鄭州黃河公鐵兩用橋高強度螺栓施擰質(zhì)量控制

裴 闖,安 營

(中國中鐵大橋局集團第一工程有限公司,鄭州 450003)

1 概述

鄭州黃河公鐵兩用橋主橋分2聯(lián)布置,總長1684 m。第1聯(lián)采用(120+5×168+120)m六塔部分斜拉連續(xù)鋼桁結(jié)合梁方案,聯(lián)長1 082.1m。第2聯(lián)采用5×120m連續(xù)鋼桁結(jié)合梁方案,聯(lián)長601.9 m。結(jié)構(gòu)造型連續(xù),采用三角形桁式鋼梁結(jié)構(gòu)。鋼梁主體結(jié)構(gòu)設(shè)計為三主桁,特別是斜邊桁給高栓施擰帶來了一定難度,部分高強度螺栓因安裝及施擰空間有限,須將螺栓反穿,而反穿又無法正常施擰,這樣如何保證對螺栓頭施加扭矩也能夠使高強度螺栓達到規(guī)范要求的軸力成為本工程的技術(shù)難點。鄭州黃河公鐵兩用橋鋼主桁桿件拼接采用M30高強度螺栓連接,鐵路橋面板橫梁腹板和底板連接采用M24高強螺栓連接,鐵路橋面板縱肋連接采用 M22高強度螺栓。全橋使用螺栓共計約120.6萬套。M24、M22高栓材質(zhì)為 20MnTiB,M30高栓材質(zhì)為35VB,預(yù)拉力設(shè)計值及抗滑移系數(shù)按《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范))(TBIO002.2—2005)取用。

2 高栓的驗收及儲存

(1)高栓連接副由1個10.9 s高強度大六角頭螺栓、1個IOH高強度大六角螺母和2個HRC35～45高強度墊圈組成。

(2)高栓、螺母及墊圈所用材質(zhì)、規(guī)格尺寸、技術(shù)條件、產(chǎn)品包裝及產(chǎn)品質(zhì)量檢驗報告書必須符合GB/TI228—1231的規(guī)定,高栓出廠檢驗按批進行,連接副最大批量為3 000套。高栓連接副在運輸、保管過程中應(yīng)防雨、防潮,并應(yīng)輕裝、輕卸,防止損傷螺紋。

(3)螺栓進場后,質(zhì)檢部門對高栓進行檢查驗收,并按規(guī)定進行抽樣復(fù)驗,復(fù)驗項目包括扭矩系數(shù)、螺栓楔負載、螺母保證荷載、螺母及墊圈的硬度。

(4)高栓連接副應(yīng)按包裝箱上注明的批號、規(guī)格分類保管,室內(nèi)架空存放,堆放不宜超過5層。保管期內(nèi)不得任意開箱,防止生銹和沾染臟物。

3 高栓的進場檢驗

3.1 扭矩系數(shù)檢驗

每個批號螺栓隨機抽樣高栓連接副8套,在扭矩系數(shù)試驗儀上進行檢驗,測定扭矩系數(shù)平均值、標準偏差。施工現(xiàn)場驗收,扭矩系數(shù)平均值控制在0.110～0.150,標準偏差小于0.010。

(1)每一連接副只能試驗1次,不得重復(fù)試驗。

(2)進行連接副扭矩系數(shù)試驗時,螺栓預(yù)拉力值應(yīng)控制在表1所規(guī)定的范圍,超出該范圍者,所測得之扭矩系數(shù)無效。

表1 螺栓預(yù)拉力規(guī)定值 kN

(3)組裝連接副時,螺母下的墊圈有倒角的一側(cè)應(yīng)朝向螺母支承面。試驗時,墊圈不得發(fā)生轉(zhuǎn)動,否則試驗無效。

(4)進行連接副扭矩系數(shù)試驗時,應(yīng)同時記錄環(huán)境溫度、試驗所用的機具。儀表及連接副均應(yīng)放置在該環(huán)境內(nèi)至少2 h以上。

3.2 螺栓楔負載檢驗

抽檢頻率為每個批號8件,將螺栓擰在帶有內(nèi)螺紋的專用夾具上(至少6扣),螺栓頭下置一10°楔墊,再裝在萬能材料試驗機上進行拉力試驗。當拉力載荷在表2規(guī)定的范圍內(nèi),斷裂應(yīng)發(fā)生在螺紋部分或螺紋與螺桿交接處,否則為不合格。

