高強螺栓直接張拉法在桐鄉廣播電視塔中的應用

田 畾 楊玉涵 張宇敏 梁 俊

(中廣電廣播電影電視設計研究院，北京 100045)

0 引言

桐鄉廣播電視發射塔位于桐鄉市環城北路，塔高168.5 m，全鋼結構。其造型簡約大氣，塔身節節攀升，頂部漸次綻放，象征繁花盛開，是桐鄉市的新地標，整體造型如圖1所示。

傳統的廣播電視發射塔通常采用空間桁架模型進行計算，構件節點處常采用有加勁肋的法蘭盤、高強度普通螺栓進行連接，螺栓僅要求擰緊即可。隨著廣播電視發射塔造型越來越復雜、高度越來越高、計算方法越來越精確，發射塔的計算模型常采用空間剛架模型，根據最新的GB 50135—2019高聳結構設計標準，按空間剛架計算的鋼管結構或按空間桁架計算的鋼管結構桿件中段的法蘭應用剛接法蘭，用高強螺栓連接，并提出明確的預應力設計參數。

在GB 50017—2017鋼結構設計標準中，規范規定了M16～M30規格的8.8級、10.9級高強螺栓的預拉力設計值P。但在實際施工時，采用哪種方式對螺栓施加預拉力、施加預拉力后是否能滿足剛性連接的設計假定并不可知。

本文結合桐鄉廣播電視發射塔工程，對高強螺栓預拉力施工方法、施工預拉力值等進行研究，并結合有關規范進行探討和總結，為類似的工程提供參考。

1 連接形式

桐鄉廣播電視發射塔采用無加勁肋的鍛造法蘭，此法蘭不僅造型美觀，還可以有效減小法蘭盤尺寸，從而減小其附加彎矩，同時，由于鍛造法蘭的螺栓分布較密，對法蘭盤的變形也起到一定的限制作用。

本工程要求對法蘭盤連接螺栓進行預張拉，以達到剛性連接的設計要求。塔柱的連接采用M24,M30兩種規格的8.8級高強螺栓，法蘭盤尺寸如圖2，表1所示，M24螺栓螺桿的有效長度為72 mm=3d1，M30螺栓螺桿的有效長度為80 mm=2.67d2，d1,d2分別為螺栓直徑。

表1 鍛造法蘭盤尺寸 mm

2 預拉力施工方法

2.1 扭矩法

扭矩法是發射塔工程中對高強螺栓最常使用的預拉力施加方法，GB 50205—2001鋼結構工程施工質量驗收規范規定，高強度螺栓連接副終擰扭矩值：TC=k×PC×d。其中，TC為終擰扭矩;PC為高強螺栓施工預拉力；k為高強螺栓連接副的扭矩系數平均值；d為高強螺栓栓桿直徑。此時，螺栓呈拉、扭復合受力狀態[3]。

規范規定，高強度螺栓施工前應對其扭矩系數進行復驗，扭矩系數平均值應在0.11～0.15范圍內，不合格不能使用。但根據現場試驗，高強螺栓的扭矩系數一般為0.25～0.32[5]，不滿足規范要求，且國內外對此并沒有具體解決辦法。對于扭矩系數不滿足規定的螺栓，只能棄之不用，造成極大浪費，且耽誤工期。

2.2 直接張拉法

隨著高強螺栓液壓張拉器在高聳結構工程建設中的應用，直接張拉法越來越受到工程師的青睞。直接張拉法不僅避免了螺栓復合受力(拉、扭)的不利狀態，使其直接承受拉力，提高螺栓設計強度，且張拉簡單、易操作，有利于提高高強螺栓的安裝質量。

液壓張拉器的施工操作過程[5]：

地下水位及其變幅是地下室抗浮設計的重要依據。實際在地下室抗浮設計時，僅考慮正常使用的極限狀態，而對施工過程和洪水期重視不足，會造成地下室施工過程中因抗浮不夠而出現局部破壞。

