25-輸電線路鐵塔用高強(qiáng)度螺栓的設(shè)計(jì)、應(yīng)用及注意事項(xiàng)

25-輸電線路鐵塔用高強(qiáng)度螺栓的設(shè)計(jì)、應(yīng)用及注意事項(xiàng)輸電線路鐵塔用高強(qiáng)度螺栓的設(shè)計(jì)、應(yīng)用及注意事項(xiàng)董建堯何江（華東電力設(shè)計(jì)院上海200063）【摘要】本文通過對(duì)8.8級(jí)、10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓在輸電線路工程行業(yè)內(nèi)外應(yīng)用情況的介紹，總結(jié)了輸電線路鐵塔用高強(qiáng)度螺栓設(shè)計(jì)、加工、施工應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)，供線路結(jié)構(gòu)專業(yè)的同行參考?！娟P(guān)鍵詞】鐵塔高強(qiáng)度螺栓設(shè)計(jì)應(yīng)用注意事項(xiàng)1問題的提出與由來(lái)以往，110～500kV輸電線路鐵塔所使用的螺栓大多為4.8級(jí)和6.8級(jí)粗制螺栓，一般M12、M16用4.8級(jí)，M20、M24用6.8級(jí)，現(xiàn)在由于4.8級(jí)和6.8級(jí)螺栓的價(jià)格差別不大，而且一個(gè)6.8級(jí)螺栓可以解決許多受力不大的輔助構(gòu)件卻用兩個(gè)4.8級(jí)螺栓的實(shí)際問題，一些設(shè)計(jì)院已經(jīng)統(tǒng)一將螺栓的級(jí)別規(guī)定為6.8級(jí)，也避免了出錯(cuò)。超高壓輸電線路發(fā)展到目前，各個(gè)地方出現(xiàn)了750～100kV特高壓、大截面導(dǎo)線、四回路鐵塔和許多大跨越工程，在走廊日益資源日益緊張的今天，這些新技術(shù)也將得到進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用，這不僅對(duì)線路鐵塔的型材材質(zhì)提出了更高的要求，同時(shí)對(duì)連接螺栓的級(jí)別也提出了更高的要求，尤其在主材連接、橫擔(dān)與主材接頭以及其他受力較大的部位，以往常用的4.8級(jí)、6.8級(jí)螺栓已經(jīng)無(wú)法滿足設(shè)計(jì)與構(gòu)造的要求，這樣，8.8級(jí)以上級(jí)別的高強(qiáng)度螺栓的應(yīng)用被提了出來(lái)。目前在輸電線路、變電構(gòu)架等塔架設(shè)計(jì)中，很多設(shè)計(jì)院已經(jīng)在使用8.8級(jí)以上高強(qiáng)度螺栓螺栓，但在應(yīng)用的過程中有的或多或少的存在一些問題。這些問題，可能是由于設(shè)計(jì)螺栓布置不合理、應(yīng)力裕度太小引起的，可能是由于原材料材質(zhì)不穩(wěn)定、離散性太大引起的，也有可能是加工過程中熱處理、除銹、熱鍍鋅工藝不合理引起的，或者是施工單位施工過程中扭緊次序、扭力控制不合理引起的，由于這一些不確定的因素，使得8.8級(jí)以上的高強(qiáng)度螺栓在應(yīng)用上遇到了挫折，本文擬通過對(duì)高強(qiáng)度螺栓的設(shè)計(jì)、加工和施工情況的探討性介紹，供設(shè)計(jì)同行參考。2行業(yè)內(nèi)外使用高強(qiáng)度螺栓的情況介紹目前，行業(yè)內(nèi)我院和中南院在輸電線路鐵塔上使用8.8級(jí)以上螺栓比較頻繁。中南院自1999年開始已經(jīng)在500kV輸電線路角鋼塔上廣泛采用8.8級(jí)M24的高強(qiáng)度螺栓，用的效果很好。我院在500kV普通線路角鋼塔上還沒有使用案例，但幾乎在所有的大跨越鐵塔上和500kV線路鋼管塔上也得到了廣泛的應(yīng)用。以下是我院使用高強(qiáng)度螺栓的部分工程情況簡(jiǎn)表。