高强螺栓.docx

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高强螺栓

钢结构工程高强螺栓施工工艺

李立华

（山西省电力公司电力建设二公司建筑二处）

[摘要]钢结构的连接分为焊接、铆接、普通螺栓和高强螺栓连接等，但高强螺栓连接紧密，受力好，耐疲劳，可用于直接承受动力荷载结构的连接，克服了焊接不能用于繁重工作吊车梁连接的缺点，且安装简单、施工方便，可以加快施工速度，应用十分广泛。

高强螺栓连接按照受力状态分摩擦型和承压型两种，常用的为摩擦型连接，为保证其摩擦力,安装前对连接面进行清理和火焰处理,同时对螺栓进行丝扣清理和沸煮浸油处理,在保证螺栓和终拧力矩值的同时,还应注意终拧温度和正常使用温度的温差。

当螺栓处理后尽快完成初拧和终拧,最后要在终拧24小时内喷涂防锈漆封闭。

[关键词]钢结构高强螺栓施工方法

河津电厂一期为2×350MW机组，其主厂房、集控楼及锅炉零米以上结构设计为钢结构，钢结构工程量约为10000T，钢结构全部为高强螺栓连接，本人当时主要负责主厂房钢结构安装技术工作，主厂房共安装高强螺栓约28万条，现就河津电厂一期工程主厂房钢结构高强螺栓及其连接处理和一些重要的施工方案作一介绍。

河津电厂的高强螺栓有两种:

大六角头和扭剪型,其规格共有五种M20、M22、M24、M27、M30，其中M27、M30为大六角头型,其余为扭剪型，螺栓孔径分别为22、24、26、30、33mm。

1．高强螺栓及其连接面的处理

高强螺栓及其连接面是整个钢结构施工的关键，这两个问题处理不好，将给整个厂房在结构上的留下不可估量的后患。

要讨论高强螺栓及其连接面的问题，首先应了解高强螺栓的工作机理。

高强螺栓的特点是在螺栓紧固时施加了预拉力，从而提高连接节点的受力性能和承载能力。

高强螺栓连接按受力状态分磨擦型和承压型两种。

摩擦型连接是利用高强螺栓坚固后产生的强大预拉力（也称螺栓轴力），将被连接的各层钢板夹紧，依靠板层接触面间的摩擦力传递垂直于螺栓轴力方向的荷载。

这种连接方式，应力通过板层间的接触面传递，不会引起应力集中，应力传递状态圆滑，接头刚性好，接近于焊接接头。

此外，由于螺栓只受拉力，不受剪力，即使在重复荷载作用下，也不会引起螺栓轴力的下降，其疲劳强度由连接构件的强度决定，几乎与螺栓无关，因此耐疲劳性能很好。

河津电厂高强螺栓属摩擦型，其摩擦力的大小可由下式表示：

N=nμΣΡ

N——摩擦力（kN）；

n——摩擦面数；

μ——摩擦因数：

ΣΡ——连接板间的压力，指高强螺栓紧固的预拉力之和。

从上述公式可以看出，在施工现场影响摩擦力大小的因素为摩擦面、摩擦因素μ和高强螺栓紧固的预拉力之和ΣΡ，而这两个值又反映了决定现场施工质量的关键过程，其核心问题是摩擦面的处理和高强螺栓的加工处理。

1.1摩擦面处理

主厂房钢结构安装，高强螺栓连接分为：

控制应力和非控制应力，控制应力又分为摩擦连接和法兰连接。

根据日方施工组织设计中的高强螺栓装配说明，对高强螺栓接触面应进行处理，以保证钢结构安装质量达到设计要求。

高强螺栓连接的形式不同，接触面的处理要求也不同。

构件组装、安装前，应检查构件连接板是否弯曲，焊缝有无裂纹等缺陷；螺栓孔内的毛刺用与螺栓相同直径的铰刀清除，孔内四周及板边的毛刺用电、气动砂轮清除。

根据日方施工组织设计，摩擦连接接触面的摩擦因数应达到0.42的要求，必须对摩擦面进行火焰处理。

利用氧气、乙炔火焰割炬进行处理，连接厚度大于10mm，火焰移动速度为1m/min；连接板厚度小于10mm，火焰移动速度为1.5m/min，火焰对连接面的倾斜角度不得大于40º-50º。

