基于材料特性解決錨栓緊固問題的應用研究

朱彥斌 ZHU Yan-bin；劉東東 LIU Dong-dong

（①中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司，鄭州450007；②中國電建集團河南工程有限公司，鄭州450001）

0 引言

當個別錨栓由于安裝過程中預留長度不足，不能滿足液壓拉伸器進行張拉條件，如果采用扭矩法緊固錨栓，由于控制精度不高，將導致錨栓應力分布不均，易造成在螺紋連接部位等應力集中處形成裂紋。通過風機工程的設計實例，對立式風機中錨栓及鋼筋混凝土的受力應變狀態關系進行分析計算，得出上述材料的受力強度均低于其對應的屈服強度，遵從胡克定律，錨栓及其它材料的應力和應變呈現出線性的相互關系，從而提出通過伸長量法解決風機錨栓預留長度不足的緊固問題。

1 問題描述

1.1 項目概況

該大型風電場的廠址位于河南省周口市，本期安裝20臺2.5MW的大型風力發電機組，風機的基礎為一個圓柱形臺階重力式擴展鋼筋混凝土基礎，單臺風機混凝土方量為638m3，標號為C40，錨盤間混凝土的厚度為4400mm。風機基礎如圖1所示。

圖1 風機基礎正面剖視圖

錨栓規格為M48×4800（A型），螺母厚度為38mm，螺距5mm，總數192根，安裝圖紙要求錨栓露出基礎頂面的長度為265±1.5mm。錨栓采用高強度合金結構鋼42CrMoA，等級為8.8級，屈服強度為640MPa，彈性模量為206GPa。墊片厚度為8mm，外徑92mm，內徑49.4mm，總面積4728.6mm2。錨盤的外徑4725mm，內徑3805mm，總面積6.16m2。塔筒法蘭外徑4625mm，內徑3905mm，總面積4.83m2。采用無粘結后張法施工工藝，錨栓緊固的預拉力為680kN，超張拉系數為1.15。錨栓組件如圖2所示。

圖2 錨栓組件圖

1.2 問題描述

由于安裝質量控制不嚴，造成錨栓整體露出基礎頂面的長度均低于設計值。其中連續34顆（塔筒內、外側各17顆）錨栓露出長度僅為206-227mm，低于設計值38-44mm，導致液壓拉伸器套扣在錨栓上的絲扣長度過短造成絲扣損壞。若不及時解決此問題，將影響該風機的正常吊裝。

2 方案制定

2.1 方案分析

經與風機制造廠、錨栓加工廠、監理、吊裝等相關單位共同研究，分析了錨栓達到設計預緊力后錨栓及混凝土的應變狀態，以及對液壓拉伸預緊法、扭矩法緊固錨栓的特點和控制誤差進行分析，確定采取使用電動定值扭矩扳手緊固錨栓，通過測量螺栓露出錨板的伸長量進行控制的方案。

2.1.1 材料的應變狀態

①錨栓的張拉強度

式中：Pm-單根錨栓的抗拉強度；Q0-預緊力；As-錨栓有效應力截面積1470mm2[4]。

②混凝土的抗壓強度

式中：Ph-錨盤的抗壓強度；N-錨盤承受的總荷載；Am-錨盤的面積。

③結果分析

根據計算結果判定，錨栓和混凝土在達到設計預緊力時均處于彈性變形階段。

2.1.2 緊固方式的控制精度

①扭矩法。

扭矩控制方法是最常見的一種螺栓擰緊方法，它具有扭矩控制簡單、直接的特點，但是由于夾緊力受摩擦系數的變化影響較大，所以當扭矩已經達到了規定的數值時，不能夠確保軸向力也已經達到了規定的數值。因此，通過扭矩來控制預緊力的精度不高，其控制精度的誤差約為士25%。

②液壓拉伸預緊法。

使用電動液壓拉伸器給錨栓施加預定拉力使之伸長，然后旋緊錨栓螺母，撤去液壓拉伸器的拉力后將在錨栓產生和拉力相等的預定預緊力。由于采用該種方法緊固錨栓時，不用考慮錨栓螺帽與錨桿絲扣之間產生的摩擦力的影響,所以該種緊固錨栓的方法適用于任何尺寸的錨栓，且均勻的壓緊塔筒法蘭和錨栓墊片，不會出現在緊固錨栓時發生傾斜、翹曲等問題而影響錨栓緊固值的精確控制。

