王永興

(海洋石油工程(青島)有限公司， 山東 青島 266520)

0 引 言

鋼結(jié)構(gòu)模塊建造完成后，在海洋運(yùn)輸過程中，部分結(jié)構(gòu)會與裝船固定結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉，需要將其拆卸成為裝船散件。為便于裝船散件在項(xiàng)目歸屬地的恢復(fù)，裝船散件與主結(jié)構(gòu)的連接形式常被設(shè)計(jì)成以高強(qiáng)度螺栓連接。為保證裝船散件在后續(xù)使用過程中的可靠性，安裝高強(qiáng)度螺栓時(shí)有相應(yīng)的預(yù)緊力要求。高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊力的施加和控制方法通常有4種：轉(zhuǎn)角法預(yù)拉伸、標(biāo)定扳手預(yù)拉伸、扭剪型張力控制螺栓預(yù)拉伸、直接張力指示器預(yù)拉伸[1-3]。按照要求，在標(biāo)定扳手預(yù)拉伸方法中，扭矩扳手需要每天標(biāo)定，難以滿足工程進(jìn)度的需要。扭剪型張力控制螺栓和直接張力指示器螺栓價(jià)格昂貴，若在海洋鋼結(jié)構(gòu)建造項(xiàng)目中大量使用這兩種螺栓，將會大幅增加項(xiàng)目成本。相較而言，轉(zhuǎn)角法預(yù)拉伸方法不需要每天標(biāo)定扭矩扳手，不需要采辦扭剪型螺母和張力指示墊片，更便于現(xiàn)場施工[4]，且能夠降低項(xiàng)目成本。因而，轉(zhuǎn)角法預(yù)拉伸成為各項(xiàng)目優(yōu)先考慮的螺栓預(yù)緊力施加方法[5]。

轉(zhuǎn)角法預(yù)拉伸的缺點(diǎn)在于無法直觀讀取螺栓安裝后的預(yù)緊力，對項(xiàng)目施工過程中的檢驗(yàn)工作造成很大的困難，因而轉(zhuǎn)角法施加預(yù)緊力的效果常被質(zhì)疑[6]。本文介紹一種基于轉(zhuǎn)角法預(yù)拉伸的扭矩施加試驗(yàn)方法，并對試驗(yàn)得出的扭矩值進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)所施加的預(yù)緊力能否滿足ASTM A325或A490螺栓結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)規(guī)范[7](下文簡稱“規(guī)范”)的要求。該螺栓預(yù)緊力施加試驗(yàn)方法對后續(xù)項(xiàng)目中高強(qiáng)度螺栓的使用有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

本試驗(yàn)選用的螺栓材質(zhì)為ASTM A325，規(guī)格為M20 mm×2.5 mm×75 mm。連接件為厚度分別為10 mm、10 mm和15 mm，材質(zhì)為API 5L GRADE 50，尺寸為100 mm×100 mm的鋼板。螺栓連接副使用兩個(gè)平墊片。

本試驗(yàn)采用的測試儀器與設(shè)備有：(1)電子扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)；(2)電子萬能試驗(yàn)機(jī)；(3)YE2538A靜態(tài)電阻應(yīng)變儀(下文簡稱“應(yīng)變儀”)；(4)普通開口扳手。

1.2 預(yù)緊力施加方法

首先將螺栓連接件擰緊，保證螺母與墊片處于緊密貼合狀態(tài)；然后采取措施將螺母進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)一定角度，使用力學(xué)儀器與設(shè)備，試驗(yàn)驗(yàn)證此時(shí)螺栓所承受的預(yù)緊力能否達(dá)到規(guī)范[7]要求。

規(guī)范[7]明確規(guī)定，對于直徑M20、材質(zhì)ASTM A325的螺栓，當(dāng)連接件與螺母或螺栓頭的接觸面垂直于螺桿時(shí)，螺母或者螺栓頭繼續(xù)旋轉(zhuǎn)120°±30°后，預(yù)緊力需達(dá)124.5 kN?？紤]到施工環(huán)境比實(shí)驗(yàn)室環(huán)境更為嚴(yán)苛，本方法采取了更為嚴(yán)格的參數(shù)要求：

