鄭州黃河公鐵兩用橋高強度螺栓施擰質量控制

裴 闖,安 營

(中國中鐵大橋局集團第一工程有限公司,鄭州 450003)

1 概述

鄭州黃河公鐵兩用橋主橋分2聯布置,總長1684 m。第1聯采用(120+5×168+120)m六塔部分斜拉連續鋼桁結合梁方案,聯長1 082.1m。第2聯采用5×120m連續鋼桁結合梁方案,聯長601.9 m。結構造型連續,采用三角形桁式鋼梁結構。鋼梁主體結構設計為三主桁,特別是斜邊桁給高栓施擰帶來了一定難度,部分高強度螺栓因安裝及施擰空間有限,須將螺栓反穿,而反穿又無法正常施擰,這樣如何保證對螺栓頭施加扭矩也能夠使高強度螺栓達到規范要求的軸力成為本工程的技術難點。鄭州黃河公鐵兩用橋鋼主桁桿件拼接采用M30高強度螺栓連接,鐵路橋面板橫梁腹板和底板連接采用M24高強螺栓連接,鐵路橋面板縱肋連接采用 M22高強度螺栓。全橋使用螺栓共計約120.6萬套。M24、M22高栓材質為 20MnTiB,M30高栓材質為35VB,預拉力設計值及抗滑移系數按《鐵路橋梁鋼結構設計規范))(TBIO002.2—2005)取用。

2 高栓的驗收及儲存

(1)高栓連接副由1個10.9 s高強度大六角頭螺栓、1個IOH高強度大六角螺母和2個HRC35～45高強度墊圈組成。

(2)高栓、螺母及墊圈所用材質、規格尺寸、技術條件、產品包裝及產品質量檢驗報告書必須符合GB/TI228—1231的規定,高栓出廠檢驗按批進行,連接副最大批量為3 000套。高栓連接副在運輸、保管過程中應防雨、防潮,并應輕裝、輕卸,防止損傷螺紋。

(3)螺栓進場后,質檢部門對高栓進行檢查驗收,并按規定進行抽樣復驗,復驗項目包括扭矩系數、螺栓楔負載、螺母保證荷載、螺母及墊圈的硬度。

(4)高栓連接副應按包裝箱上注明的批號、規格分類保管,室內架空存放,堆放不宜超過5層。保管期內不得任意開箱,防止生銹和沾染臟物。

3 高栓的進場檢驗

3.1 扭矩系數檢驗

每個批號螺栓隨機抽樣高栓連接副8套,在扭矩系數試驗儀上進行檢驗,測定扭矩系數平均值、標準偏差。施工現場驗收,扭矩系數平均值控制在0.110～0.150,標準偏差小于0.010。

(1)每一連接副只能試驗1次,不得重復試驗。

(2)進行連接副扭矩系數試驗時,螺栓預拉力值應控制在表1所規定的范圍,超出該范圍者,所測得之扭矩系數無效。

表1 螺栓預拉力規定值 kN

(3)組裝連接副時,螺母下的墊圈有倒角的一側應朝向螺母支承面。試驗時,墊圈不得發生轉動,否則試驗無效。

(4)進行連接副扭矩系數試驗時,應同時記錄環境溫度、試驗所用的機具。儀表及連接副均應放置在該環境內至少2 h以上。

3.2 螺栓楔負載檢驗

抽檢頻率為每個批號8件,將螺栓擰在帶有內螺紋的專用夾具上(至少6扣),螺栓頭下置一10°楔墊,再裝在萬能材料試驗機上進行拉力試驗。當拉力載荷在表2規定的范圍內,斷裂應發生在螺紋部分或螺紋與螺桿交接處,否則為不合格。

表2 螺栓楔負載規定值 kN

3.3 螺母保證荷載試驗

抽檢頻率為每個批號8件,將螺母擰入螺紋芯棒,在萬能材料試驗機上進行拉力試驗,試驗時夾頭的移動速度不應超過3 mm/min。在達到表3規定的保證載荷時,持荷15 s,螺母不應脫扣或斷裂。當去除載荷后,應可用手將螺母旋出,或者借助扳手松開螺母(但不應超過半扣)后用手旋出。在試驗中,如螺紋芯棒損壞,則試驗作廢。

表3 螺母保證荷載規定值 kN

3.4 螺母硬度檢驗

抽檢頻率為每個批號8件,試驗在螺母表面進行,任測4點做洛氏硬度試驗,取后3點平均值。螺母硬度應符合表4的規定。

表4 螺母硬度的規定值

3.5 墊圈硬度檢驗

抽檢頻率為每個批號8件,在墊圈的表面上任測4點做洛氏硬度試驗,取后3點平均值。墊圈的硬度為329～436HV30(35～45H RC)。

4 栓接板面的抗滑移系數試驗

(1)高栓拼接摩擦面處理采用表面噴砂后電弧噴鋁,出廠時栓接板面抗滑移系數試驗值不得小于0.55。

(2)工地復驗抗滑移系數試驗以每制造鋼梁2 000 t為一批,每批按設計要求以不同螺栓規格及板厚的組合制造試件6組,每組3套。試件與鋼梁應為同一材質、同一時期、同批制造、同一摩擦面處理工藝,并在相同條件下運輸、存放。