表2 螺栓楔負載規(guī)定值 kN

3.3 螺母保證荷載試驗

抽檢頻率為每個批號8件,將螺母擰入螺紋芯棒,在萬能材料試驗機上進行拉力試驗,試驗時夾頭的移動速度不應(yīng)超過3 mm/min。在達到表3規(guī)定的保證載荷時,持荷15 s,螺母不應(yīng)脫扣或斷裂。當去除載荷后,應(yīng)可用手將螺母旋出,或者借助扳手松開螺母(但不應(yīng)超過半扣)后用手旋出。在試驗中,如螺紋芯棒損壞,則試驗作廢。

表3 螺母保證荷載規(guī)定值 kN

3.4 螺母硬度檢驗

抽檢頻率為每個批號8件,試驗在螺母表面進行,任測4點做洛氏硬度試驗,取后3點平均值。螺母硬度應(yīng)符合表4的規(guī)定。

表4 螺母硬度的規(guī)定值

3.5 墊圈硬度檢驗

抽檢頻率為每個批號8件,在墊圈的表面上任測4點做洛氏硬度試驗,取后3點平均值。墊圈的硬度為329～436HV30(35～45H RC)。

4 栓接板面的抗滑移系數(shù)試驗

(1)高栓拼接摩擦面處理采用表面噴砂后電弧噴鋁,出廠時栓接板面抗滑移系數(shù)試驗值不得小于0.55。

(2)工地復(fù)驗抗滑移系數(shù)試驗以每制造鋼梁2 000 t為一批,每批按設(shè)計要求以不同螺栓規(guī)格及板厚的組合制造試件6組,每組3套。試件與鋼梁應(yīng)為同一材質(zhì)、同一時期、同批制造、同一摩擦面處理工藝,并在相同條件下運輸、存放。

(3)工地復(fù)驗抗滑移系數(shù)試驗方法:采用壓力傳感器控制螺栓預(yù)拉力,每個螺栓預(yù)拉力值應(yīng)在0.95P～1.05P(P為高栓設(shè)計預(yù)拉力值),壓力傳感器應(yīng)在試驗前用試驗機進行標定,其誤差應(yīng)在2%以內(nèi)。采用萬能材料試驗機對組件進行拉伸,直至滑動破壞,測得滑移荷載,計算抗滑移系數(shù)。工地復(fù)驗抗滑移系數(shù)不得小于0.45。

5 高栓安裝試驗及施擰過程控制

(1)高栓的設(shè)計預(yù)拉力、施擰預(yù)拉力應(yīng)符合表5的規(guī)定。

(2)高栓連接副的擰緊方法為扭矩法,施擰分初擰、終擰兩部分進行,初擰和終擰均應(yīng)使用定扭矩扳手。終擰扭矩值由試驗數(shù)據(jù)確定,初擰扭矩為終擰扭矩的50%。

(3)初擰使用電動扳手或定扭矩帶響扳手,終擰使用電動扳手。不能使用電動扳手施擰的部位,可用定扭矩帶響扳手施擰。使用定扭矩帶響扳手施擰時,要注意施力均勻平穩(wěn),不得沖擊施擰。

(4)高栓施擰用的電動扳手采用扭矩系數(shù)試驗儀標定,定扭矩帶響扳手采用扭矩系數(shù)試驗儀或掛重法標定。

(5)施擰扳手的標定次數(shù)為每班上班前和下班后各1次。標定方法:電動扳手和采用扭矩系數(shù)試驗儀標定的定扭矩帶響扳手,用5套當天上橋用的高栓進行標定,取其扭矩平均值。標定誤差規(guī)定為上班前標定不得大于規(guī)定值的±3%;下班后標定不得大于規(guī)定值的±5%。若上班前標定誤差大于±3%,應(yīng)調(diào)整至±3%以內(nèi);若下班后標定誤差大于±5%,應(yīng)及時對該扳手當班施擰的全部螺栓進行緊扣檢查。

(6)溫度與濕度對扭矩系數(shù)影響很大,當溫度與濕度變化較大時,可根據(jù)利用當天上橋的高栓,在扭矩系數(shù)試驗儀上標定電動扳手時所得的扭矩系數(shù)平均值,調(diào)整終擰扭矩,確保結(jié)構(gòu)安全。

