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日本高强度螺栓技术研究的新进展



发布时间:2018-7-12 10:44:42 点击次数:436次


        高强度螺栓(以下简称高栓),到底是何时开始使用尚不太明确,但是、有资料记载表明,美国是世界上最早开始研究高栓的国家,始于20世纪40年代。日本是从20世纪50年代开始使用高栓,首次使用是在1954年架设某铁路桥时开始的,以此为契机,随后在铁路桥上大量使用高栓。1961年还制定了高栓技术标准,即日本工业规格JIS B 1186,不久、日本公路协会又出版发行了《公路钢桥高强度螺栓摩擦连接设计指南》。我国铁路钢桥自20世纪60年代初期开始用高栓连接代替铆钉连接,至今已有50余年的历史。现在、铁路钢桥工地连接主要采用高栓连接和焊接连接两种连接技术。公路桥的钢桁梁、桁架拱桥的工地连接也有不少采用高栓连接的。

1  高栓常见病害的检查与评估

       钢桥的代表性损伤之一,是高栓的松动、掉落。螺栓松动、掉落的原因之一是高栓的延迟破坏。
       日本的钢桥发生高栓松动、掉落的现象也经常发生。福岛县三岛大桥于1975年建成(图1)。在1987年发生过高栓掉落现象,桥梁管理人员以高栓损伤为重点进行检查,并把已损伤高栓进行了更换。但是、高栓损伤仍继续发生。                                  

 图1 三岛大桥
       按照日本在2014年颁布的对桥梁、隧道每5年进行一次定期检查的部令,桥梁管理人员用检测车对该桥的高栓进行了检查,而且是进行了非常详细的检查,检查后结合以往的检查资料、设计资料进行综合分析,还做了高栓自身的强度试验、成分调查分析等。分析后认为:对桥梁整体而言,并没有发现有致命的损伤,所看到的高栓损伤为“延迟破坏”(日本学者的认识与中国完全相同,中国的高栓也常出现延迟破坏)。今后仍存在高栓继续损伤、掉落的可能性。为确保通行车辆的安全性,及时地对全部松动与掉落的高栓进行了更换与补修,如图2。

图2 三岛大桥高栓损伤情况
       对高栓松动、掉落现象检查的目的是为了进行评估,评估时主要着眼于每组高栓中的松动、掉落数量。如果每组高栓中松动、掉落根数不满5%,可认为对承载能力的影响较小,如果超过5%,就需要慎重对待。

       图3所示是对某桥进行检查的结果,每组高栓的掉落根数没有超过5%(1(掉落)/44(全体)=2.3%)。但是、由于是使用F11T超强高栓,恐怕今后仍会发生高栓掉落现象,因此、按健全性诊断标准评定为Ⅱ级(结构物的机能不产生故障,但从预防角度看仍希望采取措施)。



图3 高栓掉落实例

2  高栓技术的发展方向

2.1高栓连接

      2.1.1、超高强度螺栓。现在高栓摩擦连接用的螺栓的强度等级为1000MPa(中国现在抗拉强度是1040~1240MPa)。有F10T、S10T两种类型(实际上日本还有F11T型)。建筑领域开发了一种将10T级乘以1.4倍的14T级的高栓,并且在许多建筑工程中采用。S14T级螺栓的缺点是易发生延迟破坏,正在开发不易发生延迟破坏的材料、缓解螺纹根部应力集中的新型螺旋形状。钢桥领域,目前还没有采用S14T,正在进行S14T级高栓采用方面的技术标准的调查与研究。在物质材料研究机构(NIMS),正在开发18T级的材料、新型螺旋形状。把以与轴向平行的直径作为螺纹根部的有效直径,尽量回避螺纹根部的延迟破坏。为了验证延迟破坏还在进行室外暴露试验,试验时限定了使用环境、要求达到检验需要的长时间。

       2.1.2、高栓的大直径化。高栓的大直径化是实现高轴力的有效方法之一。在公路桥规范中规定了直径20、22、24三种规格(中国已有M30、设计预拉力为37t)的高栓。在建筑领域如输送电铁塔中已经采用了直径超过32的高栓。通过对大直径高栓的连接构造进行试算后认为,根据螺栓布置有关的最小中心间距的规定,必须加大螺栓布置的间距。由于开孔使断面削弱的部分可考虑通过合适的螺栓布置来弥补。在与高栓连接有关的螺栓布置的规定中,以铆钉连接作为基本连接。这是被认为滑移后向承压连接转移。但把滑移限界作为极限限界时,考虑高栓摩擦连接的荷载传递机理后,有必要再作适当的假定。

