高速鐵路特大橋鋼桁梁高強度螺栓斷裂分析及養修建議

朱素華 上海鐵路局南京橋工段

高速鐵路特大橋鋼桁梁高強度螺栓斷裂分析及養修建議

朱素華 上海鐵路局南京橋工段

針對南京大勝關高速鐵路特大橋鋼桁梁高強度螺栓斷裂現狀，統計折斷的相關數據、并根據不同折斷位置、發生折斷的時間、折斷的形式等進行初步分析，為南京大勝關長江高速鐵路特大橋鋼桁梁的今后養護維修和研究提供參考。

高速鐵路橋；高強度螺栓；折斷；分析；養護

南京大勝關長江大橋屬于高速鐵路特大型橋梁，是世界首座六線鐵路大橋，于2006年初開工，2010年12月建成通車（見圖1）。大橋全長14.889 km，按六線軌道設計(京滬高鐵雙線設計時速300 km/h、滬蓉高鐵雙線設計速度250 km/h、地鐵雙線設計速度80 km/h)，具有體量大、荷載大、跨度大、速度高的“三大一高”世界領先水平，跨越長江的水域合建區段主橋長1 615.0 m，孔跨式樣為2聯（84+84）m連續鋼桁梁/ （108+192+336+336+192+108）連續鋼桁拱橋，主跨2×336 m連續鋼桁拱為世界同類橋梁最大跨度，主橋鋼梁重量約為8.2萬t，主桁由三片主桁架組成，桁梁總寬41.0 m，兩個336 m的中跨鋼拱桁，從拱趾到拱頂總高96.18 m。正橋鋼桁梁采用382萬套高強度螺栓摩擦型連接，其中主桁桿件采用M30螺栓連接,橋面系和聯結系構件采用M24螺栓連接,橋面U形肋和板肋的拼接采用M22螺栓連接。M24、M22高強度螺栓材質為20MnTiB，M30高栓材質為35VB。

圖1 大勝關長江大橋鋼桁梁橋全景圖

1 高強度螺栓斷裂的基本情況

大勝關長江大橋鋼桁梁高強度螺栓，從2010年12月30日開通運營到2016年3月22日，共發現高強度螺栓斷裂277套，而且每年都會發生高強度螺栓斷裂的現象，其中M30規格高強度螺栓斷裂34套，M24規格高強度螺栓斷裂219套，M22規格高強度螺栓斷裂24套（見表1）。

表1 大勝關長江大橋正橋 高強度螺栓折斷統計表（規格及位置）

高強度螺栓發生斷裂，由于受力、材質等原因影響，斷裂位置不一（見圖2～圖6），主要有以下幾種形式：①螺栓絲桿中部；②螺母與螺栓交接處；③螺栓直桿與絲口交界處；④螺栓直桿與螺栓頭部交接處；⑤螺栓直桿中部。其中圖3、圖4、圖5是大勝關長江大橋鋼桁梁發現最多的斷裂位置，斷裂位置發生在螺栓直桿與螺栓頭部交接處和螺栓直桿中部屬于延遲斷裂的可能性比較大。

圖2 螺栓絲桿中部

圖3 螺母與螺栓交接處

圖4 螺栓直桿與絲口交界處

圖5 螺栓直桿與螺栓頭部交接處

圖6 螺栓直桿中部

2 高強度螺栓斷裂的原因分析

2.1 氣候條件的不利影響

大勝關長江大橋鋼桁梁橋位于江蘇省西南部、長江的中下游，屬北亞熱帶向中亞熱帶過度氣候帶，具有過度性、季風性、濕潤性的特點。年平均雨日118.8天，相對濕度較高：1月份平均為73.7%、7月份平均為81.1%、年平均77.0%。每年的1~4月份、10~12月份晝夜溫差大，這樣的環境氣候條件對高強度螺栓的耐侯性有很大的影響，是造成高強度螺栓斷裂的原因之一。

2.2 原材質因素造成缺陷

通常，高強度螺栓材質自身缺陷會造成延遲斷裂。高強螺栓的原材料中存在非金屬夾雜物，冶煉和加工過程中各種介質（特別是氫）的侵入，導致在冶煉過程中，可能會存在初始缺陷，在制造過程中，也有可能產生新的制造缺陷，這些都有可能成為日后高強螺栓延遲斷裂的誘因。

2.3 施工誤差引起延遲斷裂

為防止高強度螺栓腐蝕，目前國內通常的做法是對高強度螺栓表面進行處理，雖然可以防腐，但是在施工時需要在其表面涂抹潤滑劑，易造成扭矩系數離散，導致預緊力無法控制，出現超擰問題。根據鐵路鋼橋高強度螺栓連接施工規定（TBJ214-92），鐵路鋼橋架設過程中采用定扭矩扳手進行施工扭矩控制。該法技術成熟，應用廣泛，但存在施工扭矩控制不準，班前班后扭矩標定，終擰后扭矩檢查復驗等復雜施工工序，工人勞動強度大，施擰質量仍主要依靠人工，無法實現扭矩精準控制及記錄，一旦出現超擰，將是高強螺栓延遲斷裂的主因。

2.4 結構應力造成自身破壞

對于鋼結構而言，連接破壞是結構破壞的最重要原因，結構應力集中等誘因會導致高強度螺栓自身破壞，主要有螺栓直接剪斷；有裂紋、裂縫；螺紋、螺桿損傷；螺紋磨損嚴重超過配合間隙(滑扣)；表面脫碳、鍍鋅層脫落；銹蝕；彎曲、拉伸變形等情況。