1)在法蘭螺栓孔中自由穿入高強螺栓，戴螺母，并布置就位預張拉器。

2)張拉器油壓系統啟動后，通過螺桿套筒帶動高強螺栓，用夾具壓緊兩塊法蘭盤。

3)待預張拉力達到要求值，用手動扳手擰緊螺母至無法擰動。

4)卸載預張拉器液壓，取出張拉器，完成張拉施工。

3 高強螺栓預拉力試驗

為了保證桐鄉廣播電視發射塔塔柱剛性連接的設計假定，確定塔柱M24,M30兩種規格的8.8級高強螺栓的施工預拉力，考慮到螺栓鍍鋅后，扭矩系數的離散性更大，不利于用扭矩法施工，同濟大學實驗室對兩種規格的高強螺栓進行了直接張拉法預拉力試驗，且分別對螺栓的瞬時預應力損失及48 h預應力損失進行監測，M24,M30螺栓各做三組試驗。

3.1 施工預拉力

根據《鋼結構設計標準》，M24,M30兩種規格的8.8級高強螺栓的預拉力設計值P如表2所示。由于螺栓張拉后必定存在預應力損失，本文規定，若螺栓的預應力損失超過20%，則將其預拉力值增大到1.2P重新張拉。

表2 高強螺栓預拉力值 kN

3.2 試驗設備

本次分別對兩種規格的8.8級高強螺栓進行了瞬時預應力損失試驗和48 h預應力損失試驗，試驗設備見圖3，圖4。

3.3 試驗結果

高強螺栓預應力損失見表3。

表3 高強螺栓預應力損失 %

3.4 試驗結果分析

1)螺桿長度[6]：螺桿的長度越長，螺桿本身的伸長量越大，而在同樣的壓力作用下，與鋼結構表面接觸的壓縮變形是一定的，壓縮變形與螺栓伸長量之比越小，螺栓的預拉力損失越小。本工程中，M24規格螺栓對應的法蘭盤厚度為72 mm，M30規格螺栓對應的法蘭盤厚度為80 mm，有效螺桿長度分別為3d,2.67d，長徑比較小。

2)人工擰緊力[6]：若人工擰緊螺栓使鋼結構表面的變形等于張拉器支座與鋼板表面接觸變形，那么能夠抵消支座與鋼結構表面接觸變形產生的預拉力損失。而人工擰緊螺栓的力不可能足夠大，當預拉力很小時，人工擰緊螺母使鋼板產生的變形大于支座與鋼結構表面接觸的變形，此時的預拉力會增加，反之，預拉力會損失。

表3中，M30螺栓超張拉1.2P時的瞬時預應力損失(最大為57.4%)大于48 h預應力損失(最大47.3%)，這是由于瞬時預應力損失試驗和48 h預應力損失試驗為兩次試驗，即瞬時預應力損失試驗完成后，對螺栓進行重新張拉，再記錄48 h的預應力損失，兩次試驗人工擰緊螺母的力存在差別，造成試驗結果偏差。

3)試驗裝置：由圖3,圖4可以看到，在對螺栓進行試驗時，法蘭盤僅搭靠在支架上(鋼板或木板)，沒有對法蘭盤進行有效固定。在試驗過程中，可能存在法蘭盤水平錯動及豎向變形，從而導致螺栓的預應力損失。

4)法蘭盤表面平整度：法蘭盤表面越平整，對試驗結果影響越小，反之，越大。

5)試驗樣本：本次試驗M24,M30規格的螺栓各三組，樣本較少，試驗結果的離散性和有效性不好判斷。

4 預拉力設計值校核

根據桐鄉廣播電視發射塔高強螺栓預拉力試驗結果可知，M24,M30高強螺栓的預應力損失較大。為了符合塔柱剛性連接的設計假定，設計考慮了高強螺栓的預應力損失，對法蘭連接重新進行了核算，確保在采用直接張拉法、施工預拉力為1.2P的條件下，實際工作時高強螺栓保持處于預應力仍有效的狀態。

5 結語

本工程試驗結果顯示，長徑比較小的高強螺栓采用直接張拉法效果并不理想，但直接張拉法已在許多工程中得到較好的應用，如河南廣播電視塔、山東臨沂電視塔、風力發電塔等[6]。隨著工程師對結構的進一步研究以及新規范的實施，高強螺栓采用直接張拉法會越來越多的應用在不同的工程中。建議在設計同類項目時，針對螺栓螺桿的有效長度、螺栓擰緊方式、法蘭盤形式、液壓張拉器的改進等問題做進一步研究，以找到更經濟、合理、有效的預拉力施工方法和預應力損失控制手段；針對長徑比較小的高強螺栓，設計時應充分考慮預應力損失，控制高強螺栓承受的拉力值，留有足夠的余量，保證結構安全。