火焰处理后用钢刷清除燃烧生成的氧化皮，经火焰处理的连接面应没有脏物、油污及氧化皮等。

摩擦面处理后应在72小时而内用螺栓进行组装，然后在24小时后进行终拧，以防接触面内落入脏物及污水生锈，影响摩擦因数及安装质量。

如处理后超过72小时还未组装，应重新进行火焰处理。

经大连理工大学力学实验室证明，连接面的摩擦因数达到0.42。

对法兰连接和非控制应力连接的接触面，不要求火焰处理，用钢丝刷清理接触面，除去污物、油污、冰雪、锈迹即可。

1.2高强螺栓的加工处理

高强螺栓由日方制造，由于制造工艺粗糙，对钢结构组合安装用的高强螺栓，在使用前必须进行加工处理，以符合设计要求。

1.2.1加工方法

将被加工的高强螺栓固定在工作台上，用与螺栓相同型号的板牙加工（套丝）；将螺母固定在台架上，用与螺母相同型号的丝锥加工（攻丝），以清出螺栓与螺母螺纹中的金属污物、油污及毛刺等。

1.2.2处理方法

将加工后的螺栓按规格摆在筛形容器里，其重量不超过30Kg（30-40根），螺母应分开进行处理，将装好的筛形容器浸入到沸腾的水箱里沸煮10min后取出，放在含有85%的无铅汽油与15%的机油混合液中清洗。

筛形容器在混合液中经3次沉浮后取出，把筛形容器放在下面能收集流出混合液的槽架台面上，进行自然滴漏风干，汽油挥发后螺栓表面即形成一层油膜。

沸煮、浸油的主要作用是清除螺栓、螺母表面及螺纹中的油污，在螺栓表面形成一层保护膜。

螺栓加工处理应在封闭性能较好的室内进行，以防污物落入沸水、油箱内而影响处理质量。

1.2.3保管

螺栓加工处理后应按其长度、批号、冶炼代号、加工处理日期，分门别类地摆放在箱内，并贴标签，以便于施工现场领用。

经过处理的螺栓、螺母等存放时间不得超过10天，如超过10天，必须重新处理，以防存贮期间生锈。

对日方到货的螺栓、螺母等也应按规格、合格证号、冶炼代号存放在仓库内，根据施工需要分批运到加工地点进行加工处理；螺栓在运输、加工过程中应放在箱内，防止损坏螺纹。

2．高强螺栓预拉力的控制

要保证高强螺栓预拉力，应做到两点：

第一点保证高强螺栓本身的尺寸精度和物理性能；第二点要保证高强螺栓的终拧力矩值。

高强螺栓的终拧力矩值按下式计算：

M=nPdk

M————高强螺栓的终紧力矩：

n————系数，n=1.0为检查值系数，

n=1.06为终紧值系数；

P————螺栓预拉力；

d————高强螺栓直径；

k————力矩系数，本工程k=0.17；

从上式可以看出，现场施工的终拧力矩M与高强螺栓的预紧力P成正比。

设定A=ndk，则M=AP，M值增加，P值也随着增加。

河津电厂按规范，现场施工不得超过终拧计算值的10%。

力矩检验板手包括显示力矩值和显示螺栓预拉力值两种，河津电厂采用前一种力矩检验板手。

另外，应根据施工地区的年平均最高温度和最低温度，确定钢结构工程的施工进度，避免高强螺栓的终拧环境温度过高或过低，以降低高强螺栓终拧温度与正常使用温度的温差。

该工程发生过高强螺栓在环境温度过高时脆断的情况，研究其原因，如果考虑高强螺栓的最不利荷载组合，可归纳为以下几点：

（1）温度应力（终拧为冬季，断裂为夏季）；

（2）超拧应力；（3）螺栓的选择及螺栓的质量（断裂螺栓均为国内采购的代用螺栓）。

高强螺栓的初拧和终拧应尽快完成，考虑到现场施工的具体情况，至少应在72小时之内完成，否则应有节点封闭措施。

河津工程终拧后的高强螺栓采用涂防锈漆进行节点封闭。

该工程施工过程中，抗风柱及配电间由于日方构件未到，高强螺栓初拧后未及时进行终拧，又没有采取封闭措施，抽检时发现高强螺栓的丝扣锈蚀严重，有关部门决定将该部分高强螺栓全部换下，作报废处理，总数量为1192条。

此外，规范中对高强螺栓螺栓孔的修正有严格的规定，不允许用气割来扩孔或制孔。

3．高强螺栓的安装

3.1高强螺栓的长度，根据连接板的厚度决定，不可以长代短，终拧后的外露丝扣为2-3个螺距。

安装时每个螺栓一端不得垫2个以上的垫圈，并不得采用大螺母代替垫圈。

3.2安装前对所有规格的高强螺栓进行检查，必须全部合格。

3.3高强螺栓的安装应在构件校正后进行，安装时穿入方向要一致，柱、梁构件水平方向的穿入方向如下

柱、梁穿入方向水平方向构件穿入方

3.4大六角头高强螺栓一个螺杆，一个螺母，两个垫圈，垫圈有倒角的一侧应朝向螺栓头和螺母，螺母有圆台的一面应朝向垫圈，螺母和垫圈的方向不能装反；扭剪型高强螺栓一个螺栓杆、一个螺母、一个垫圈，垫圈应装在螺母一侧，方向同大六角头螺栓。

