的形狀可降低應力集中程度,除可改善高強度螺栓的抗疲勞性能外,還可減少螺紋牙溝處氫的富集和擴散,亦可明顯地提高其延遲斷裂抗力。

      2. 4 大直徑高強度螺栓

      由于國內鐵路鋼橋的跨度愈來愈大,鋼梁節點板層厚度不斷增加,現有規格的高強度螺栓已顯得力不從心,對承載力更大的高強度螺栓有著現實的需求。已有廠家試制出M36、M42 甚至更大直徑的高強度螺栓,但現行國家標準《鋼結構用高強度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術條件》(GB/T1231)中最大螺栓規格為M30。高強度螺栓的研制涉及材料、制造工藝、產品標準等眾多問題,屬于技術鏈中的上游鏈,而施工則屬于尾鏈,在《施工規定》中對產品要求方面的規定僅涉及預拉力及相關的值,而這些又是由設計規范提出的。

      目前“非標”的發展趨勢,一是增大螺栓直徑,二是提高螺栓強度。由于延遲斷裂問題的存在,除非在材料科學或制造工藝方面取得顯著突破,否則難以采用更高強度的材料,因此,增大螺栓直徑可能是一個合理的選項。目前的產品系列標準對普通鋼結構是基本夠用的,而對于鐵路鋼橋的發展而言確實有所滯后,有必要在充分研究的基礎上對高強度螺栓的型號、規格進行拓展,以適應大跨度鋼橋對高強度螺栓連接的迫切需求。

      2. 5 栓焊混用連接

      栓焊混用連接不同于栓焊并用連接,前者是指同一受力接頭中,部分構件采用焊接、部分構件采用高強度螺栓摩擦型連接的一種連接方式,后者在建筑行業標準中被定義為:”考慮摩擦型高強度螺栓連接和帖角焊縫同時承擔同一剪力進行設計的連接接頭形式。”在鐵路鋼橋中,栓焊混用連接通常表現為:在正交異性鋼橋面板作為橋面系結構中,鋼橋面板間連接采用縱、橫向現場焊接,而縱梁(肋)間連接和橫梁(肋)與主桁弦桿間連接采用栓接或在橫梁翼緣與主桁間采用焊接而腹板采用高強螺栓摩擦型連接、且焊接滯后于栓接。從螺栓與焊縫共同受力的角度看,栓焊混用連接對兩者共同受力及變形的同步性要求低于栓焊并用連接,因此簡化了接頭的設計且便于施工。對于栓焊并用連接,20 世紀60 年代原西德的試驗表明:在靜載下,二者的容許荷載可以迭加,安全系數≥2. 5;在反復荷載作用下,栓焊并用的節點耐勞強度高于焊接的耐勞強度( 焊縫安排在螺栓后面)[9]。國內則有研究指出,當摩擦型高強度螺栓強度與側焊縫強度比值在0. 85 左右時,兩者強度均能充分發揮,其他比值下,強度較高者有不同程度的浪費,栓焊并用連接承載力可近似用兩種連接各自的受剪承載力的線性組合表達[10]。

      大跨度鐵路鋼橋的設計中已廣泛使用栓焊混用接頭,設計單位采用何種力學模型與計算理論,是施工單位制定高強度螺栓施擰方案的重要依據,因此應與設計單位加強溝通聯系,使施工工藝合理、安全。在這類接頭施工中,由于后焊板件的焊接變形對先行栓合的板件產生附加內力,進而影響到先行栓合板件上高強度螺栓的受力特性,有必要通過科研試驗,結合多座大型鋼橋的工程實踐,對高強度螺栓施擰、構件焊接工藝和施工順序等提出明確規定。根據經驗,如果先焊后栓,橋面板施焊后沖釘被拴孔壓緊很難退出,影響高強度螺栓施工,且橋面板與弦桿連成整體后,栓接部位的板面難以貼緊,降低摩擦面的連接效果[11]。建筑行業標準則規定,梁、柱、支撐等構件的栓焊混用連接接頭中,“施工順序宜在高強度螺栓初擰后進行翼緣的焊接,然后再進行高強度螺栓終擰”。

      在近期施工的幾座鋼橋上,為降低橫梁腹板上高強度螺栓承受的附加力,靠近鋼橋面板側2~3 排栓孔先用沖釘上滿,讓沖釘先行承受橋面板焊接變形產生的附加力,待焊接完成后再用高強度螺栓替換沖釘的方法,這一經驗可予參考。在一些栓焊混用連接接頭中,如果焊接滯后栓接的時間很短,可考慮待橫梁翼緣焊接后再終擰橫梁腹板上的高強度螺栓。如滯后時間較長,扭矩系數將發生變化,則不宜采用此法。