3 高強度螺栓缺失對接頭傳力性能的影響

作為連接部位的重要傳力部件，高強螺栓的斷裂會導致連接接頭滑移，甚至主體結構失穩破壞。栓接接頭在承受外力時，每排螺栓所傳遞的外力與全部螺栓所傳遞的總外力之比稱為傳力比。

南京大勝關長江大橋鋼桁梁橋桁架節點板高強度螺栓的排列形式為長列多排高強度螺栓接頭，其承載性能、各栓傳力比復雜，長列多排高強度螺栓接頭在軸力作用下各排傳力比接近馬鞍型分布，第一排和最末一排螺栓傳力比最大，中間螺栓傳力比較小，由兩邊向中間遞減。螺栓缺失后對其相鄰的兩排螺栓影響很大，對其余各排螺栓的傳力比影響不明顯，說明螺栓缺失只對局部范圍內的螺栓有影響，但若傳力比較大的螺栓排缺失數量達到一定程度后，極易使剩余螺栓傳力比超過其抗剪承載力而出現剪切破壞（見圖7）。

圖7 螺栓缺失狀態下各排螺栓的傳力比示意圖

綜上所述，高強度螺栓發生折斷后，傳力比滑移會產生應力重分布導致高栓受力不均，從而加劇高強度螺栓的折斷速度，形成惡性循環，

4 高強度螺斷裂養修建議

高強度螺斷裂原因復雜，受影響的因素很多，為減少高強度螺栓的斷裂或發生斷裂的情況下，確保運營的高速鐵路鋼桁梁橋設備狀態良好，重點是做好以下幾方面工作。

4.1 改善高強度螺栓原材料性能

南京大勝關長江大橋鋼桁梁橋使用的高強度螺栓是材質20MnTiB與35VB兩種。20MnTiB栓淬火控制要求較高，導致其加工與施擰難以控制在其有效載荷范圍，從統計的數據中，可以看到，發生折斷的20MnTiB高強度螺栓占斷裂總數的87%，所以盡量采用35VB材質的高強度螺栓連接副或其他性能更好的高強度螺栓連接副。

4.2 加強日常養修作業管理

《高速鐵路橋隧建筑物修理規則（試行）》（TG/GW 114-2011）第5.2.1條規定，鋼桁梁橋每季檢查一遍，南京大勝關長江大橋鋼桁梁橋目前實行的是每月檢查一遍，目的是縮短檢查周期，加大高強度螺栓的檢查頻率，盡早發現斷裂的高強度螺栓，并及時補充更換，保持該節點高強度螺栓的處于正常的受力狀態。

更換高強度螺栓的關鍵是控制好扭矩，高強度螺栓的施工預拉力應符合設計要求，欠擰值或超擰值均不應超過規定值的10%。高強度螺栓的初擰值應根據試驗確定，一般取終擰值的40%～70%。更換過的螺栓在檢驗之后，均應涂上與橋梁結構顯著不同的顏色，并記入橋梁記錄簿，注明其數量和位置。更換螺栓后，應對其所有相鄰而未更換的螺栓加以敲擊，檢查是否受到損傷。

高強度螺栓更換，對于大型節點，同時更換的數量不得超過該節點螺栓總數的8%，對于螺栓數少的節點則要逐個更換。在一個連接處（或節點）少量更換的螺栓、螺母及墊圈的材質、規格、強度等級應與原橋上使用者相同，不準混用。

溫度與濕度對扭矩系數影響很大，雨天、大霧天不得進行高強度螺栓施擰作業。高強度螺栓擰緊后，為防止雨水及潮濕空氣侵入板縫，節點板束四周的裂縫均應膩縫封閉。高強度螺栓、螺母和墊圈的外露部分均應進行涂裝防銹處理。

4.3 原始資料的收集

南京大勝關長江大橋鋼桁梁橋 6、7、8號墩頂與支座連接位置鋼桁梁節點及部分鋼桁梁上部平弦節點，靠近江面最近、結構受力復雜，是高強度螺栓斷裂比較集中的節點位置，特別是7#墩是2×336 m連續鋼桁拱固定支座位置，高強度螺栓斷裂數量已達51個，要繼續做好相關資料的收集工作，積累高強度螺栓斷裂及補裝的原始數據，為今后的設備養修和科研提供數據支持。

5 結束語

南京大勝關長江大橋主橋屬于鋼桁梁結構，高強度螺栓發生斷裂的原因比較復雜，存在著現場收集的數據因檢查不到位等原因還不全面，部分折斷的高強度螺栓因作業人員無法到達所處位置仍未補裝，養修中補裝的高強度螺栓無法與原橋材質、規格、強度等級保持一致，補裝時現場扭矩系數確定困難，定扭矩帶響扳手的施工扭矩控制不準、班前班后標定無法保證等現實問題，為確保鋼桁梁的設備狀態良好，需要盡早完善設備設施，改善養修作業條件。

[1]GB-T 1228-2006.鋼結構用高強度大六角頭螺栓[s].

[2]TBJ 214-92鐵路鋼橋高強度螺栓連接施工規定[s].

[3]TG/GW 114-2011.高速鐵路橋隧建筑物修理規則（試行）[s].

[4]李運生.王慧佳.張彥玲.鋼桁梁高強度螺栓連接的節點板局部受力性能分析[J]石家莊鐵道大學學報.2013.9.

[5]張德瑩.王慧佳..李運生.摩擦型高強度螺栓傳力性能及缺失的非線性分析[J].廣西大學學報.2015（2）.10~1.

[6]京滬高速鐵路南京大勝關長江大橋技術論文集[M].北京：中國鐵道出版社.2009.

責任編輯：許耀元

來稿日期：2016-12-12