塔身標準節連接螺栓組松動行為宏觀表征研究

馮廣奇 王忠雷 宋世軍 臧泓源

山東建筑大學機電工程學院 濟南 250101

0 引言

隨著建筑業的飛速發展以及建筑施工現代化機械水平不斷地提升，塔式起重機（以下簡稱塔機）已成為建筑施工中不可或缺的關鍵設備。一般QTZ63及以下塔機的塔身標準節普遍使用高強螺栓連接，螺栓連接是一種非常典型的非線性結構[1]，雖然國內外對于螺栓連接進行了大量研究，但主要研究針對管道等密封裝置的連接，對于邊界條件較復雜的螺栓連接相關研究仍處于起步階段。針對此類情況，在確定螺栓預緊力時僅通過一般性手冊進行計算無法保證螺栓連接質量[2]，而塔機標準節螺栓連接屬于其中典型的一種，因連接螺栓失效引起的塔機傾翻事故較常見，由此可見，塔身標準節連接螺栓松動行為宏觀表征研究的必要性。

相比單個螺栓預緊力變化，螺栓組所受預緊力的差異所導致連接部件疲勞強度等力學行為的差異更加明顯，螺栓組連接面的接觸類型、結合剛度等都會受到影響[3，4]。目前，螺栓檢測方法分為基于振動、機電阻抗和導波等三類SHM技術?；谡駝有偷腟HM技術方法的測量誤差較大，對于螺栓松動前期松動檢測不靈敏[5]；基于電阻抗的SHM技術精度高，測量準確，但測量儀器價格高昂，不適用于塔機設備的螺栓松動檢測[6]?；趯Рǖ腟HM 技術與前一種類似，測量結果相比振動型測量技術準確，但測量設備昂貴，且對環境要求較高，同樣不適用于塔機設備的螺栓松動檢測[7]。

相比直接檢測螺栓松動狀況，螺栓松動后所引起標準節主肢位移變化更易獲取?；诖?，王勝春等[8]提出了基于小波包和支持向量機的塔機結構健康診斷方法；宋世軍等[9]通過有限元研究了螺栓松動對于塔身的損傷，但該方式是通過改變螺栓連接處剛度進行模擬螺栓松動過程，與實際螺栓松動行為具有一定差距。因此，本文采用有限元軟件Ansys建立兩節6010塔身標準節螺栓連接完整參數化模型，在完成單一連接螺栓預緊力變化宏觀研究[10]基礎上，為進一步研究連接螺栓組預緊力變化對塔身標準節的宏觀表征影響、后期通過塔身標準節宏觀表征定性判斷塔身標準節損傷部位打下基礎。

1 螺栓組連接有限元建模

建模過程采用毫米（mm）、秒（s）、噸（t）單位制，其中主肢、斜腹桿、螺栓套等材料為Q235A，材料性能參數：彈性模量為2.00×105MPa，泊松比為0.29，密度為7.85×10-9t/mm3。連接螺栓采用10.9級的高強螺栓，材料性能參數：彈性模量為2.10×105MPa，泊松比為0.30，密度為7.85×10-9t/mm3，由高強螺栓預緊力對照表得到額定預緊力為477 400 N。

通常，塔機在Ansys軟件中采用梁桿Beam 188建模（整機建模），忽略了螺栓套、螺桿、螺母等，而本文采用實體單元Solid 185（八節點六面體單元，具有超彈性、應力鋼化、蠕變、大變形和大應變能力）進行建模，優勢在于Solid 185對6010塔機標準節結構簡化較少，保留了螺栓連接結構，其計算結果更接近實際。

6010塔機標準節連接面共有8個螺栓，且上下連接套的尺寸相同，螺栓孔直徑為38 mm，螺栓桿長度為320 mm，直徑為36 mm。螺母厚度為25 mm，外徑為30 mm。使用Ansys軟件中的Solid 185單元進行建模，模型如圖1所示。該塔機標準節的實體單元共有38 368個，節點61 600個，預應力單元8個。

圖1 6010塔機標準節連接模型

有限元模型采用Pretention 179命令建立螺栓預緊力單元，優點在于相比其他方式更簡易，且易控制預緊單元方向。上下標準節通過螺栓進行連接，螺栓連接結構的摩擦接觸行為屬于典型的摩擦接觸行為，通過Targe 170和Conta 174接觸單元建立接觸對進行模擬螺栓、連接套、螺母間的摩擦接觸行為，設定摩擦系數為0.15，利用接觸對中的接觸單元和目標單元使非線性問題迭代收斂。

