劉宏剛,張洪玉,彭月燊

(1.中鐵大橋局集團(tuán)有限公司, 武漢　430050； 2.中鐵大橋局集團(tuán)橋梁科學(xué)研究院, 武漢　430034)

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鐵路鋼橋高強(qiáng)度螺栓連接施工若干問(wèn)題探討

劉宏剛1,張洪玉2,彭月燊1

(1.中鐵大橋局集團(tuán)有限公司, 武漢430050； 2.中鐵大橋局集團(tuán)橋梁科學(xué)研究院, 武漢430034)

摘要：2011年,原鐵道部有關(guān)部門(mén)委托中鐵大橋局對(duì)1992年發(fā)布的《鐵路鋼橋高強(qiáng)度螺栓連接施工規(guī)定》(TBJ 214-92)進(jìn)行修訂,課題組在對(duì)多座大型鐵路鋼橋高強(qiáng)度螺栓施工情況調(diào)研的基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)代鋼橋建設(shè)的發(fā)展,對(duì)現(xiàn)行鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的條文進(jìn)行梳理,其中對(duì)鐵路鋼橋中高強(qiáng)度螺栓的制造工藝、延遲斷裂、質(zhì)量檢查、配套標(biāo)準(zhǔn)、栓焊混用連接、施擰方法及工具設(shè)備等問(wèn)題予以探討,對(duì)擬修訂的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行解析,以期加深對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的理解和正確使用。

關(guān)鍵詞：鐵路鋼橋；高強(qiáng)度螺栓；標(biāo)準(zhǔn)；探討

1概述

現(xiàn)行鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路鋼橋高強(qiáng)度螺栓連接施工規(guī)定》(TBJ 214—92)，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“《施工規(guī)定》”，發(fā)布至今已有20余年，隨著鋼橋技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)在鐵路鋼橋的設(shè)計(jì)、制造、安裝及科研試驗(yàn)等方面取得很大進(jìn)步，如整體節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)[1]、鋼桁梁整節(jié)段架設(shè)技術(shù)[2]、大跨度公鐵兩用橋中廣泛采用的正交異性鋼橋面板與主桁弦桿間的栓焊混用連接方式、施擰工藝和工具的改進(jìn)等，這些情況是當(dāng)時(shí)制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)無(wú)法預(yù)見(jiàn)的，因此有必要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充和修訂，以更好地指導(dǎo)施工。

《施工規(guī)定》與建設(shè)部1991年發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接的設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)程》(JGJ 82—91)均依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件》(GB/T 1231—1991)等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定。2006年 “鋼結(jié)構(gòu)摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接用的連接副”國(guó)標(biāo)產(chǎn)品系列標(biāo)準(zhǔn)中的GB/T 1228～1231 4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布了新版本，建設(shè)部據(jù)此更新了其行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并改名為《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》(JGJ 82—2011)。

2011年，原鐵道部將《鐵路鋼橋高強(qiáng)度螺栓連接施工技術(shù)指南》(下稱(chēng)《指南》)列入當(dāng)年鐵路工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)編制計(jì)劃，委托中鐵大橋局對(duì)1992年版的《施工規(guī)定》進(jìn)行修訂，大橋局成立課題組對(duì)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的修訂做了大量工作，于2012年底向經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院提交了《指南》的征求意見(jiàn)稿，并通過(guò)了初審，后因鐵道部撤并重組而暫停，但這一工作仍將繼續(xù)下去直到修訂完成。

2若干問(wèn)題探討

由于鐵路橋梁承受的動(dòng)荷載較大，對(duì)結(jié)構(gòu)的變形和抗疲勞性能要求較高，鐵路鋼橋的設(shè)計(jì)原則和方法與建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定有所不同，比如承壓型連接和栓焊并用連接對(duì)鐵路鋼橋都是不適用的，因此鐵路鋼橋高強(qiáng)度螺栓連接施工還不能完全參照其他行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，需結(jié)合具體情況對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究。

2.1扭矩法與轉(zhuǎn)角法(扭角法)

高強(qiáng)度螺栓的施擰方法主要分為扭矩法和轉(zhuǎn)角法，在轉(zhuǎn)角法中也要采用扭矩法對(duì)高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行初擰，因此一些文獻(xiàn)中稱(chēng)其為“扭矩-轉(zhuǎn)角法”，《施工規(guī)定》中的“扭角法”，可以理解為 “扭矩-轉(zhuǎn)角法”的簡(jiǎn)稱(chēng)。

