塔式起重机塔身高强度螺栓预紧的现状浅析

塔式起重机塔身高强度螺栓预紧的现状浅析塔式起重机的正确安装是塔机按设计要求分布荷载、安全正常工作的前提，塔身是塔机最重要的基础部件之一，在塔机的正常工作中起着决定性的作用，而塔身大多是由标准节通过高强螺栓连接而成的，螺栓连接的预紧能增强连接的可靠性，防止连接在工作载荷下发生松动，因此高强螺栓的预紧是保证塔机安装质量的决定因素。目前，塔机安装施工和加固过程中塔身标准节连接用高强螺栓普遍存在预紧力偏小，甚至少数无预紧的现象，我们在工程实际中碰到过这样一个触目惊心的例子引起了我们对塔身高强螺栓预紧的关注。某工地一台QTZ315型塔机，2002年8月上旬安装完成后，没有立即投入使用，偶尔空载运行几次，十月初准备使用，检查塔身标准节连接用高强螺栓预紧情况时，出现如下一组数据：该机共有9节标准节，每个标准节连接面上有8（=2×4）个M24高强螺栓，塔身上与下支座、下与底架同样用8个M24高强螺栓连接，在总计80个高强螺栓中，有27个没有预紧力（徒手即能向压紧方向转动螺母），占高强螺栓总数的33.75%，预紧高强螺栓的预紧转矩均在300N·m以下。自下而上的第六连接面的8个螺栓中未预紧的有6个，第五、八连接面每层的8个螺栓中未预紧的有5个。1规范对高强螺栓预紧要求的分析目前广泛使用的水平臂架小车变幅上回转塔式起重机塔身标准节连接用高强螺栓主要承受拉力，在这种情况下，接头接触面之间有分离趋势，同时标准节之间的水平力要靠螺栓预紧力使结合面产生的摩擦力来承受。从理论上讲，螺栓只能承受拉力，而不能抵抗剪力。如果螺栓未拧紧，则容易松动。此时，螺栓既受拉又受剪，交替冲击，受力恶化，很容易产生力断裂，这是高强度螺栓最常见的破坏形式，也是塔机常见的事故形式之一。《塔式起重机设计规范》(GB/T13753-92)（以下简称规范）5.5.2.2.2条有这样的要求：“接头设计应保证在外拉力作用下，接合面之间有一定的压紧力，不得出现分离现象。”这可以理解为：接头在最大外力作用下，接合面之间的压紧力大于零，且此时压紧力产生的摩擦力应能抵抗标准节之间的水平力，即满足要求。规范中给出的高强螺栓预紧力Ｆ1的计算公式为：Ｆ1=ｋ1·ＦN式中：Ｆ1——高强螺栓预紧力，Nｋ1——系数，与载荷组合有关，ｋ1=1.1~1.65ＦN——单个螺栓所受的外拉力，N以QTZ315型塔机（主参数：最大起重量30kN；工作幅度3~41.8m；独立起升高度30m；平衡重60kN）为例，在最恶劣工况（工作状态突然卸载或吊具突然脱落）下，塔身所承受的最大弯矩为：Ｍmax=352kN·m，由塔身截面尺寸计算得：Ｆ′N===471.2kNＦN===117.8kN计算时所取Ｍmax已考虑载荷组合，117.8kN可作为高强螺栓抵抗拉力所需预紧力，即Ｆ1=117.8kN。在组合载荷作用下，接头的摩擦力是由螺栓的残余预紧力Ｆ′0产生的。Ｆ′0=Ｆ1－（1－ｋc）ＦN式中：Ｆ′0——螺栓残余预紧力，NＦ1——螺栓预紧力，Nｋc——系数，一般取0.25ＦN——螺栓外拉力，N故：Ｆ′0=Ｆ1－0.75ＦN有Ｆ10.75ＦN=0.75×117.8=88.35kN；在考虑到适当的安全裕度时，国标GB3811取Ｆ′0=Ｆ1－1.4ＦN有Ｆ11.4ＦN=1.4×117.8=164.9kN；欧洲标准FEM取Ｆ′0=Ｆ1－ＦN有Ｆ1ＦN=117.8kN；国标GBJ17-88取Ｆ′0=Ｆ1－1.25ＦN有Ｆ11.25ＦN=1.25×117.8=147.25kN；规范编制说明中指出，GB/T13752-1992采用GBJ17-88中的值，给出性能等级8.8级的M24高强螺栓预紧力为：155kN。再按下式计算预紧力矩Ｔ：Ｔ=0.2Ｆ1·ｄ式中：Ｆ1——预紧力ｄ——高强螺栓直径，此处ｄ=24mm可分别得到如下数据：规范中给出8.8级M24高强螺栓预紧力矩值为：理论预紧力矩710N·m；实际使用预紧力矩640N·m。比较上述数据可得：实际预紧时对标准给定的值打折扣是错误的，不安全的。目前施工中确实存在着“塔式起重机塔身高强螺栓的实际预紧转矩可以减小到规范给定值的65%～80%”这种观点和做法，而且还有一定的市场。前言述及的例子出现后，我们一直在关注塔身高强螺栓预紧的现状，曾几次在国内、省内的有关塔式起重机技术交流会上做过口头调查，只有少数国内几个知名的业内企业像中联、北建工等基本控制在规范给定值附近，几乎所有的中小塔机企业都对规范给定值打折扣，他们通常将规范给定的不同型号塔机高强螺栓的实际预紧转矩值除以1.4而作为施工中的实际控制值。