我院設(shè)計(jì)的輸電工程使用8.8級(jí)以上高強(qiáng)度螺栓的情況簡(jiǎn)表表1在變電構(gòu)架上，包括中南院、東北院、華北院等也在使用8.8級(jí)或10.9級(jí)的高強(qiáng)度螺栓，使用的螺栓規(guī)格大多是M20、M24兩種規(guī)格。在行業(yè)外，隨著我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房、民用建筑、道路橋梁、塔桅結(jié)構(gòu)和起重機(jī)械等建筑及構(gòu)筑物的規(guī)?；痛笮突?，大量的高強(qiáng)度螺栓的被廣泛地應(yīng)用于這些結(jié)構(gòu)中。例如上海金茂大廈、北京奧體中心、洋山深水港等一大批國(guó)家重點(diǎn)工程的建設(shè)，使得8.8級(jí)至12.9級(jí)的高強(qiáng)度螺栓不同級(jí)別的高強(qiáng)度螺栓得到了充足的應(yīng)用，以下是國(guó)內(nèi)某高強(qiáng)度螺栓廠近年來(lái)的部分業(yè)績(jī)表。某高強(qiáng)度螺栓廠近年來(lái)高強(qiáng)度螺栓配套項(xiàng)目（簡(jiǎn)摘）表23輸電線路用高強(qiáng)度螺栓的設(shè)計(jì)3.1高強(qiáng)度螺栓的設(shè)計(jì)依據(jù)及技術(shù)參數(shù)和建筑、橋梁等結(jié)構(gòu)所使用的摩擦型或承壓型的型式不同是，輸電鐵塔所用的高強(qiáng)度螺栓實(shí)際上高強(qiáng)度的粗制螺栓，也就是說強(qiáng)度滿足相應(yīng)的級(jí)別（8.8級(jí)及以上）但加工標(biāo)準(zhǔn)還是大六角頭螺栓（GB/T5780），其受剪、受拉的計(jì)算公式也仍然采用普通螺栓的計(jì)算公式，即：Nvb＝nv×π×d2×fvb/4（受剪）Ncb＝d×∑t×fcb（受剪）Ntb＝π×de2×ftb/4（受拉）式中：Nvb、Ncb、Ntb－每個(gè)螺栓的剪力、承壓力、拉力設(shè)計(jì)值；nv－螺栓受剪面數(shù)目（單剪為1，雙剪為2）；d、de－螺栓桿直徑、螺栓干螺紋處的有效直徑；∑t－在不同受力方向中一個(gè)受力方向承壓構(gòu)件總厚度的較小值；fvb、fcb、ftb－螺栓的抗剪、承壓、抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（見下表）。高強(qiáng)度螺栓廠強(qiáng)度設(shè)計(jì)值表3一般，一套高強(qiáng)度螺栓包括一件螺栓（桿）、兩件螺母（雙帽）和一件平墊圈，螺栓、螺母和墊圈機(jī)械尺寸和機(jī)械性能滿足如下標(biāo)準(zhǔn)：《緊固件機(jī)械性能－螺栓、螺釘和螺柱》（GB/T3098.1－2000）《緊固件機(jī)械性能－螺母、粗牙螺紋》（GB/T3098.2－2000）《六角頭螺栓－C級(jí)》（GB/T5780－2000）《Ⅰ型六角螺母－C級(jí)》（GB/T6170－2000）《平墊圈－C級(jí)》（GB97.1－85）3.2高強(qiáng)度螺栓的規(guī)格選擇在輸電線路鐵塔中，螺栓的受力狀態(tài)不外乎受剪、受拉和同時(shí)受剪拉3種（對(duì)于鋼桿管，螺栓還受拉彎作用），受剪拉的螺栓一般發(fā)生在掛線點(diǎn)、橫擔(dān)連接處等局部位置。對(duì)于受剪螺栓一般用在角鋼塔的連接和鋼管塔的插板連接中，螺栓的布置數(shù)量一般不會(huì)受到剪力面的局限，所以大多數(shù)情況下均可以布置成小直徑的螺栓。而受拉螺栓一般用在鋼管塔的法蘭連接中，螺栓的布置數(shù)量受到法蘭周長(zhǎng)的影響，所以當(dāng)構(gòu)件受力較大時(shí)，往往要布置較大直徑的螺栓。通常，計(jì)算和選用螺栓規(guī)格時(shí)，原則上在滿足受力要求和螺栓間距布置的前提下盡量采用小直徑的螺栓，在滿足強(qiáng)度要求的前提下盡量采用低級(jí)別的螺栓。