扭矩法是通過(guò)控制施擰扭矩對(duì)高強(qiáng)度螺栓連接副進(jìn)行緊固的施工方法，因操作簡(jiǎn)便，這種方法在國(guó)內(nèi)外高強(qiáng)度螺栓緊固作業(yè)中被廣泛采用。但由于制造工藝和表面潤(rùn)滑技術(shù)的制約，早期高強(qiáng)度螺栓扭矩系數(shù)的離散性較大且容易變化，使螺栓軸力難以準(zhǔn)確控制。1980年4月，表面磷化高強(qiáng)度螺栓在中鐵大橋局橋梁科學(xué)研究院研制成功，高強(qiáng)度螺栓經(jīng)過(guò)磷化處理后可降低及穩(wěn)定扭矩系數(shù)，提高并穩(wěn)定預(yù)緊軸力，與表面發(fā)黑高強(qiáng)度螺栓相比，扭矩系數(shù)降低50%左右，平均值能保證在0.110～0.150，標(biāo)準(zhǔn)差可以穩(wěn)定在0.010以下，離散率減小70%左右[3]，這對(duì)保證高強(qiáng)度螺栓連接質(zhì)量具有重要意義，為扭矩法施工奠定了基礎(chǔ)。九江長(zhǎng)江大橋及之后修建的其他鐵路鋼橋高強(qiáng)度螺栓均采用扭矩法施工。

轉(zhuǎn)角法是對(duì)螺栓進(jìn)行初擰后，再通過(guò)控制螺栓與螺母相對(duì)轉(zhuǎn)角值對(duì)高強(qiáng)度螺栓連接副進(jìn)行緊固的方法。美國(guó)在20世紀(jì)40年代末開(kāi)始用轉(zhuǎn)角法研究螺栓伸長(zhǎng)和軸力的關(guān)系，并于1960年制定了規(guī)范，在1962年修訂時(shí)強(qiáng)調(diào)以轉(zhuǎn)角法作為主要擰緊方法[4]，之后又多次進(jìn)行修訂使之日臻完善。目前，這一方法在國(guó)內(nèi)外機(jī)械制造、汽車(chē)裝配等行業(yè)中應(yīng)用較為廣泛。

初擰扭矩和終擰轉(zhuǎn)角是轉(zhuǎn)角法的兩個(gè)重要參數(shù)，《施工規(guī)定》第4章給出了終擰轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式，但公式中的參數(shù)和轉(zhuǎn)角前的初擰扭矩都需要通過(guò)試驗(yàn)確定，應(yīng)用起來(lái)具有一定困難，需要增加轉(zhuǎn)角參數(shù)試驗(yàn)的內(nèi)容，以改進(jìn)可操作性。

2.2延遲斷裂

延遲斷裂(也稱(chēng)滯后斷裂)是高強(qiáng)度螺栓連接常見(jiàn)病害之一，這種情況在20世紀(jì)80年代以前建造的鋼橋中較為普遍，在后來(lái)的九江長(zhǎng)江大橋建設(shè)中，中鐵大橋局橋梁科學(xué)研究院通過(guò)對(duì)高強(qiáng)度螺栓的材質(zhì)、使用環(huán)境、表面處理方法、工作應(yīng)力大小、螺栓的欠擰和超擰以及強(qiáng)度級(jí)別、 屈強(qiáng)比等因素進(jìn)行深入研究，得出了“調(diào)整回火溫度、 改善形位公差”的正確結(jié)論，并基于斷裂力學(xué)理論， 結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出了形位公差的限值[5]，實(shí)橋螺栓斷裂率明顯下降，充分證明了其控制方法的科學(xué)性和有效性。然而近年來(lái)施工的鋼橋中，高強(qiáng)度螺栓延遲斷裂的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，說(shuō)明某些環(huán)節(jié)的控制出現(xiàn)疏漏，以前的研究成果和經(jīng)驗(yàn)有必要以適當(dāng)方式吸收到標(biāo)準(zhǔn)中加以反映。