2 有限元模型載荷施加

如圖2所示，以逆時針的順序編號主肢1～4，螺栓1～8。其中主肢1、4受拉力，主肢2、3受壓力。由圖1可知，兩節標準節連接后的連接模型，在下方標準節底部施加全約束且塔身最上方（以下簡稱塔身頂端）、最下方（下方第二節標準節，以下簡稱塔身底端）標準節連接螺栓均由數字1～8表示。

圖2 標準節螺栓連接示意圖

塔機處于滿載工作狀態時，獲取塔身頂端、塔身底部標準節主肢載荷，載荷數據如表1所示，該數據來源于QTZ80特種設備型式實驗報告。由表1可知，塔身標準節主肢X、Y方向所受載荷與Z軸方向所受載荷相比較小。因此，本文忽略不計塔身標準節X、Y方向所受載荷，通過對于塔身標準節施加不同的Z向載荷模擬標準節在塔身不同位置（塔身頂端與底部）。

表1 塔身不同位置標準節主肢載荷 N

3 數據分析

螺栓預緊力變化范圍從零到額定值，每次增加0.1倍的額定預緊力，故有

式中：F為螺栓預緊力；F0為螺栓額定預緊力；δ為預緊力系數，δ＝0、0.1、0.2、0.3、…、1。

式中：Δ為標準節主肢頂端位移，Δ0為額定預緊力引起的標準節頂端位移，Δ1為標準節主肢位移差值。

如圖2所示，兩個連接螺栓預緊力同時發生變化。如表2所示，δ為橫坐標，分別以Δ、Δ1為縱坐標，通過分析標準節螺栓組預緊力系數（δ）從0～1共11種工況的宏觀表征（位移），得到圖3～圖8。

表2 預緊力同時變化的連接螺栓組

圖3 塔身頂端標準節不同側連接螺栓組松動主肢頂端位移變化

圖4 塔身頂端標準節同側連接螺栓組松動主肢頂端位移變化

圖5 塔身頂端標準節對側連接螺栓組松動主肢頂端位移變化

圖6 塔身頂端與底端標準節不同側連接螺栓組松動主肢頂端位移變化

圖7 塔身頂端與底端標準節不同側連接螺栓組松動主肢頂端位移變化

圖8 塔身頂端與底端標準節對側連接螺栓組松動主肢頂端位移變化

3.1 螺栓組松動對塔身頂端的靜力變形影響分析

與單螺栓松動類似，當螺栓組預緊力發生松動后（坐標系為圖2所示方向），標準節主肢Y方向最大位移不超過0.1 mm，本文不進行討論。X方向位移變化圖以δ為橫坐標,以Δ為縱坐標進行討論，而由于Z方向位移變化趨勢較小，故將以位移差值變化圖（即以δ為橫坐標,以Δ1為縱坐標）展開討論。

當不同側螺栓發生松動后，隨著預緊力的不斷降低（δ從1逐漸降低直至為0），在X方向上（見圖3a）），標準節4根主肢均向X軸正半軸方向移動，其中最大位移發生在主肢3上，最大位移為2.06 mm，此時不同側螺栓處于無預緊力狀態，最小位移發生在主肢2，最小位移為2.00 mm，此時不同側螺栓處于額定預緊力狀態；從圖中可觀測到，不同側螺栓預緊力變化范圍在0～0.5倍額定預緊力時，4根主肢的位移變化較大；預緊力變化范圍在0.5倍額定預緊力到額定預緊力時，4根主肢的位移變化較小；此外，在預緊力變化范圍內4根主肢在X方向位移變化趨勢接近。

隨著不同側螺栓預緊力的不斷降低（預緊力系數從1逐漸降低直至為0），在Z方向上（見圖3b）），主肢2、主肢3的位移差值變化趨勢接近且位移差值小于0.005 mm，位移變化趨勢較??；主肢1、主肢4的位移變化趨勢接近，位移變化最大的主肢為主肢1，最大位移差值為0.045 mm。當不同側螺栓預緊力在0～0.7倍額定預緊力時，位移變化較大；在0.7倍額定預緊力到額定預緊力之間時，位移變化較小。

隨著同側螺栓預緊力的不斷降低，在X方向（見圖4a）標準節4根主肢均向X軸正半軸方向移動，其中最大位移發生在主肢3上，最大位移為2.16 mm，此時同側螺栓處于無預緊力狀態，最小位移發生在主肢2，最小位移為2.00 mm，同側螺栓處于額定預緊力狀態。從圖中可以看出，同側螺栓預緊力發生變化后，在預緊力變化范圍內4根主肢在X方向位移變化與不同側螺栓預緊力變化造成的主肢位移變化趨勢相同。