(3)工地復驗抗滑移系數試驗方法:采用壓力傳感器控制螺栓預拉力,每個螺栓預拉力值應在0.95P～1.05P(P為高栓設計預拉力值),壓力傳感器應在試驗前用試驗機進行標定,其誤差應在2%以內。采用萬能材料試驗機對組件進行拉伸,直至滑動破壞,測得滑移荷載,計算抗滑移系數。工地復驗抗滑移系數不得小于0.45。

5 高栓安裝試驗及施擰過程控制

(1)高栓的設計預拉力、施擰預拉力應符合表5的規定。

(2)高栓連接副的擰緊方法為扭矩法,施擰分初擰、終擰兩部分進行,初擰和終擰均應使用定扭矩扳手。終擰扭矩值由試驗數據確定,初擰扭矩為終擰扭矩的50%。

(3)初擰使用電動扳手或定扭矩帶響扳手,終擰使用電動扳手。不能使用電動扳手施擰的部位,可用定扭矩帶響扳手施擰。使用定扭矩帶響扳手施擰時,要注意施力均勻平穩,不得沖擊施擰。

(4)高栓施擰用的電動扳手采用扭矩系數試驗儀標定,定扭矩帶響扳手采用扭矩系數試驗儀或掛重法標定。

(5)施擰扳手的標定次數為每班上班前和下班后各1次。標定方法:電動扳手和采用扭矩系數試驗儀標定的定扭矩帶響扳手,用5套當天上橋用的高栓進行標定,取其扭矩平均值。標定誤差規定為上班前標定不得大于規定值的±3%;下班后標定不得大于規定值的±5%。若上班前標定誤差大于±3%,應調整至±3%以內;若下班后標定誤差大于±5%,應及時對該扳手當班施擰的全部螺栓進行緊扣檢查。

(6)溫度與濕度對扭矩系數影響很大,當溫度與濕度變化較大時,可根據利用當天上橋的高栓,在扭矩系數試驗儀上標定電動扳手時所得的扭矩系數平均值,調整終擰扭矩,確保結構安全。

(7)保護好鋼梁摩擦面,確保摩擦面干凈無油污、鋁涂層完整。我們將鋼梁與上下梯之間的摩擦面上用干凈的帆布包裹起來,保證施擰的質量。

(8)保證高栓質量。夏季多雨,冬季有霜,高栓上橋以后必須做到“下墊上蓋”(上部用帆布包裹,下部用方木抄墊),保證高栓扭矩系數盡可能不發生較大變化,保證高栓施擰質量。冬季盡量安排白天氣溫較高時進行高栓施擰,夜間氣溫低時不進行高栓施擰。

(9)保證不同批號高栓的螺母、墊圈不被混用。高栓上橋安裝時要求不同批號的高栓分開放置。高栓拆箱后在安裝螺桿時,同一箱的墊圈、螺母不允許拿出箱外隨意亂放,避免不同批號的螺母、墊圈混用。

(10)對環境溫度、濕度進行監控。為了高栓施擰質量更好,把溫濕計懸掛在離高栓施擰最近的地方。

(11)保證高栓施擰時的電壓穩定。高栓施擰時要求1臺穩壓器上只準連接1把電動扳手,當過壓或者欠壓時停止高栓施擰,待電壓穩定后方可進行施擰。

(12)保證結構安全。制定了嚴格施擰工藝和獎懲制度,高栓施擰時必須按照工藝進行施擰,保證施擰質量,嚴格的獎懲制度極大調動了工人的工作熱情,確保高栓施擰有條不紊的進行,同時執行嚴格的高栓施擰實名制,高栓安裝人員、施擰人員、檢查人員在完成自己的工作后都必須簽字,將責任落實到人。

(13)文明施工。高栓安裝時大量的高栓盒子不允許隨意亂扔,高栓施擰完畢后統一回收,同時節約了成本。

6 對螺栓頭施擰扭矩并保證高栓軸力的技術研究

由于鋼梁邊桁拼裝角度傾斜,在邊桁頂板和底板交接處的螺栓(≥160 mm)在節點內側由于空間受限無法穿出,只能在外側向節點內側插入螺栓,每個部位約有8～10顆螺栓。由于作業空間狹小,扳手在節點內側無法使用,該處螺栓施擰時只能采用在外側施擰螺栓頭,在內側用工具卡住螺母。