高強(qiáng)度螺栓的延遲斷裂主要與原材料、制造工藝、形位偏差、施擰質(zhì)量等因素有關(guān)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，定扭矩電動(dòng)扳手標(biāo)定扭矩的精度明顯提高，因施擰扭矩偏差導(dǎo)致的螺栓斷裂情況已比較少見(jiàn)。原材料方面，在高強(qiáng)度螺栓發(fā)展初期國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行了比較充分的研究，認(rèn)識(shí)到釩、鈦、鉻、鎳、鉑、硼、氮等元素對(duì)鋼材性能的影響，并驗(yàn)證了螺栓延遲斷裂與材料強(qiáng)度之間的關(guān)系，如日本從20世紀(jì)60年代開(kāi)始推出F8T螺栓(極限抗拉強(qiáng)度784～980 MPa)，之后不斷提高螺栓強(qiáng)度直至F13T螺栓(強(qiáng)度為1 274～1 470 MPa)，繼而發(fā)現(xiàn)這種螺栓延遲斷裂現(xiàn)象嚴(yán)重，在經(jīng)歷七年半的曝露試驗(yàn)后淘汰了FllT(強(qiáng)度為1 078～1 274 MPa)以上的螺栓[6]，推廣采用F10T(強(qiáng)度為980～1 176 MPa)螺栓。我國(guó)的10.9S高強(qiáng)度螺栓抗拉強(qiáng)度為1 040～1 240 MPa，介于日本的F10T與FllT之間，可以認(rèn)為是基本適宜的。

眾多事例表明，制造工藝和形位偏差成為影響我國(guó)高強(qiáng)度螺栓性能的主要因素。

延遲斷裂現(xiàn)象是材料-環(huán)境-應(yīng)力相互作用而發(fā)生的一種氫致脆化。酸洗、電鍍處理時(shí)侵入鋼材中的氫在應(yīng)力作用下向應(yīng)力集中處富集會(huì)引起高強(qiáng)度螺栓的延遲斷裂，對(duì)高強(qiáng)度螺栓特別是10.9級(jí)及其以上的螺栓酸洗、電鍍后均應(yīng)及時(shí)進(jìn)行脫氫處理。在滾壓螺紋時(shí)提高加工質(zhì)量、避免過(guò)大的應(yīng)力集中等措施，可以有效降低高強(qiáng)度螺栓發(fā)生延遲斷裂的敏感性。另外，回火溫度也是影響高強(qiáng)度螺栓延遲斷裂的重要因素，九江長(zhǎng)江大橋的研究表明，對(duì)于20MnTiB和35VB兩種材質(zhì)的高強(qiáng)度螺栓，淬火后回火溫度應(yīng)分別控制在(420±10)℃和(440±10)℃。對(duì)于42CrMoA材質(zhì)的10.9級(jí)和12.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓，有研究指出淬火后的回火溫度不低于500 ℃可有效提高延遲斷裂抗力[7]。

螺栓形位偏差與延遲斷裂也有密切的關(guān)系，高強(qiáng)度螺栓在服役時(shí)除承受拉、扭外還承受一個(gè)附加彎矩作用的力，當(dāng)螺栓支承面不垂直度和栓焊不直度接近國(guó)標(biāo)允許偏差的極限值時(shí)，彎曲應(yīng)力會(huì)超過(guò)軸向應(yīng)力，由于螺栓承受的附加彎矩與其長(zhǎng)度成反比，與慣性矩成正比，因此當(dāng)形位偏差一定時(shí)，短螺栓和大直徑螺栓更易于斷裂。在調(diào)查南京長(zhǎng)江大橋的127個(gè)斷栓時(shí)發(fā)現(xiàn)，除其中5個(gè)螺栓的長(zhǎng)度達(dá)到或超過(guò)90 mm外，其余全是76 mm以?xún)?nèi)的短螺栓[6]。

服役期間高強(qiáng)度螺栓的延遲斷裂危及橋梁結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)安全，必須高度重視。然而由于延遲斷裂與高強(qiáng)度螺栓生產(chǎn)工藝有很大關(guān)系，現(xiàn)有的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系不足以保證螺栓性能，有專(zhuān)家提出應(yīng)要求工廠(chǎng)進(jìn)行延遲斷裂試驗(yàn)，但這又涉及試驗(yàn)方法與合格標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，不易解決。由于高強(qiáng)度螺栓質(zhì)量要求較高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈等原因，多數(shù)大型企業(yè)已退出這項(xiàng)業(yè)務(wù)，目前市場(chǎng)上的高強(qiáng)度螺栓生產(chǎn)廠(chǎng)家大多是中小型企業(yè)，為降低成本往往會(huì)省略或放松對(duì)一些工序的嚴(yán)格執(zhí)行而影響產(chǎn)品質(zhì)量，施工單位在驗(yàn)收時(shí)通常僅對(duì)常規(guī)性能進(jìn)行檢查，而延遲斷裂問(wèn)題屬事后發(fā)生，因此在采購(gòu)時(shí)須注意對(duì)生產(chǎn)廠(chǎng)家制造工藝和產(chǎn)品信譽(yù)的考察并擇優(yōu)選定，不宜將價(jià)格作為唯一主要考慮因素。由于形位偏差是高強(qiáng)度螺栓延遲斷裂的主要原因之一，同時(shí)也是施工單位能夠?qū)嵤┑臋z查項(xiàng)目，在驗(yàn)收高強(qiáng)度螺栓時(shí)對(duì)檢查標(biāo)準(zhǔn)特別是螺栓不垂直度和螺母同軸度等指標(biāo)應(yīng)從嚴(yán)掌握。