對(duì)于M24及以下的高強(qiáng)度螺栓，螺栓廠在設(shè)備上、工藝上均比較容易做到，對(duì)于M27及以上的高強(qiáng)度螺栓，螺栓廠一般均需要定制，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求和市場(chǎng)上對(duì)于圓鋼原材料的難易程度，常用的大直徑螺栓有M30、M36、M42、M48、M56、M64，不常用有M27、M33、M39、M45、M52、M60，但是如M27、M39、M45、M52我們?cè)诓煌墓こ讨幸捕加袘?yīng)用。3.3高強(qiáng)度螺栓的材質(zhì)選擇高強(qiáng)度螺栓一般用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)熱處理（淬火并回火）后制成。原材料圓鋼的選用首先考慮的是鋼材的強(qiáng)度因素和熱處理穩(wěn)定性因素，其次考慮市場(chǎng)采購(gòu)和價(jià)格因素。原材料的合理選用將直接影響高強(qiáng)度螺栓的性能和熱處理的效果。輸電線路粗制鋼強(qiáng)度螺栓的常用的原材料及性能、應(yīng)用情況見下表：輸電線路粗制鋼強(qiáng)度螺栓常用材料性能和應(yīng)用情況表4表中，σb、σs－抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度；δ5－斷后伸長(zhǎng)率；ψ－斷面收縮率；Aku2－沖擊吸收功。從表5來(lái)看，35CrMo、42CrMo鋼塑性和韌性均較好，而且通過熱處理手段來(lái)提高鋼材強(qiáng)度也較為容易（硬度相對(duì)較高），而且該合金結(jié)構(gòu)鋼市場(chǎng)上采購(gòu)也相對(duì)比較容易，材質(zhì)穩(wěn)定性也較有保障，是目前市場(chǎng)上比較理想的大直徑高強(qiáng)度螺栓用鋼，對(duì)于直徑小于M24的螺栓也可以采用高碳鋼或20MnTiB鋼來(lái)加工。當(dāng)然每個(gè)螺栓廠針對(duì)不同的螺栓級(jí)別、螺栓直徑都有各自的一套選材標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)人員可以通過多了解、多比較來(lái)配合螺栓廠來(lái)合理的選用原材料。4高強(qiáng)度螺栓加工、檢驗(yàn)和施工要求4.1高強(qiáng)度螺栓的加工及防腐要求熱處理工藝技術(shù)是直接影響成品螺栓的整體性能的關(guān)鍵加工工序。熱處理的設(shè)備、環(huán)境、溫度控制、工藝措施有時(shí)候會(huì)起著相當(dāng)重要的作用。通常小直徑螺栓比大直徑螺栓更容易處理，低級(jí)別螺栓比高級(jí)別螺栓更容易達(dá)到要求。處理不好，硬度太低，強(qiáng)度不夠；硬度太高，螺栓可能產(chǎn)生硬脆。有些螺栓廠為了使高強(qiáng)度螺栓在經(jīng)過500多度高溫的鋅液浸透后強(qiáng)度仍能滿足設(shè)計(jì)要求，往往在熱處理時(shí)，把淬火溫度調(diào)得很高，硬度超過《國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》的上限。這樣一來(lái)，雖然強(qiáng)度提高了，但材料的韌性變差，脆性也隨之變大。在隨后的螺栓使用過程中極易產(chǎn)生沒有征兆的脆斷。高強(qiáng)度螺栓的防腐在其他結(jié)構(gòu)上有許多措施，一般有熱鍍（浸）鋅、滲鋅、發(fā)黑造化、達(dá)克羅、刷漆等。而電力行業(yè)內(nèi)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《輸電線路鐵塔制造技術(shù)條件》（GB2694）和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《110～500kV架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（DL/T5092－1999）、《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DL/T5152－2002）都規(guī)定了熱鍍（浸）鋅作為鋼材（包括螺栓）的防腐措施。