3.5安装前检查摩擦面应保持干燥、整洁、不应有飞边、毛刺、焊接飞溅物、焊疤、氧化铁皮、污垢等，除设计要求外磨擦面不应有涂漆。

3.6高强螺栓自由穿入螺栓孔，不得强行穿入，以防螺纹损伤，若是不能自由穿入时，用铰刀修孔，清理孔边毛刺，并清扫铁屑。

不得不采用气割扩孔，扩孔数量应征得设计同意，扩孔后的孔径不应超过1.2d（d为螺栓直径）。

3.7高强螺栓连接板的接触面应平整。

当接触面有间隙时，小于1mm的间隙可不处理，1-3mm的间隙应将高出的一侧磨成1：

10的斜面，打磨方向与受力方向垂直；大于3mm的间隙应加垫板，垫板两侧的处理方法应与构件相同。

3.8高强螺栓的紧固顺序依据螺栓的分布，按从里到外，从中间向两边的顺序进行紧固，初拧、终拧顺序一致，每拧一次均应用不同颜色的油漆做上标记，防止漏拧。

3.9高强螺栓的紧固分为初拧和终拧，初拧值为终拧值的50%。

扭剪型高强螺栓的初拧扭矩值按下式计算：

T0=0.065·PC·d

T0———初拧扭矩（N·M）；

PC———施工预拉力（KN）,PC=P+ΔP；

P———高强螺栓设计预拉力（KN）；

ΔP———预拉力损失值（KN），设计预拉力的10%，

d———高强螺栓螺纹直径。

大六角头螺栓的初拧扭矩为终拧扭矩的50%，终拧扭矩应按下式计算：

Tc=k·PC·d

Tc———终拧扭矩（N·M）；

k———扭矩系数；

PC———施工预拉力（KN）,PC=P+ΔP；

P———高强螺栓设计预应力（KN）；

ΔP———预应力损失值（KN），预应力的10%

d———高强螺栓螺纹直径。

经计算所安装高强螺栓的终、初拧值见下表：

规格直径（mm）

初拧扭矩值（kgf·cm）

终拧扭矩值（kgf·cm）

M20

2350

4700

M22

3250

6500

M24

4100

8200

M27

5500

11000

M30

7250

14500

终拧所用扳手在每班作业前，均应进行校正，其扭矩误差不得大于±5%，校正用的扭矩扳手扭矩误差不得大于±3%，并且由于电压对其扭矩值影响很大，根据实践高强螺栓终拧要从配电室接专线并且要调整作业班次，尽可能的避开用电高峰期。

扭剪型高强螺栓终拧后的梅花头必须随手放至工具袋内，不得抛掷，以防砸伤人员。

3.10高强螺栓终拧完毕24小时，喷防锈漆封闭，封闭范围包括连接板螺栓、螺母，若未及时封闭，下次封闭前要抽查，螺栓若锈蚀严重要更换。

4．高强螺栓施工质量检查与验收

对于大六角头高强螺栓，先用小锤敲击法进行普查，以防漏拧。

然后对每个节点螺栓数的10%（不少于1个）进行扭矩检查，检查时先在螺栓端面和螺母画一直线，然后将螺母拧松约60°，再用扭矩扳手重新拧紧，使两线重合，此时的扭矩应在0.9Tch-1.1Tch范围内。

Tch按下式计算：

Tch=k·P·d

Tch————检查扭矩（N·M）；

P————高强螺栓预拉力设计值（KN）；

d————高强螺栓螺纹直径。

如有不符合规定的，应再扩大检查10%。

如仍有不合格者，则整个节点的高强螺栓应重新拧紧，扭矩检查就在螺栓终拧1小时后，24小时之前完成。

扭剪型高强螺栓终拧检查，以目测尾部梅花头拧断为合格。

对于不能用扳手拧紧的，则按上述大六角头高强螺栓检查方法办理。

[结束语]高强螺栓连接,操作简单,施工方便,速度快,连接可靠,在钢结构连接中已逐渐取代焊接和铆接,但造价较高,在河津电厂一期工程主厂房钢结构施工中,一个柱头高强螺栓270条,材料费近万元,随着新材料的不断发现,高强螺栓成本会降低。

高强螺栓施工的质量关系到钢结构的安全性及使用寿命，施工中必须按规定程序精心操作，切不可操之过急，在主厂房施工中，发现有部分高强螺栓未经初拧直接一次终拧至设计扭矩值，整个结构单元紧固完毕，检验时发现这一部分螺栓80%不合格，扭矩值偏小，所有不合格螺栓全部更换，重新安装紧固。

高强螺栓检验重点要放在结构重要部位和电动扳手操作困难的死角部位，特别是承受振动荷载的构件接头要仔细检查。