(7)保護好鋼梁摩擦面,確保摩擦面干凈無油污、鋁涂層完整。我們將鋼梁與上下梯之間的摩擦面上用干凈的帆布包裹起來,保證施擰的質(zhì)量。

(8)保證高栓質(zhì)量。夏季多雨,冬季有霜,高栓上橋以后必須做到“下墊上蓋”(上部用帆布包裹,下部用方木抄墊),保證高栓扭矩系數(shù)盡可能不發(fā)生較大變化,保證高栓施擰質(zhì)量。冬季盡量安排白天氣溫較高時進行高栓施擰,夜間氣溫低時不進行高栓施擰。

(9)保證不同批號高栓的螺母、墊圈不被混用。高栓上橋安裝時要求不同批號的高栓分開放置。高栓拆箱后在安裝螺桿時,同一箱的墊圈、螺母不允許拿出箱外隨意亂放,避免不同批號的螺母、墊圈混用。

(10)對環(huán)境溫度、濕度進行監(jiān)控。為了高栓施擰質(zhì)量更好,把溫濕計懸掛在離高栓施擰最近的地方。

(11)保證高栓施擰時的電壓穩(wěn)定。高栓施擰時要求1臺穩(wěn)壓器上只準連接1把電動扳手,當過壓或者欠壓時停止高栓施擰,待電壓穩(wěn)定后方可進行施擰。

(12)保證結(jié)構(gòu)安全。制定了嚴格施擰工藝和獎懲制度,高栓施擰時必須按照工藝進行施擰,保證施擰質(zhì)量,嚴格的獎懲制度極大調(diào)動了工人的工作熱情,確保高栓施擰有條不紊的進行,同時執(zhí)行嚴格的高栓施擰實名制,高栓安裝人員、施擰人員、檢查人員在完成自己的工作后都必須簽字,將責任落實到人。

(13)文明施工。高栓安裝時大量的高栓盒子不允許隨意亂扔,高栓施擰完畢后統(tǒng)一回收,同時節(jié)約了成本。

6 對螺栓頭施擰扭矩并保證高栓軸力的技術(shù)研究

由于鋼梁邊桁拼裝角度傾斜,在邊桁頂板和底板交接處的螺栓(≥160 mm)在節(jié)點內(nèi)側(cè)由于空間受限無法穿出,只能在外側(cè)向節(jié)點內(nèi)側(cè)插入螺栓,每個部位約有8～10顆螺栓。由于作業(yè)空間狹小,扳手在節(jié)點內(nèi)側(cè)無法使用,該處螺栓施擰時只能采用在外側(cè)施擰螺栓頭,在內(nèi)側(cè)用工具卡住螺母。

高栓穿入困難部位示意如圖1所示。

圖1 高栓穿入困難部位示意

按照正常施工程序,高強度螺栓螺母必須安裝在拼接板外側(cè),但由于空間受限,從內(nèi)向外高栓根本無法安裝,因此只能選擇將高栓從外向內(nèi)穿入,螺母安裝在接頭內(nèi)側(cè)。由于采用了斜邊桁設(shè)計,在角落處沒有空間能夠容納電動扳手,因此只能選擇在拼接板外側(cè)對螺栓頭施加扭矩,而對螺栓頭施加扭矩,如何保證高強度螺栓的施擰軸力,如何檢查又成了一個問題。

經(jīng)過分析,對須反穿的高栓長度進行了分類統(tǒng)計,在測定扭矩系數(shù)時我們對須反穿的高栓每批抽取16套高栓進行復(fù)驗(正常情況下高栓復(fù)驗為同批號抽取8套),其中8套在螺母上施加扭矩測定扭矩系數(shù),做緊扣比試驗,得到緊扣比。施工時根據(jù)測定的扭矩系數(shù)選擇施工扭矩,檢查時通過緊扣比計算檢查扭矩,運用緊扣法進行高強度螺栓終擰檢查(在螺母上檢查)。