但對(duì)于8.8級(jí)及以上的高強(qiáng)度螺栓，采用熱鍍（浸）鋅的防腐措施，國(guó)內(nèi)外均比較謹(jǐn)慎，那是因?yàn)樵阱冧\之前有一道酸洗除銹工序會(huì)造成螺栓氫脆斷裂的發(fā)生。但如果熱鍍鋅工藝上避開酸洗這道工序（使氫原子沒有機(jī)會(huì)接觸螺栓），那么就會(huì)大大減小氫脆現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)率。所以應(yīng)用了“拋丸（砂、鋼）”工藝代替了酸洗，除銹效果也較為理想（費(fèi)用可能會(huì)高些），可以在一定程度上控制螺栓突然脆斷的危險(xiǎn)。另外，對(duì)通過鍍鋅工藝（溶液、溫度、時(shí)間）的控制和改進(jìn)，可以最大限度的保證成品螺栓的強(qiáng)度和韌性不至于損失太多。對(duì)于其他防腐措施雖然也有應(yīng)用，但防腐效果大都不及熱鍍（浸）鋅。滲鋅的螺栓雖然表面比較美觀光滑，但防腐壽命較短；發(fā)黑造化因其防腐能力較差一般不用于輸電線路結(jié)構(gòu)；而達(dá)克羅技術(shù)雖然近幾年有了一定的發(fā)展，但應(yīng)用效果不是十分理想；而熱鍍（浸）鋅是被同行普遍認(rèn)可最有效的且已具有幾十年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的鐵塔防腐措施。4.2高強(qiáng)度螺栓的檢驗(yàn)按照慣例，螺栓原材料通常由市場(chǎng)上采購(gòu)，鋼廠對(duì)圓鋼原材料的質(zhì)量檢驗(yàn)一般按爐批號(hào)抽檢，但在市場(chǎng)中，可能存在不同爐批號(hào)甚至不同廠家的原材料在同時(shí)銷售，這給原材料的質(zhì)量追溯造成了困難。而即將用到高強(qiáng)度螺栓的輸電線路一般均為重點(diǎn)項(xiàng)目，所以對(duì)于加工高強(qiáng)度螺栓的原材料圓鋼，除了鋼廠必須提供同爐號(hào)、批次的檢驗(yàn)合格證明外，螺栓加工廠必須對(duì)這批原材料作常規(guī)的理化檢驗(yàn)和外觀質(zhì)量檢查（裂紋等），有必要的話甚至可以用磁粉探傷進(jìn)行抽檢，甚至直接定點(diǎn)原材料鋼廠。對(duì)于螺栓成品的出廠檢驗(yàn)，除應(yīng)該提供螺栓產(chǎn)品自檢合格報(bào)告外，還應(yīng)由業(yè)主委托有資質(zhì)的第三方（例如材料研究所、緊固件產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心等權(quán)威機(jī)構(gòu)）做強(qiáng)度、硬度、塑性等指標(biāo)的抽檢，以確保成品螺栓的質(zhì)量。4.3高強(qiáng)度螺栓的施工要求輸電線路鐵塔用高強(qiáng)度粗制螺栓不需要依靠摩擦來(lái)傳力，所以螺栓只須擰緊即可正常運(yùn)行使用。而且由于鍍鋅螺栓由于鋅層厚度分布不均勻、摩擦系數(shù)離散性較大，使得在扭矩值相等的前提下，螺栓之間的應(yīng)力（尤其是受拉螺栓）也相差較大。因此，設(shè)計(jì)對(duì)螺栓的施工緊固扭矩值不必要求太高，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)和參考?xì)W美一些國(guó)家的有關(guān)資料，一般高強(qiáng)度螺栓的緊固扭矩值仍然可以采用《110～500kV架空送電線路施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB50233－2005）》表6.1.6來(lái)施工（誤差±5％）。