2.3其他工藝措施

高強(qiáng)度螺栓生產(chǎn)的基本工藝流程為：配料→鍛造→磷化→去氫→縮頸→熱處理→噴砂→探傷→校直→車(chē)支承面、去毛刺→滾壓螺紋→磷化→皂化→去氫→分選→包裝。不同生產(chǎn)企業(yè)的工藝流程有所不同，但鍛造工序不允許采用冷鐓；噴砂和去氫工序是減少螺栓氫脆發(fā)生的重要工序，不能省略；磷化工序中包括去油、酸洗、表調(diào)等內(nèi)容；工藝中所有酸洗工序后必須在2 h之內(nèi)去氫(溫度190～230 ℃、時(shí)間6 h)；去氧化皮、毛刺工序宜采用機(jī)械方法。

試驗(yàn)測(cè)定，經(jīng)皂化處理后的高強(qiáng)度螺栓連接副其扭矩系數(shù)易受濕度影響，隨濕度增加而降低，當(dāng)濕度大于90%時(shí)扭矩系數(shù)會(huì)急劇下降(達(dá)到0.08以下，超出標(biāo)準(zhǔn)允許值。由于扭矩系數(shù)過(guò)低將變得不穩(wěn)定且使螺栓的防松效果變差，是應(yīng)當(dāng)避免的情況)，而全磷化浸油螺栓的扭矩系數(shù)隨濕度增加反而增大(仍在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi))[8]，因此在潮濕地區(qū)使用的高強(qiáng)度螺栓宜采用全磷化表面處理工藝。

對(duì)一些橋梁的高強(qiáng)度螺栓病害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，螺栓大都斷在螺母內(nèi)側(cè)第一扣處和光桿與螺紋的分界處，這里有較大的應(yīng)力集中。西寧特鋼的研究認(rèn)為，改善螺紋牙溝的形狀可降低應(yīng)力集中程度，除可改善高強(qiáng)度螺栓的抗疲勞性能外，還可減少螺紋牙溝處氫的富集和擴(kuò)散，亦可明顯地提高其延遲斷裂抗力。

2.4大直徑高強(qiáng)度螺栓

由于國(guó)內(nèi)鐵路鋼橋的跨度愈來(lái)愈大，鋼梁節(jié)點(diǎn)板層厚度不斷增加，現(xiàn)有規(guī)格的高強(qiáng)度螺栓已顯得力不從心，對(duì)承載力更大的高強(qiáng)度螺栓有著現(xiàn)實(shí)的需求。已有廠(chǎng)家試制出M36、M42甚至更大直徑的高強(qiáng)度螺栓，但現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件》(GB/T1231)中最大螺栓規(guī)格為M30。高強(qiáng)度螺栓的研制涉及材料、制造工藝、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等眾多問(wèn)題，屬于技術(shù)鏈中的上游鏈，而施工則屬于尾鏈，在《施工規(guī)定》中對(duì)產(chǎn)品要求方面的規(guī)定僅涉及預(yù)拉力及相關(guān)的值，而這些又是由設(shè)計(jì)規(guī)范提出的。

目前 “非標(biāo)”的發(fā)展趨勢(shì)，一是增大螺栓直徑，二是提高螺栓強(qiáng)度。由于延遲斷裂問(wèn)題的存在，除非在材料科學(xué)或制造工藝方面取得顯著突破，否則難以采用更高強(qiáng)度的材料，因此，增大螺栓直徑可能是一個(gè)合理的選項(xiàng)。目前的產(chǎn)品系列標(biāo)準(zhǔn)對(duì)普通鋼結(jié)構(gòu)是基本夠用的，而對(duì)于鐵路鋼橋的發(fā)展而言確實(shí)有所滯后，有必要在充分研究的基礎(chǔ)上對(duì)高強(qiáng)度螺栓的型號(hào)、規(guī)格進(jìn)行拓展，以適應(yīng)大跨度鋼橋?qū)Ω邚?qiáng)度螺栓連接的迫切需求。