高栓穿入困難部位示意如圖1所示。

圖1 高栓穿入困難部位示意

按照正常施工程序,高強度螺栓螺母必須安裝在拼接板外側,但由于空間受限,從內向外高栓根本無法安裝,因此只能選擇將高栓從外向內穿入,螺母安裝在接頭內側。由于采用了斜邊桁設計,在角落處沒有空間能夠容納電動扳手,因此只能選擇在拼接板外側對螺栓頭施加扭矩,而對螺栓頭施加扭矩,如何保證高強度螺栓的施擰軸力,如何檢查又成了一個問題。

經過分析,對須反穿的高栓長度進行了分類統計,在測定扭矩系數時我們對須反穿的高栓每批抽取16套高栓進行復驗(正常情況下高栓復驗為同批號抽取8套),其中8套在螺母上施加扭矩測定扭矩系數,做緊扣比試驗,得到緊扣比。施工時根據測定的扭矩系數選擇施工扭矩,檢查時通過緊扣比計算檢查扭矩,運用緊扣法進行高強度螺栓終擰檢查(在螺母上檢查)。

通過對扭軸儀的調整,另外8套在螺栓頭上施加扭矩測定扭矩系數,做緊扣比試驗,得到緊扣比。通過扭軸儀上的顯示數據可以看出對螺栓頭施加扭矩同樣可以到達規范要求的軸力。施工時亦采用此方法標定特定的扳手對須反穿的高栓進行施擰,終擰檢查時對螺栓頭對進行檢查。做到試驗程序與現場施工相符合,徹底解決了高栓因安裝空間受限而無法正常施擰的難題,同時也保證了高栓施擰質量。

7 夏季高強度螺栓施擰時間選擇

夏季鄭州地區室內溫度基本上在20～33℃,如果橋上施工時環境溫度與室內標定扳手時溫度差異過大,易造成高栓扭矩系數變化過大,而扳手輸出扭矩不變,造成橋上高栓軸力與標定時有較大差異。

由于受陽光直射,鋼梁體表溫度最高可達65℃,給高栓施擰質量控制工作帶來了極大的難度,為了解決這一難題,我們對本地區溫度進行了統計,并對同一批號的高栓在不同溫度情況下的扭矩系數進行了測試(表6),從而選擇合理的施擰時間,確保高栓施擰質量。

表6 扭矩系數測試

從表6可以看出,隨溫度升高,高強度螺栓的扭矩系數不斷變小,如在室內標定電動扳手,根據

式中 M——扭矩值,N·m;

K——扭矩系數(按試驗的數理統計值);

N——螺栓的施工預拉力,k N(設計預拉力的1.1倍);

d——螺栓的公稱直徑,mm。

橋上溫度遠高于扳手標定時溫度,高強度螺栓扭矩系數變小,如果在此情況下施擰,施擰后的高栓終擰預拉力大于施工預拉力,造成高栓超擰工作,引起高強度螺栓斷裂。

針對試驗結果及對本地區的溫濕度統計,最終選擇了合理的時間段進行施擰,夏季10:00～17:00(陰天除外)嚴禁進行高強度螺栓施擰工作,避開了白天高溫天氣,選擇了夜間氣溫較低時進行施擰,確保高栓施擰質量。

8 施擰質量檢查

(1)對初擰后的全部高栓連接副,用質量約0.3 kg的小錘敲擊螺母對邊的一側,用手指緊按住螺母對邊的另一側進行檢查,如顫動較大者即認為不合格,應予再初擰。

(2)觀察全部終擰后的高栓連接副,檢查初擰后用油漆標記的螺栓與螺母相對位置是否發生轉動,以檢查終擰是否漏擰。

(3)終擰檢查在螺栓終擰4 h之后、24 h以內完成。檢查方法為緊扣檢查法,檢查頻率為每一栓群高栓連接副總數的5%,但不少于2套。緊扣法檢查采用表盤扳手或數顯扳手,使用前必須標定,其扭矩誤差不得大于所使用扭矩的±3%。緊扣扭矩偏差不超過檢查扭矩值的±10%時為合格。

(4)每個節點抽檢的螺栓不合格者所占抽查總數比例不得超過20%,超過者則需繼續抽檢,直至累計合格率達到80%時為止。對欠擰者及時補擰,超擰的螺栓則需更換并重新擰緊。

9 結語

高栓摩擦連接是大型鐵路橋梁廣泛采用的一種鋼結構連接形式,具有施工簡便、受力合理、耐疲勞且安全可靠的優點。為保證高栓連接工程的施工質量,必須以高度的責任心,做好高栓進場檢驗工作,同時加強施工中的過程控制,將各工序責任落實到人,只有這樣才能使高栓連接工程的施工質量得到有效的控制,確保橋梁結構的安全。

[1] TBJ214—92,鐵路鋼橋高強度螺栓連接施工規定[S].

[2] 周孟波,秦順全.蕪湖長江大橋大跨度低塔斜拉橋板桁組合結構建造技術[M].北京:中國鐵道出版社,2004.

[3] GB50205—2001,鋼結構工程施工質量驗收規范[S].