對(duì)于大直徑螺栓可以采取同應(yīng)力原理的方法進(jìn)行計(jì)算，所以，建議高強(qiáng)度螺栓的緊固扭矩值不宜超過如下表5的數(shù)值，對(duì)于扭矩較大的大直徑螺栓可以采用擰緊用力矩（放大）扳手來(lái)進(jìn)行緊固。高強(qiáng)度螺栓緊固扭矩值表55總結(jié)及應(yīng)用上的注意事項(xiàng)盡管10.9級(jí)和8.8級(jí)高強(qiáng)度粗制螺栓在工程上均有成功應(yīng)用的案例，且也已經(jīng)列入了《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DL/T5154－2002）中。但由于近幾年在使用的過程中陸續(xù)出現(xiàn)了一些斷裂現(xiàn)象，使得設(shè)計(jì)院對(duì)高強(qiáng)度螺栓的應(yīng)用有一些顧慮，但根據(jù)我院的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，市場(chǎng)上反映較好的一些廠家生產(chǎn)出來(lái)的螺栓往往質(zhì)量都比較穩(wěn)定，而一些規(guī)模較小、業(yè)績(jī)較少?gòu)S家的產(chǎn)品質(zhì)量有待于提高。對(duì)于高強(qiáng)度螺栓的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：（1）配合業(yè)主選擇業(yè)績(jī)較好的廠家，一般，螺栓廠應(yīng)該提供生產(chǎn)規(guī)模及供貨能力，加工、檢測(cè)、試驗(yàn)設(shè)備，熱處理及鍍鋅設(shè)備、工藝等情況的說明報(bào)告。附上類似線路（電力）工程8.8級(jí)及以上鍍鋅高強(qiáng)度螺栓的供應(yīng)業(yè)績(jī)（包括工程名稱、規(guī)模，配套生產(chǎn)的螺栓規(guī)格、數(shù)量，實(shí)際運(yùn)行情況等）。（2）配合螺栓廠謹(jǐn)慎、合理地選擇原材料的鋼牌號(hào)，嚴(yán)格控制原材料的質(zhì)量關(guān)，對(duì)原材料的材質(zhì)不僅需要做常規(guī)的理化檢驗(yàn)，對(duì)每一根圓鋼做目測(cè)檢查，有必要時(shí)，還需要做探傷檢查，將不合格的原材料排除在加工工序之前。（3）設(shè)計(jì)的原則是在滿足承載力的前提下盡量采用小直徑的螺栓。不僅因?yàn)閿?shù)量相對(duì)多的小直徑的螺栓比數(shù)量相對(duì)少的大直徑螺栓安全可靠性要好，而且在機(jī)加工、熱處理和拉力試驗(yàn)中，小直徑螺栓更容易操作。（4）螺栓廠應(yīng)對(duì)不同級(jí)別、規(guī)格的高強(qiáng)度螺栓的加工、制造有專門的工藝措施，尤其是熱處理等調(diào)質(zhì)過程應(yīng)有特殊的控制工藝，以防止淬火和退火失控以及嚴(yán)重的滲碳現(xiàn)象以及螺栓表里硬度差過大，影響螺栓的機(jī)械性能。（5）螺栓應(yīng)仍然采用熱鍍鋅防腐措施，應(yīng)單獨(dú)成批熱鍍鋅，不允許與其他不同的構(gòu)件混鍍，但對(duì)于鍍鋅工藝和過程（鍍鋅溫度、時(shí)間、冷卻、清洗）需要合理控制，應(yīng)優(yōu)先采用拋丸等物理的除銹工藝，最大限度的避免氫脆的發(fā)生。（6）螺栓緊固值不宜太大，防止因超擰而使螺栓一直處于高應(yīng)力狀態(tài)下。螺栓的緊固應(yīng)采用力矩（放大）扳手，螺栓的擰固次序應(yīng)當(dāng)按照事先設(shè)定程序進(jìn)行操作，最大限度的避免螺栓群的受力不均。參考文獻(xiàn)［1］《螺栓和鉚釘連接設(shè)計(jì)準(zhǔn)則指南》（GuidetoDesignCriteriaforBoltedandRivetedJoints）[美]J.W.費(fèi)雪J.H.A.斯特魯克著人民交