2.5栓焊混用連接

栓焊混用連接不同于栓焊并用連接，前者是指同一受力接頭中，部分構(gòu)件采用焊接、部分構(gòu)件采用高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接的一種連接方式，后者在建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中被定義為：“考慮摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接和帖角焊縫同時(shí)承擔(dān)同一剪力進(jìn)行設(shè)計(jì)的連接接頭形式?！痹阼F路鋼橋中，栓焊混用連接通常表現(xiàn)為：在正交異性鋼橋面板作為橋面系結(jié)構(gòu)中，鋼橋面板間連接采用縱、橫向現(xiàn)場(chǎng)焊接，而縱梁(肋)間連接和橫梁(肋)與主桁弦桿間連接采用栓接或在橫梁翼緣與主桁間采用焊接而腹板采用高強(qiáng)螺栓摩擦型連接、且焊接滯后于栓接。從螺栓與焊縫共同受力的角度看，栓焊混用連接對(duì)兩者共同受力及變形的同步性要求低于栓焊并用連接，因此簡(jiǎn)化了接頭的設(shè)計(jì)且便于施工。

對(duì)于栓焊并用連接，20世紀(jì)60年代原西德的試驗(yàn)表明：在靜載下，二者的容許荷載可以迭加，安全系數(shù)≥2.5；在反復(fù)荷載作用下，栓焊并用的節(jié)點(diǎn)耐勞強(qiáng)度高于焊接的耐勞強(qiáng)度(焊縫安排在螺栓后面)[9]。國(guó)內(nèi)則有研究指出，當(dāng)摩擦型高強(qiáng)度螺栓強(qiáng)度與側(cè)焊縫強(qiáng)度比值在0.85左右時(shí)，兩者強(qiáng)度均能充分發(fā)揮，其他比值下，強(qiáng)度較高者有不同程度的浪費(fèi)，栓焊并用連接承載力可近似用兩種連接各自的受剪承載力的線(xiàn)性組合表達(dá)[10]。

大跨度鐵路鋼橋的設(shè)計(jì)中已廣泛使用栓焊混用接頭，設(shè)計(jì)單位采用何種力學(xué)模型與計(jì)算理論，是施工單位制定高強(qiáng)度螺栓施擰方案的重要依據(jù)，因此應(yīng)與設(shè)計(jì)單位加強(qiáng)溝通聯(lián)系，使施工工藝合理、安全。在這類(lèi)接頭施工中，由于后焊板件的焊接變形對(duì)先行栓合的板件產(chǎn)生附加內(nèi)力，進(jìn)而影響到先行栓合板件上高強(qiáng)度螺栓的受力特性，有必要通過(guò)科研試驗(yàn)，結(jié)合多座大型鋼橋的工程實(shí)踐，對(duì)高強(qiáng)度螺栓施擰、構(gòu)件焊接工藝和施工順序等提出明確規(guī)定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如果先焊后栓，橋面板施焊后沖釘被拴孔壓緊很難退出，影響高強(qiáng)度螺栓施工，且橋面板與弦桿連成整體后，栓接部位的板面難以貼緊，降低摩擦面的連接效果[11]。建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)則規(guī)定，梁、柱、支撐等構(gòu)件的栓焊混用連接接頭中，“施工順序宜在高強(qiáng)度螺栓初擰后進(jìn)行翼緣的焊接，然后再進(jìn)行高強(qiáng)度螺栓終擰”。

在近期施工的幾座鋼橋上，為降低橫梁腹板上高強(qiáng)度螺栓承受的附加力，靠近鋼橋面板側(cè)2～3排栓孔先用沖釘上滿(mǎn)，讓沖釘先行承受橋面板焊接變形產(chǎn)生的附加力，待焊接完成后再用高強(qiáng)度螺栓替換沖釘?shù)姆椒?，這一經(jīng)驗(yàn)可予參考。在一些栓焊混用連接接頭中，如果焊接滯后栓接的時(shí)間很短，可考慮待橫梁翼緣焊接后再終擰橫梁腹板上的高強(qiáng)度螺栓。如滯后時(shí)間較長(zhǎng)，扭矩系數(shù)將發(fā)生變化，則不宜采用此法。