      2. 6 終擰質量檢查

      關于高強度螺栓的終擰檢查,《施工規定》第5. 0. 4 條規定扭矩法的終擰檢查應符合下列要求:

      一、觀察全部終擰后的高強度螺栓連接副,檢查初擰(復擰)后用油漆標記的螺栓與螺母相對位置是否發生轉動,以檢查終擰有否漏擰。

            二、對主桁( 板梁主梁)及縱、橫梁連接處,每栓群高強度螺栓連接副總數的5%,但不少于2 套,其余每個節點不少于1 套進行終擰扭矩檢查。1996和2002年版《鐵路橋涵施工規范》(TBJ 203-96、2002)均在第11. 1. 22 條規定:高強度螺栓施擰完畢,應按下述規定進行檢查: 一、應設專職人員進行檢查,當天擰好的螺栓當天檢查完。二、主桁節點及縱橫梁連接處,每一個螺栓群檢查的數量為其總數的5%,每個主桁節點不得少于5 個。但2003 年發布的《鐵路橋涵工程施工質量驗收標準》(TB10415-2003)出現了重大變化,該標準第12. 2. 5 條規定:高強度螺栓連接副施擰,必須符合相關標準規定和施工工藝要求。檢查數量:施工單位全部檢查……檢驗方法:施工單位使用扭矩扳手或量角器檢查;監理單位見證檢驗。而之后的版本基本沿用了這一規定。對條文的理解或許有不同,但實際執行過程中確實按螺栓總數的100%進行終擰扭矩檢查。

      對全部高強度螺栓100% 進行終擰扭矩檢查,顯然是希望更好地保證質量,但這一規定本身卻不夠科學。首先,對于扭矩法施擰的高強度螺栓其扭矩系數和施擰扭矩同樣重要,《施工規定》不僅規定了扭矩系數均值、標準差及其測定方法,同時規定每班操作前及操作后,均必須對施工扳手進行扭矩校正,當其誤差超過±5%時則對該班用該扳手終擰的高強度螺栓連接副全部用檢查扳手進行檢查、處理,因此螺栓的連接質量應主要靠扭矩系數的測定和施工扳手的扭矩校正來保證,采用檢查扳手對終擰后的螺栓進行抽查只是輔助手段。其次,無論采用“緊扣法”還是“松扣復位法”檢查,均可能對螺栓的緊固狀態和扭矩系數產生擾動,由于大多采用緊扣法檢查,終擰后“全部檢查”必然造成螺栓最終扭矩整體偏高,導致大面積超擰。此外,抽檢數量驟增至20 倍,時間和經濟成本都大幅增加,扭矩檢查不僅耗時而且須多人配合,除2人施加檢查扭矩外,其余人員需分別負責卡游、讀表、記錄、觀察螺母轉動等,在螺母轉動的瞬間讀取扭矩值。當檢查高空節點或邊角處的螺栓時,由于觀測條件較差很難保證準確。目前大型鋼橋所用高強度螺栓均在100萬套以上,有些則達200萬套[12],施工高峰時每天施擰上萬套螺栓,逐個檢查無疑給施工單位帶來巨大負擔,且檢查一套螺栓所花費的時間數倍于施擰時間,對當天施擰的所有螺栓當天完成扭矩檢查也是不現實的。

      因此,對全部高強度螺栓進行終擰扭矩檢查不僅沒有必要,反而造成不利影響,但要改變這一局面,只能通過修訂驗收標準來現實。作為對照,《公路橋涵施工技術規范》( JTG/T F50—2011) 第19. 13. 3 條規定:高強度螺栓終擰完成后,應按下列規定進行質量檢查: ……3) 對主桁節點、板梁主體及縱、橫梁連接處,每栓群應以高強度螺栓連接副總數的5%抽檢,但不得少于2套,其余每個節點不少于1套進行終擰扭矩檢查?!朵摻Y構高強度螺栓連接技術規程》( JGJ82—2011) 第6. 5. 1 條規定:終擰扭矩應按節點數抽查10%,且不應少于10個點; 對每個被抽查節點應按螺栓數抽查10%,且不應少于2個螺栓。

      2. 7 施擰及檢查工具

      高強度螺栓施擰主要使用定扭矩電動扳手,對于個別死角處無法使用電動扳手施擰的螺栓,一般使用指針式、數字式扭矩扳手或定扭矩帶響扳手施擰。與國外先進產品相比,國產電動扳手在可靠性和耐用性方面還有較大差距,一些關鍵構件如電機、扭矩輸出控制器等容易損壞,維修頻繁。某些進口產品價格雖然10 倍于國內同類產品,但由于質量可靠、耐用,分攤到每套螺栓的綜合成本仍有優勢,這種狀況值得反思。