通過對扭軸儀的調(diào)整,另外8套在螺栓頭上施加扭矩測定扭矩系數(shù),做緊扣比試驗,得到緊扣比。通過扭軸儀上的顯示數(shù)據(jù)可以看出對螺栓頭施加扭矩同樣可以到達規(guī)范要求的軸力。施工時亦采用此方法標定特定的扳手對須反穿的高栓進行施擰,終擰檢查時對螺栓頭對進行檢查。做到試驗程序與現(xiàn)場施工相符合,徹底解決了高栓因安裝空間受限而無法正常施擰的難題,同時也保證了高栓施擰質(zhì)量。

7 夏季高強度螺栓施擰時間選擇

夏季鄭州地區(qū)室內(nèi)溫度基本上在20～33℃,如果橋上施工時環(huán)境溫度與室內(nèi)標定扳手時溫度差異過大,易造成高栓扭矩系數(shù)變化過大,而扳手輸出扭矩不變,造成橋上高栓軸力與標定時有較大差異。

由于受陽光直射,鋼梁體表溫度最高可達65℃,給高栓施擰質(zhì)量控制工作帶來了極大的難度,為了解決這一難題,我們對本地區(qū)溫度進行了統(tǒng)計,并對同一批號的高栓在不同溫度情況下的扭矩系數(shù)進行了測試(表6),從而選擇合理的施擰時間,確保高栓施擰質(zhì)量。

表6 扭矩系數(shù)測試

從表6可以看出,隨溫度升高,高強度螺栓的扭矩系數(shù)不斷變小,如在室內(nèi)標定電動扳手,根據(jù)

式中 M——扭矩值,N·m;

K——扭矩系數(shù)(按試驗的數(shù)理統(tǒng)計值);

N——螺栓的施工預(yù)拉力,k N(設(shè)計預(yù)拉力的1.1倍);

d——螺栓的公稱直徑,mm。

橋上溫度遠高于扳手標定時溫度,高強度螺栓扭矩系數(shù)變小,如果在此情況下施擰,施擰后的高栓終擰預(yù)拉力大于施工預(yù)拉力,造成高栓超擰工作,引起高強度螺栓斷裂。

針對試驗結(jié)果及對本地區(qū)的溫濕度統(tǒng)計,最終選擇了合理的時間段進行施擰,夏季10:00～17:00(陰天除外)嚴禁進行高強度螺栓施擰工作,避開了白天高溫天氣,選擇了夜間氣溫較低時進行施擰,確保高栓施擰質(zhì)量。

8 施擰質(zhì)量檢查

(1)對初擰后的全部高栓連接副,用質(zhì)量約0.3 kg的小錘敲擊螺母對邊的一側(cè),用手指緊按住螺母對邊的另一側(cè)進行檢查,如顫動較大者即認為不合格,應(yīng)予再初擰。

(2)觀察全部終擰后的高栓連接副,檢查初擰后用油漆標記的螺栓與螺母相對位置是否發(fā)生轉(zhuǎn)動,以檢查終擰是否漏擰。

(3)終擰檢查在螺栓終擰4 h之后、24 h以內(nèi)完成。檢查方法為緊扣檢查法,檢查頻率為每一栓群高栓連接副總數(shù)的5%,但不少于2套。緊扣法檢查采用表盤扳手或數(shù)顯扳手,使用前必須標定,其扭矩誤差不得大于所使用扭矩的±3%。緊扣扭矩偏差不超過檢查扭矩值的±10%時為合格。

(4)每個節(jié)點抽檢的螺栓不合格者所占抽查總數(shù)比例不得超過20%,超過者則需繼續(xù)抽檢,直至累計合格率達到80%時為止。對欠擰者及時補擰,超擰的螺栓則需更換并重新擰緊。

9 結(jié)語

高栓摩擦連接是大型鐵路橋梁廣泛采用的一種鋼結(jié)構(gòu)連接形式,具有施工簡便、受力合理、耐疲勞且安全可靠的優(yōu)點。為保證高栓連接工程的施工質(zhì)量,必須以高度的責任心,做好高栓進場檢驗工作,同時加強施工中的過程控制,將各工序責任落實到人,只有這樣才能使高栓連接工程的施工質(zhì)量得到有效的控制,確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全。

[1] TBJ214—92,鐵路鋼橋高強度螺栓連接施工規(guī)定[S].

[2] 周孟波,秦順全.蕪湖長江大橋大跨度低塔斜拉橋板桁組合結(jié)構(gòu)建造技術(shù)[M].北京:中國鐵道出版社,2004.

[3] GB50205—2001,鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S].