考虑到施工中预紧值控制的多种影响因素如：工具、人员素质、体力、环境条件以及塔机型号不同偏差值有所不同，因此我们给出了“65%～80%”的区间系数。这种观点和做法的形成可以说由来已久，原因是传统的人工方式预紧要想达到规范给定的值有一定的难度，而按给定值的65%～80%控制的结果并未直接导致塔机事故的发生，久而久之人们便认为这种观点和做法是正确的。确实，我们查阅过数篇事故分析论文、鉴定报告及有关起重机事故分析的书籍，也未曾见到这种“直接导致事故发生”的记载。“直接导致事故”通常被认为是看到高强螺栓受拉、剪而断裂导致机毁人亡的事故，但我们分析认为：部分由塔身屈曲而倒塔的事故是由高强螺栓预紧力不够而间接引起的。预紧力不够，则螺栓容易松动，即使塔身标准节接触面有微小的间隙，也将会导致塔机重心前移，塔身所受弯矩大幅度增加，可能导致事故发生，正所谓差之毫厘失之千里。QTZ315型塔机，独立起升高度30m，当高强螺栓中心处下部第三标准节接触面有0.1mm间隙时，塔身以上部分整体前移3.2mm，在最恶劣工况下，塔身所受最大弯矩增大1.13kN·m。2塔身标准节连接用高强螺栓预紧方式分析高强螺栓的拧紧有以下两种方式：（1)传统的人工方式这种方式的松紧程度靠工人经验控制。（2)力矩扳手方式力矩扳手有机械、液压、电动和气动等多种形式。力矩扳手可方便地调整预紧力矩标定值（有表盘刻度、数字等标定方式），准确拧紧到设计预紧力矩值，各螺栓受力均匀，非常适合预紧力矩精度要求高的螺栓紧固。就目前塔式起重机塔身安装和加固过程中，塔身高强螺栓预紧所使用的工具、预紧力、预紧力矩的控制等情况，笔者对部分塔机厂家做过调查，基本情况是这样的：使用的工具：普通扳手85%力矩扳手15%预紧力矩的控制：凭感觉90%先标定后预紧10%预紧方法：随加节随预紧90%旋转吊臂依次对受压螺栓预紧10%“旋转吊臂依次对受压螺栓预紧”的预紧方法是这样的：塔式起重机在安装或空载状态下，塔身处在平衡臂下方的一侧受压而吊臂一侧受拉，旋转吊臂可以先后使同一平面的四处高强螺栓处于平衡臂下方而受压。安装时先同一平面四处（4×2或4×3个，塔身四角）依次预紧，然后由下到上；加固时可先预紧两三个不同平面的同一塔身角的受压螺栓，然后依次其它角，再由下到上或由上到下。上述调查结果表明几乎全部厂家在使用人工方式，靠工人经验来控制高强螺栓的松紧程度，同时由于某些厂家人员素质较差，责任心不强，导致前言述及的例子。我们曾测试过采用人工方式安装的高强螺栓，预紧力矩大多在400N·m～500N·m之间，想再增加预紧力矩，工人的劳动强度将大幅度增加。力矩扳手虽有机械、液压、电动、气动等多种形式，但全部是机械安装中通用的工具，机械式便宜、耐用，较其它力矩扳手使用方便。一方面这种扳手由于自重和长度一般是普通扳手的两倍以上，另一方面由于塔机安装和调试的特殊工作条件，使得工人的劳动强度大大增加，要想使实际预紧力矩达到500N·m难度相当大。液压式省力，但价格贵，更笨重，使用更麻烦，特别是在加固时受液压泵站的限制。气动式由于受到现场条件的限制，使用者更少。因此我们认为，尽快研制一种方便、携带使用灵活，力矩值便于控制，自动化程度高的塔机专用力矩扳手是非常必要的。我们曾对“旋转吊臂依次对受压高强螺栓预紧”这一方法做过这样一个试验，塔机型号：QTZ315；试验工况条件：无风、空载；塔身的平衡臂一侧受压，吊臂一侧受拉；高强螺栓：M24；塔机部位：自下第二、三标准节连接面。得到以下数据：受压高强螺栓控制预紧力矩值：400N·m受拉时高强螺栓预紧力矩测得值：490~530N·m受压高强螺栓控制预紧力矩值：450N·m受拉时高强螺栓预紧力矩测得值：600~630N·m由此可以看出，这种方法可以使实际起作用的力矩值增大10%~40%，增大幅度与高强螺栓所受拉力和压力的差值有关。这种方法是有效而切实可行的。3结论“施工中塔式起重机塔身高强螺栓的实际预紧扭矩可以减小到规范给定值的65%～80%”这种观点和做法是错误的。增强对高强螺栓预紧重要性的认识，保证规范中给定的预紧力矩值，研究高强螺栓预紧的方法，研制高强螺栓预紧专用电动工具，从而保证塔机的安装质量，提高塔机运行的安全性，是亟待解决的问题。