隨著同側螺栓預緊力的逐漸降低，在Z方向（見圖4b）主肢2、主肢3的位移差值變化趨勢接近且位移差值小于0.005 mm，主肢1、主肢4的位移變化趨勢接近。當同側螺栓預緊力在0～0.7倍額定預緊力時，位移變化較大；在0.7倍額定預緊力到額定預緊力之間時，位移變化較小，位移變化最大的主肢為主肢1，最大位移差值為0.049 mm。

隨著對側螺栓預緊力的逐漸降低，在X方向（見圖5a）標準節4根主肢均向X軸正半軸方向移動，其中最大位移發生在主肢3上，最大位移為2.43 mm，此時對側螺栓處于無預緊力狀態，最小位移發生在主肢2，最小位移為2.00 mm，此時對側螺栓處于額定預緊力狀態。從圖中可觀測到，對側螺栓預緊力在0.1額定預緊力倍到額定預緊力之間時，4根主肢在X方向位移變化與不同側、同側螺栓預緊力變化造成的主肢位移變化趨勢相同；對側螺栓在0～0.1倍額定預緊力時，主肢4頂端位移急劇變化，位移量超過主肢3頂端位移，位移值為2.30 mm。

隨著對側螺栓預緊力的逐漸降低，在Z方向（見圖5b）對側螺栓0～0.3倍額定預緊力時，4根主肢位移變化較大，其中主肢4位移變化最大，最大位移差值為0.45 mm，預緊力在0.3倍額定預緊力到額定預緊力之間，4根主肢頂端位移變化較小。主肢1和主肢3位移變化趨勢接近，主肢2位移變化最小，最小位移差值為-0.02 mm；標準節4根主肢最大位移發生在主肢2，最大位移為-1.37 mm，對側螺栓處于無預緊力狀態，最小位移發生在主肢1和主肢4上，最小位移為0.59 mm，此時對側螺栓處于額定預緊力狀態。

對比分析螺栓組松動對塔身頂端的靜力變形影響：經對比分析不同側、同側連接螺栓組預緊力變化后造成的標準節主肢X與Z兩個方向的位移變化趨勢接近；對側連接螺栓組預緊力變化后，在0.1倍額定預緊力到額定預緊力之間，標準節主肢X與Z兩個方向的位移變化趨勢與不同側、同側螺栓預緊力變化造成的主肢位移變化趨勢相同。在0～0.1倍預緊力時，在X方向對側連接螺栓組預緊力變化引起主肢4位移變化相比不同側、同側連接螺栓組預緊力變化造成的主肢位移變化更明顯。

3.2 螺栓松動對塔身頂端和底端的靜力變形對比

對比分析塔身頂端和底端標準節螺栓組預緊力變化所造成的主肢位移變化：在X、Z方向上標準節主肢位移變化趨勢相同。在X方向，塔身頂端標準節主肢位移比塔身底端標準節主肢位移大；在Z方向，不同側、同側連接螺栓組預緊力變化時，塔身頂端標準節主肢1、4頂端位移變化要比塔身底端主肢頂端位移變化要大，塔身頂端與底端標準節主肢2、3頂端位移差值均小于0.005 mm；對側螺栓預緊力變化所造成的主肢位移變化，塔身頂端與底端主肢1、主肢2、主肢3位移相比主肢4位移變化小，塔身頂端主肢4相比塔身底端主肢4位移差值要大。

4 結論

1）在同一工況下 在X方向連接螺栓組預緊力低于0.5額定預緊力時，塔身標準節主肢頂端位移變化較明顯（其中對側連接螺栓組松動所造成的影響最大）。

在Z方向 不同側、同側連接螺栓組預緊力發生變化后，受拉主肢（主肢1、4）比受壓主肢（主肢2、3）頂端位移變化較大；對側連接螺栓組預緊力發生變化后，對側連接螺栓組所在主肢（主肢4）位移變化最為顯著，當對側連接螺栓組低于0.5倍額定預緊力時，對側連接螺栓組所在主肢頂端位移變化最為明顯（位移值增大），即此時該主肢（主肢4）的剛度變小；任意一組連接螺栓組預緊力在0.5倍額定預緊力到額定預緊力之間時，塔身標準節主肢位移無明顯變化，即標準節主肢剛度基本不變。

2）在不同工況下 連接螺栓組預緊力變化對塔身標準節主肢頂端位移的影響與主肢受拉力大小有關，具體表現為：任意一組連接螺栓組預緊力發生變化，塔身頂端標準節受拉側主肢比塔身底端標準節主肢位移要大。