2.6終擰質(zhì)量檢查

關(guān)于高強(qiáng)度螺栓的終擰檢查，《施工規(guī)定》第5.0.4條規(guī)定“扭矩法的終擰檢查應(yīng)符合下列要求：一、觀察全部終擰后的高強(qiáng)度螺栓連接副，檢查初擰(復(fù)擰)后用油漆標(biāo)記的螺栓與螺母相對(duì)位置是否發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，以檢查終擰有否漏擰。二、對(duì)主桁(板梁主梁)及縱、橫梁連接處，每栓群高強(qiáng)度螺栓連接副總數(shù)的5%，但不少于2套，其余每個(gè)節(jié)點(diǎn)不少于1套進(jìn)行終擰扭矩檢查……”。1996和2002年版《鐵路橋涵施工規(guī)范》(TBJ 203—96、2002)均在第11.1.22條規(guī)定：“高強(qiáng)度螺栓施擰完畢，應(yīng)按下述規(guī)定進(jìn)行檢查：一、應(yīng)設(shè)專(zhuān)職人員進(jìn)行檢查，當(dāng)天擰好的螺栓當(dāng)天檢查完。二、主桁節(jié)點(diǎn)及縱橫梁連接處，每一個(gè)螺栓群檢查的數(shù)量為其總數(shù)的5%，每個(gè)主桁節(jié)點(diǎn)不得少于5個(gè)……?！钡?003年發(fā)布的《鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》(TB10415—2003)出現(xiàn)了重大變化，該標(biāo)準(zhǔn)第12.2.5條規(guī)定：“高強(qiáng)度螺栓連接副施擰，必須符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和施工工藝要求。檢查數(shù)量：施工單位全部檢查……檢驗(yàn)方法：施工單位使用扭矩扳手或量角器檢查；監(jiān)理單位見(jiàn)證檢驗(yàn)。”而之后的版本基本沿用了這一規(guī)定。對(duì)條文的理解或許有不同，但實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中確實(shí)按螺栓總數(shù)的100%進(jìn)行終擰扭矩檢查。

對(duì)全部高強(qiáng)度螺栓100%進(jìn)行終擰扭矩檢查，顯然是希望更好地保證質(zhì)量，但這一規(guī)定本身卻不夠科學(xué)。首先，對(duì)于扭矩法施擰的高強(qiáng)度螺栓其扭矩系數(shù)和施擰扭矩同樣重要，《施工規(guī)定》不僅規(guī)定了扭矩系數(shù)均值、標(biāo)準(zhǔn)差及其測(cè)定方法，同時(shí)規(guī)定每班操作前及操作后，均必須對(duì)施工扳手進(jìn)行扭矩校正，當(dāng)其誤差超過(guò)±5%時(shí)則對(duì)該班用該扳手終擰的高強(qiáng)度螺栓連接副全部用檢查扳手進(jìn)行檢查、處理，因此螺栓的連接質(zhì)量應(yīng)主要靠扭矩系數(shù)的測(cè)定和施工扳手的扭矩校正來(lái)保證，采用檢查扳手對(duì)終擰后的螺栓進(jìn)行抽查只是輔助手段。其次，無(wú)論采用“緊扣法”還是“松扣復(fù)位法”檢查，均可能對(duì)螺栓的緊固狀態(tài)和扭矩系數(shù)產(chǎn)生擾動(dòng)，由于大多采用緊扣法檢查，終擰后“全部檢查”必然造成螺栓最終扭矩整體偏高，導(dǎo)致大面積超擰。此外，抽檢數(shù)量驟增至20倍，時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本都大幅增加，扭矩檢查不僅耗時(shí)而且須多人配合，除2人施加檢查扭矩外，其余人員需分別負(fù)責(zé)卡游、讀表、記錄、觀察螺母轉(zhuǎn)動(dòng)等，在螺母轉(zhuǎn)動(dòng)的瞬間讀取扭矩值。當(dāng)檢查高空節(jié)點(diǎn)或邊角處的螺栓時(shí)，由于觀測(cè)條件較差很難保證準(zhǔn)確。目前大型鋼橋所用高強(qiáng)度螺栓均在100萬(wàn)套以上，有些則達(dá)200萬(wàn)套[12]，施工高峰時(shí)每天施擰上萬(wàn)套螺栓，逐個(gè)檢查無(wú)疑給施工單位帶來(lái)巨大負(fù)擔(dān)，且檢查一套螺栓所花費(fèi)的時(shí)間數(shù)倍于施擰時(shí)間，對(duì)當(dāng)天施擰的所有螺栓當(dāng)天完成扭矩檢查也是不現(xiàn)實(shí)的。