      關于施擰及試驗設備,近年來研制出的數顯電動扳手和扭矩系數試驗儀(扭軸儀)是該領域的重要進展。借助于電子技術和傳感器的應用,數顯電動扳手在施擰時能逐個顯示所施擰高強度螺栓的終擰扭矩并編號儲存,在施工過程中可直觀判定超擰或欠擰,便于及時處理,當天施工結束后,可調出當天儲存的終擰扭矩數據作進一步檢查分析。扭矩系數試驗儀在標定電動扳手時可同時顯示扳手的輸出扭矩和所用標定螺栓的軸力,便于扭矩系數的計算,并可根據溫度、濕度變化及時對施擰扭矩進行修正。檢查設備方面,研制出了電動扭矩檢測扳手和便攜式扭矩測試儀等新設備。電動扭矩檢測扳手內置高精度扭矩傳感器和角度傳感器,可自動顯示、儲存檢測結果,也可將數據導入電腦分析。更重要的是,這種扳手使用的交流伺服電機能夠以非常低的速度啟動,通過設定可以在轉動微小角度(如0. 5°~1°)后及時停止并顯示輸出扭矩,適用于緊扣法扭矩檢查,在有些大型橋梁工程項目上已經進行了試用[8,14]。便攜式扭矩測試儀內置20 倍扭矩放大器,可直觀顯示螺栓扭矩檢測值并實時存儲,螺母轉角由內置的角度傳感器精確控制,達到設定轉角自動報警,提高了檢查結果的準確性,且減少了人為因素影響,降低了勞動強度,有望改善目前高強度螺栓檢查工作的困難局面。

      2. 8 訂貨與包裝

      高強度螺栓連接副墊圈的一側在內徑處設有一45°倒角,以與螺栓頭下的過渡圓弧相配合,減小應力集中,所以在安裝時不得裝反; 在測定扭矩系數時,規定了墊圈有內倒角的一側應朝向螺母支承面,所以在安裝時為了保持一致也不得裝反。但由于墊圈外緣并無標識,螺栓施擰后從外觀上無法判斷墊圈是否裝反,如果在墊圈有內倒角一側的外緣作出永久性識別標記,則可方便檢查并消除墊圈裝反現象。關于螺栓修約長度,《鋼結構用高強度大六角頭螺栓》(GB /T 1228—2006)給出的尺寸表中,l ≤100mm 時按5 mm 分檔,l > 100 mm 時按10 mm 分檔,《施工規定》第3. 0. 8 條關于螺栓長度計算公式和修約的規定與其相符。根據近年來高速鐵路上鋼桁梁的建設經驗,一座橋梁上可能存在十幾種甚至20 余種長度的同直徑高強螺栓,而且同一栓接接頭的不同位置也會出現多種長度相差不大的同直徑高強螺栓,易造成施工混亂,增加了管理難度,現場施工人員大多建議將高強度螺栓長度統一按10 mm修約。對于M20以上螺栓,由于其螺紋長度超出螺母及墊圈厚度達20 mm以上,按10mm分檔選用螺栓從技術上講是有條件的,能夠在現有產品標準下實現。

      關于螺栓頭部頂面的標志,《鋼結構用高強度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術條件》( GB /T1231-2006) 僅要求標志性能等級和制造廠,《鋼結構用高強度大六角頭螺栓》(GB /T 1228-2006)給出的標記示例中包括螺紋規格和螺栓公稱長度,但由于兩者規定不一致,導致部分產品標識不全,施工單位采購時可以要求廠家在螺栓六角頭上注明公稱長度以便識別和使用。此外,由于磷化后浸油、皂化兩種處理工藝生產的高強度螺栓其扭矩系數對濕度變化的反應是相反的,給扳手的校準和調整帶來困擾,建議同一工程項目的高強度螺栓采用同一種表面處理工藝。

      3 結語

      高強度螺栓是鋼結構橋梁的重要受力構件,在保證產品性能的同時還應保證其安裝質量。1992 年發布的《鐵路鋼橋高強度螺栓連接施工規定》(TBJ214-92)對規范鐵路鋼橋高強度螺栓施工,保證連接質量發揮了重要作用,如能將近年來的研究成果和先進技術以適當方式進行吸收,并對存在的問題進行改進,將有助于標準的進一步完善和施工質量的提高。

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