③螺栓伸長量控制法。

由于錨栓緊固時產生的伸長量僅與施加在錨栓的應力有關，與摩擦系數、接觸變形等因素的影響無關，所以通過精確測量錨桿產生的伸長量就可以得到最高的控制精度，該種方法已被廣泛地應用在重要工作場合的螺栓法蘭連接的預緊力控制。如果測量方法和操作步驟正確，錨栓緊固的精度誤差可以控制在士5%以內。

通過以上分析，采用螺栓伸長量控制法獲得的控制精度是最高的。

2.2 方案制定

錨栓承受75%和100%的預緊力時，計算出對應的扭矩M0.75和M。

錨栓承受75%和100%的預緊力時，計算出錨栓的伸長量。

第一節塔筒吊裝完成后，均勻安裝螺帽后測量34顆錨栓露出基礎頂面的初始長度。采用電動液壓定值力矩扳手緊固至扭矩M0.75，第二次測量錨栓露出基礎頂面的長度，計算出伸長量。

風機吊裝完成后，采用電動液壓定值力矩扳手緊固至扭矩M，第三次測量錨栓露出基礎頂面的長度。

2.3 理論計算

2.3.1 螺栓擰緊力矩與擰緊力關系

式中：M0.75和M-錨栓擰緊時的公稱力矩；kt-力系數，與螺紋材料、表面的光潔度、潤滑狀態等因素有關，通常取0.1-0.3；Q0-錨栓預緊時施加的設計張力值；d-錨栓的公稱直徑。

2.3.2 總伸長量計算與分析

①螺栓伸長量與擰緊力關系[2]：

式中：ΔLm0.75和ΔLm-錨栓拉伸后的伸長值；Q0-錨栓預緊時施加的設計張力值；Lm-錨栓的長度；E-錨栓的彈性模量；As-錨栓的有效應力截面積。

②混凝土的壓縮量。

式中：ΔLh0.75和ΔLh-混凝土壓縮量；N-壓力總荷載；Lh-混凝土厚度；Am-錨盤的面積；Ec-混凝土的彈性模量32.5GPa[5]。

③塔筒法蘭及錨板壓縮量。

式中：ΔLf0.75和ΔLf-構件壓縮量；Q0-預緊力；Lf-法蘭、墊片和錨盤的總厚度；Ad-錨栓墊片的面積；E-法蘭的彈性模量。

④錨栓總伸長量。

2.3.3 測量方案

為確保測量的精度，使用DS03型高精密自動找平水準儀（配套銦瓦尺）。該測量器具采用數字液晶顯示，最小讀數為0.01mm，千米往返測量偏差≤0.3mm。測量點的位置選取錨栓頂端、塔筒法蘭上平面。初始測量：第一節塔筒吊裝后，對錨栓進行均勻的緊固，使螺帽緊貼墊片。第二次測量：緊固力矩達到設定的M0.75后，對伸長量測量。第三次測量：風機設備吊裝完成后，緊固力矩達到設定的M后對伸長量進行測量。

2.4 方案實施

2.4.1 伸長總量對比表

通過扭矩法分別對預應力錨栓分別施加75%和100%的預緊力，分別測得對應的預應力錨栓伸長量，如表1所示。

表1 錨栓伸長量對比表

2.4.2 偏差率對比表

通過實際伸長量的平均值、最小值、最大值分別計算出相對理論計算值的偏差率，如表2所示。

表2 變差率對比表

2.4.3 結果分析

75%預緊力階段，受混凝土密實度的不均勻性、錨盤與塔筒法蘭結接觸面加工精度的影響，偏差率＜±4.86%；100%預緊力階段，受上述影響因素減小，偏差率＜±3.1%。平均值偏差率均較小，接近理論計算值。

2.4.4 注意事項

①作業前檢查有關測量器具是否在檢驗有效期內，以及測量人員持證上崗，減少設備和人員帶來的測量差。②塔筒吊裝前，對錨栓的絲扣部分進行除銹并均勻涂抹油脂，減少螺母與絲扣間的摩擦力，并對錨栓進行測量編號。③塔筒吊裝后，對錨栓螺母進行初緊固，減少塔筒與錨板間的空隙，減少測量誤差。④由于每個錨栓的實際力系數kt并不相同，當錨栓伸長的測量偏差超過±5%時，應調整扭矩扳手的定值進行緊固力矩的調整。

3 結論

通過不同材料在應力狀態下的伸長量或壓縮量的理論計算，根據實測數據分析，結果表明最大偏差值滿足風機錨栓緊固的控制精度要求，平均值與理論計算值較為接近，說明采用錨栓伸長量控制錨栓緊固精度的方法合理可行。