因此，對(duì)全部高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行終擰扭矩檢查不僅沒(méi)有必要，反而造成不利影響，但要改變這一局面，只能通過(guò)修訂驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)來(lái)現(xiàn)實(shí)。作為對(duì)照，《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T F50—2011)第19.13.3條規(guī)定：“高強(qiáng)度螺栓終擰完成后，應(yīng)按下列規(guī)定進(jìn)行質(zhì)量檢查：……3)對(duì)主桁節(jié)點(diǎn)、板梁主體及縱、橫梁連接處，每栓群應(yīng)以高強(qiáng)度螺栓連接副總數(shù)的5%抽檢，但不得少于2套，其余每個(gè)節(jié)點(diǎn)不少于1套進(jìn)行終擰扭矩檢查?！薄朵摻Y(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》(JGJ 82—2011)第6.5.1條規(guī)定：“終擰扭矩應(yīng)按節(jié)點(diǎn)數(shù)抽查10%，且不應(yīng)少于10個(gè)點(diǎn)；對(duì)每個(gè)被抽查節(jié)點(diǎn)應(yīng)按螺栓數(shù)抽查10%，且不應(yīng)少于2個(gè)螺栓?！?/p>

2.7施擰及檢查工具

高強(qiáng)度螺栓施擰主要使用定扭矩電動(dòng)扳手，對(duì)于個(gè)別死角處無(wú)法使用電動(dòng)扳手施擰的螺栓，一般使用指針式、數(shù)字式扭矩扳手或定扭矩帶響扳手施擰。與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品相比，國(guó)產(chǎn)電動(dòng)扳手在可靠性和耐用性方面還有較大差距，一些關(guān)鍵構(gòu)件如電機(jī)、扭矩輸出控制器等容易損壞，維修頻繁。某些進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格雖然10倍于國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品，但由于質(zhì)量可靠、耐用，分?jǐn)偟矫刻茁菟ǖ木C合成本仍有優(yōu)勢(shì)，這種狀況值得反思。

關(guān)于施擰及試驗(yàn)設(shè)備，近年來(lái)研制出的數(shù)顯電動(dòng)扳手和扭矩系數(shù)試驗(yàn)儀(扭軸儀)是該領(lǐng)域的重要進(jìn)展。借助于電子技術(shù)和傳感器的應(yīng)用，數(shù)顯電動(dòng)扳手在施擰時(shí)能逐個(gè)顯示所施擰高強(qiáng)度螺栓的終擰扭矩并編號(hào)儲(chǔ)存，在施工過(guò)程中可直觀判定超擰或欠擰，便于及時(shí)處理，當(dāng)天施工結(jié)束后，可調(diào)出當(dāng)天儲(chǔ)存的終擰扭矩?cái)?shù)據(jù)作進(jìn)一步檢查分析。扭矩系數(shù)試驗(yàn)儀在標(biāo)定電動(dòng)扳手時(shí)可同時(shí)顯示扳手的輸出扭矩和所用標(biāo)定螺栓的軸力，便于扭矩系數(shù)的計(jì)算，并可根據(jù)溫度、濕度變化及時(shí)對(duì)施擰扭矩進(jìn)行修正。

檢查設(shè)備方面，研制出了電動(dòng)扭矩檢測(cè)扳手和便攜式扭矩測(cè)試儀等新設(shè)備。電動(dòng)扭矩檢測(cè)扳手內(nèi)置高精度扭矩傳感器和角度傳感器，可自動(dòng)顯示、儲(chǔ)存檢測(cè)結(jié)果，也可將數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦分析。更重要的是，這種扳手使用的交流伺服電機(jī)能夠以非常低的速度啟動(dòng)，通過(guò)設(shè)定可以在轉(zhuǎn)動(dòng)微小角度(如0.5°～1°)后及時(shí)停止并顯示輸出扭矩，適用于緊扣法扭矩檢查，在有些大型橋梁工程項(xiàng)目上已經(jīng)進(jìn)行了試用[8，14]。便攜式扭矩測(cè)試儀內(nèi)置20倍扭矩放大器，可直觀顯示螺栓扭矩檢測(cè)值并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，螺母轉(zhuǎn)角由內(nèi)置的角度傳感器精確控制，達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)角自動(dòng)報(bào)警，提高了檢查結(jié)果的準(zhǔn)確性，且減少了人為因素影響，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，有望改善目前高強(qiáng)度螺栓檢查工作的困難局面。

2.8訂貨與包裝

高強(qiáng)度螺栓連接副墊圈的一側(cè)在內(nèi)徑處設(shè)有一45°倒角，以與螺栓頭下的過(guò)渡圓弧相配合，減小應(yīng)力集中，所以在安裝時(shí)不得裝反；在測(cè)定扭矩系數(shù)時(shí)，規(guī)定了墊圈有內(nèi)倒角的一側(cè)應(yīng)朝向螺母支承面，所以在安裝時(shí)為了保持一致也不得裝反。但由于墊圈外緣并無(wú)標(biāo)識(shí)，螺栓施擰后從外觀上無(wú)法判斷墊圈是否裝反，如果在墊圈有內(nèi)倒角一側(cè)的外緣作出永久性識(shí)別標(biāo)記，則可方便檢查并消除墊圈裝反現(xiàn)象。