2.2高栓轴力控制办法

       高栓轴力控制方法主要有扭矩法、转角法、伸长量法、应变测量法、以及超声波检测法等等。在钢桥领域,与中国相同,一般采用扭矩法控制轴力,这是因为规定高栓在弹性范围内工作。超声波检测法尚处在研究中,这种方法最早于1975年由日本的德冈辰雄等人提出,从有限变形弹性理论出发,导出了超声波沿主应力方向的2个横波分量的传播速度差与主应力差的关系式,成为现代声弹性应力测量的基础。20世纪80年代,超声波在螺栓应力测量方面的应用研究开始涌现。在建筑领域,采用螺帽旋转法控制轴力,这时、在超过弹性的塑性阶段拧紧螺帽。扭矩法停留在弹性阶段是为了回避延迟破坏。在过去发现延迟破坏的高栓与现在使用的高栓,不仅材料不同,而且螺纹形状也得到了改善,所以、不易发生延迟破坏。在本州四国联络桥工程中,采用屈服强度法控制轴力,在弹性响应限界的屈服强度范围内提高轴力是可行的。基于这种考虑后,日本钢结构协会的某技术委员会正在组织开发新型的屈服强度法扳手,并进行其适用性研究。

2.3高栓摩擦连接结合面滑移系数的设定

      最早是规定把高栓摩擦连接接头作为钢桥的设计标准,是以红色生锈面为基本的时代。从防锈的观点涂敷无机富锌漆。这时、滑移系数为0.4。到了2012年,在进行公路桥规范修订时,规定根据结合面条件的不同来设定滑移系数,当采用无机富锌漆时,只要满足一定的条件,滑移系数可取为0.45。对于更换或更新之类的修补、补强,在构件结合面两侧进行不同的结合面处理,或者对不同结合面处理时,根据实际情况设定适当的滑移系数。即根据结合面处理及其组合,是一律取0.4或超过0.4,这就要根据实际情况决定。

      例如:既有构件与新构件用高栓结合时,往往对既有构件的结合面通过打磨对结合面进行处理。对新构件的结合面涂敷无机富锌漆。对于这种结合面的抗滑移系数就需要进行适当的设定。

      现在对滑移系数的设定没有评价方法,一般根据需要进行标准滑移试验,再根据试验结果确定设计滑移系数。但是、当所得到的试验结果,与设计标准中所表示的滑移系数相差较大时,滑移系数怎样取值没有明确。因此、在(国研)土木技术研究所和大阪市立大学,以统一标准滑移试验为目的,根据试验结果就滑移系数的设定方法共同进行研究,以确定合理的滑移系数。

2.4结合面滑移系数的提高

       提高高栓摩擦连接结合面的高滑移系数,可通过各种各样的手段获得。例如:对结合面进行机械切削形成纹路以此来改善滑移系数。2012年,在修改公路桥规范时,规定当涂敷无机富锌漆时,抗滑移系数超过0.45,当确保一定的涂膜厚度时,抗滑移系数为0.40~0.45。如采用防腐性能优越的喷合金材料为结合面时,还可以获得更高的抗滑移系数。考虑实际的架设工程,对连接板喷合金材料、母材采用无机富锌漆涂敷,这样两种不同材料进行结合面处理时,可以获得更高的抗滑移系数,当满足一定的条件时,滑移系数可达到0.54(中国铁路桥规定:出厂时最小不得小于0.55)。在建筑邻域,结合面采用喷铝时,滑移系数超过0.8。

2.5高栓装置的高耐久性

       高栓结合的另一个需研究的重大课题是高栓的头部、螺帽、以及螺纹处的腐蚀。高栓结合部的腐蚀,如图4所示,主要是由于螺纹部的涂膜厚度不足,导致螺帽部、螺纹部、大六角头螺栓头部易腐蚀。解决这个问题的方法之一,把连接部做成平滑状。从打入式承压螺栓受到启发,研究采用埋头高栓的摩擦连接接头,埋头高栓是为高栓摩擦连接接头开发的。埋头的开角比打入式高栓的开角大,这是由螺栓轴力的徐变特性、埋头部的应力集中决定的。图5是埋头高栓的例子,图6所示为采用埋头高栓的摩擦连接接头的标准滑移试验。通过采用这种螺栓,连接接头表面平滑,涂膜厚度也有保证,耐腐蚀性能也有所提高。



图4 主桁拼接板腐蚀实例
 
 
 
图5 摩擦型连接用埋头高栓



图6 埋头高栓摩擦连接的标准滑移试验

       由于按埋头形加工连接板,所以、在拉力作用下,螺栓轴力的降低比常用高栓大,滑移屈服强度降低10%左右。根据这个特性,对滑移系数作适当设定,耐久性高的连接部的实现是可能的。另外、考虑实际制造误差的埋头螺栓的制造容许值得设定,稍微增大连接板侧埋头加工部的埋头螺栓的开角角度,可改善滑移系数。

3  结语

       高栓连接是桥梁构件(杆件)连接中常用的连接方式,在公路、铁路桥梁中被大量的采用。美国、日本学者在高栓连接方面的研究起步早于中国,作了大量深入细致的研究工作。日本规定高栓延迟破坏不允许超过5%以及健全性诊断评定标准等很有参考意义。
       我国在学习引进美国、日本的高栓技术的同时也在不断的提高、发展。如用于高栓施拧技术的电动板手,早期主要靠引进日本产品,后来、我们自力更生,已成功研发出第一代、二代、三代产品,其扭矩精度为5%。目前、第四代产品的样机已试制成功。在高栓轴力控制方法上,也在积极地探索新的检测方法,如正在开发轴力超声检测系统。本译文收集了日本近期在高栓方面的研究工作,旨在介绍国外在这个领域的研究动态,以推动国内在高栓方面的技术发展。

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