(1)為便于現(xiàn)場施工，預(yù)緊力的施加通過選擇螺母實(shí)現(xiàn)；

(2)為降低工人操作水平不同對螺栓預(yù)緊力數(shù)值的影響，要求螺母旋轉(zhuǎn)角度為120°～150°；

(3)考慮1.1倍的放大因數(shù)，將螺栓預(yù)緊力下限值設(shè)定為137 kN。

1.3 試驗(yàn)步驟與結(jié)果

螺栓擰緊后的預(yù)緊力即螺栓所受的拉應(yīng)力，而拉應(yīng)力與螺母旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系難以直接通過試驗(yàn)驗(yàn)證。以螺栓拉伸后的拉應(yīng)變?yōu)橹虚g變量，首先測量拉應(yīng)變與拉應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系，然后再測量拉應(yīng)變與螺母旋轉(zhuǎn)角度的對應(yīng)關(guān)系，從而確定預(yù)緊力與螺母旋轉(zhuǎn)角度的對應(yīng)關(guān)系。

(1) 標(biāo)定預(yù)緊力與拉應(yīng)變的關(guān)系。將電阻應(yīng)變片粘貼到6套試驗(yàn)螺栓的螺桿上，試樣標(biāo)號為1#、2#、3#、4#、5#、6#，然后將1#、2#、3#螺栓的應(yīng)變片以全橋形式接入應(yīng)變儀(按環(huán)向0°軸向、180°軸向共粘貼2片，如圖1所示)。使用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對試驗(yàn)螺栓進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，同時(shí)使用應(yīng)變儀測量拉伸過程中螺桿的拉應(yīng)變數(shù)值，從而標(biāo)定拉應(yīng)力與拉應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系。3套螺栓的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，在0～150 kN范圍內(nèi)，拉應(yīng)力與應(yīng)變值成線性關(guān)系。

圖1 應(yīng)變片粘貼示例

圖2 3套螺栓預(yù)緊力與拉應(yīng)變關(guān)系曲線

(2) 緊密貼合。將4#、5#、6#試驗(yàn)螺栓固定于電子扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)。安排一名現(xiàn)場操作工使用普通開口扳手，徒手將螺栓擰到不能轉(zhuǎn)動(dòng)為止，此時(shí)螺栓連接件被視為達(dá)到緊密貼合的狀態(tài)。

(3) 預(yù)緊力的施加。螺栓達(dá)到緊密貼合狀態(tài)之后，設(shè)計(jì)專門的夾具，將螺栓連接件固定于電子扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)。然后，將應(yīng)變片以全橋形式接入應(yīng)變儀，并對螺母的初始位置作標(biāo)記，如圖3所示。啟動(dòng)電子扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)對試樣螺母進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并測量螺母旋轉(zhuǎn)過程中的拉應(yīng)變值。螺母旋轉(zhuǎn)后的最終位置如圖4所示。螺母旋轉(zhuǎn)角度與螺桿應(yīng)變值的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

圖3 螺母初始位置

圖4 4#、5#、6#螺栓螺母最終位置的旋轉(zhuǎn)角度

表1 螺母轉(zhuǎn)角與螺栓拉應(yīng)變數(shù)據(jù)對應(yīng)表

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對上述兩步試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，可以確定應(yīng)變值、螺母轉(zhuǎn)角、螺栓預(yù)緊力三者的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 螺母轉(zhuǎn)角與螺栓預(yù)緊力數(shù)據(jù)對應(yīng)表

結(jié)果表明，采用高強(qiáng)度螺栓扭矩施加方法，即當(dāng)螺母旋轉(zhuǎn)角度在120°～150°范圍之內(nèi)時(shí)，螺栓承受的預(yù)緊力已經(jīng)超過137 kN，即滿足1.1倍的規(guī)范[7]要求。

3 結(jié) 論

介紹了一種基于螺母轉(zhuǎn)角法的高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊力施加試驗(yàn)方法，并對得出的扭矩進(jìn)行驗(yàn)證，總結(jié)出以下結(jié)論：

(1) 采用基于轉(zhuǎn)角法的預(yù)緊力施加方法，即對螺母進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，且旋轉(zhuǎn)角度控制在120°～150°范圍內(nèi)，所施加的預(yù)緊力滿足1.1倍的規(guī)范[7]要求，因此能夠滿足現(xiàn)場的施工要求。

(2) 以拉應(yīng)變數(shù)值為中間變量的試驗(yàn)方法能夠簡便可靠地確定螺母旋轉(zhuǎn)角度與預(yù)緊力的關(guān)系，可以為后續(xù)項(xiàng)目的螺栓預(yù)緊力驗(yàn)證提供參考。