關(guān)于螺栓修約長(zhǎng)度，《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓》(GB/T 1228—2006)給出的尺寸表中，l≤100 mm時(shí)按5 mm分檔，l>100 mm時(shí)按10 mm分檔，《施工規(guī)定》第3.0.8條關(guān)于螺栓長(zhǎng)度計(jì)算公式和修約的規(guī)定與其相符。根據(jù)近年來(lái)高速鐵路上鋼桁梁的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，一座橋梁上可能存在十幾種甚至20余種長(zhǎng)度的同直徑高強(qiáng)螺栓，而且同一栓接接頭的不同位置也會(huì)出現(xiàn)多種長(zhǎng)度相差不大的同直徑高強(qiáng)螺栓，易造成施工混亂，增加了管理難度，現(xiàn)場(chǎng)施工人員大多建議將高強(qiáng)度螺栓長(zhǎng)度統(tǒng)一按10 mm修約。對(duì)于M20以上螺栓，由于其螺紋長(zhǎng)度超出螺母及墊圈厚度達(dá)20 mm以上，按10 mm分檔選用螺栓從技術(shù)上講是有條件的，能夠在現(xiàn)有產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)下實(shí)現(xiàn)。

關(guān)于螺栓頭部頂面的標(biāo)志，《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件》(GB/T 1231—2006)僅要求標(biāo)志性能等級(jí)和制造廠(chǎng)，《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓》(GB/T 1228—2006)給出的標(biāo)記示例中包括螺紋規(guī)格和螺栓公稱(chēng)長(zhǎng)度，但由于兩者規(guī)定不一致，導(dǎo)致部分產(chǎn)品標(biāo)識(shí)不全，施工單位采購(gòu)時(shí)可以要求廠(chǎng)家在螺栓六角頭上注明公稱(chēng)長(zhǎng)度以便識(shí)別和使用。此外，由于磷化后浸油、皂化兩種處理工藝生產(chǎn)的高強(qiáng)度螺栓其扭矩系數(shù)對(duì)濕度變化的反應(yīng)是相反的，給扳手的校準(zhǔn)和調(diào)整帶來(lái)困擾，建議同一工程項(xiàng)目的高強(qiáng)度螺栓采用同一種表面處理工藝。

3結(jié)語(yǔ)

高強(qiáng)度螺栓是鋼結(jié)構(gòu)橋梁的重要受力構(gòu)件，在保證產(chǎn)品性能的同時(shí)還應(yīng)保證其安裝質(zhì)量。1992年發(fā)布的《鐵路鋼橋高強(qiáng)度螺栓連接施工規(guī)定》(TBJ 214—92)對(duì)規(guī)范鐵路鋼橋高強(qiáng)度螺栓施工，保證連接質(zhì)量發(fā)揮了重要作用，如能將近年來(lái)的研究成果和先進(jìn)技術(shù)以適當(dāng)方式進(jìn)行吸收，并對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，將有助于標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步完善和施工質(zhì)量的提高。

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Approach to High Strength Bolts Connection of Railway Steel Bridge Liu Hong-gang1, Zhang Hong-yu2, Peng Yue-shen1

(1.China Railway Major Bridge Engineering Group Co., Ltd., Wuhan 430050, China; 2.Bridge Science

Research Institute Ltd., China Railway Major Bridge Engineering Group, Wuhan 430034, China)

Abstract：In 2011, the concerned department of former Ministry of Railways authorized MBEC to revise Regulations for High Strength Bolts Construction of Railway Steel Bridge (TBJ 214-92) which was issued in 1992. On the basis of the investigation and research on high strength bolts connection of several large railway steel bridges, and in view of the development of modern steel bridge construction, the research group reviewed the provisions of the current railway standards and conducted extensive investigations into such issues as manufacturing process, delayed fracture, quality inspection, associated standards, the joint with combined bolts and welds, tightening methods, tools and equipment involved in the construction of railway steel bridge to benefit the revision and application.

Key words：Railway steel bridge; High strength bolts; Standards; Approach

中圖分類(lèi)號(hào)：U448.36

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.02.015

文章編號(hào)：1004-2954(2015)02-0060-05

作者簡(jiǎn)介：劉宏剛(1975—)，男，高級(jí)工程師，1998年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院，工學(xué)學(xué)士，E-mail:kerix@126.com。

收稿日期：2014-05-15； 修回日期：2014-05-28