田 畾 楊玉涵 張宇敏 梁 俊

(中廣電廣播電影電視設(shè)計(jì)研究院，北京 100045)

0 引言

桐鄉(xiāng)廣播電視發(fā)射塔位于桐鄉(xiāng)市環(huán)城北路，塔高168.5 m，全鋼結(jié)構(gòu)。其造型簡(jiǎn)約大氣，塔身節(jié)節(jié)攀升，頂部漸次綻放，象征繁花盛開(kāi)，是桐鄉(xiāng)市的新地標(biāo)，整體造型如圖1所示。

傳統(tǒng)的廣播電視發(fā)射塔通常采用空間桁架模型進(jìn)行計(jì)算，構(gòu)件節(jié)點(diǎn)處常采用有加勁肋的法蘭盤(pán)、高強(qiáng)度普通螺栓進(jìn)行連接，螺栓僅要求擰緊即可。隨著廣播電視發(fā)射塔造型越來(lái)越復(fù)雜、高度越來(lái)越高、計(jì)算方法越來(lái)越精確，發(fā)射塔的計(jì)算模型常采用空間剛架模型，根據(jù)最新的GB 50135—2019高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，按空間剛架計(jì)算的鋼管結(jié)構(gòu)或按空間桁架計(jì)算的鋼管結(jié)構(gòu)桿件中段的法蘭應(yīng)用剛接法蘭，用高強(qiáng)螺栓連接，并提出明確的預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)參數(shù)。

在GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)范規(guī)定了M16～M30規(guī)格的8.8級(jí)、10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力設(shè)計(jì)值P。但在實(shí)際施工時(shí)，采用哪種方式對(duì)螺栓施加預(yù)拉力、施加預(yù)拉力后是否能滿足剛性連接的設(shè)計(jì)假定并不可知。

本文結(jié)合桐鄉(xiāng)廣播電視發(fā)射塔工程，對(duì)高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力施工方法、施工預(yù)拉力值等進(jìn)行研究，并結(jié)合有關(guān)規(guī)范進(jìn)行探討和總結(jié)，為類似的工程提供參考。

1 連接形式

桐鄉(xiāng)廣播電視發(fā)射塔采用無(wú)加勁肋的鍛造法蘭，此法蘭不僅造型美觀，還可以有效減小法蘭盤(pán)尺寸，從而減小其附加彎矩，同時(shí)，由于鍛造法蘭的螺栓分布較密，對(duì)法蘭盤(pán)的變形也起到一定的限制作用。

本工程要求對(duì)法蘭盤(pán)連接螺栓進(jìn)行預(yù)張拉，以達(dá)到剛性連接的設(shè)計(jì)要求。塔柱的連接采用M24,M30兩種規(guī)格的8.8級(jí)高強(qiáng)螺栓，法蘭盤(pán)尺寸如圖2，表1所示，M24螺栓螺桿的有效長(zhǎng)度為72 mm=3d1，M30螺栓螺桿的有效長(zhǎng)度為80 mm=2.67d2，d1,d2分別為螺栓直徑。

表1 鍛造法蘭盤(pán)尺寸 mm

2 預(yù)拉力施工方法

2.1 扭矩法

扭矩法是發(fā)射塔工程中對(duì)高強(qiáng)螺栓最常使用的預(yù)拉力施加方法，GB 50205—2001鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范規(guī)定，高強(qiáng)度螺栓連接副終擰扭矩值：TC=k×PC×d。其中，TC為終擰扭矩;PC為高強(qiáng)螺栓施工預(yù)拉力；k為高強(qiáng)螺栓連接副的扭矩系數(shù)平均值；d為高強(qiáng)螺栓栓桿直徑。此時(shí)，螺栓呈拉、扭復(fù)合受力狀態(tài)[3]。

規(guī)范規(guī)定，高強(qiáng)度螺栓施工前應(yīng)對(duì)其扭矩系數(shù)進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，扭矩系數(shù)平均值應(yīng)在0.11～0.15范圍內(nèi)，不合格不能使用。但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，高強(qiáng)螺栓的扭矩系數(shù)一般為0.25～0.32[5]，不滿足規(guī)范要求，且國(guó)內(nèi)外對(duì)此并沒(méi)有具體解決辦法。對(duì)于扭矩系數(shù)不滿足規(guī)定的螺栓，只能棄之不用，造成極大浪費(fèi)，且耽誤工期。

2.2 直接張拉法

隨著高強(qiáng)螺栓液壓張拉器在高聳結(jié)構(gòu)工程建設(shè)中的應(yīng)用，直接張拉法越來(lái)越受到工程師的青睞。直接張拉法不僅避免了螺栓復(fù)合受力(拉、扭)的不利狀態(tài)，使其直接承受拉力，提高螺栓設(shè)計(jì)強(qiáng)度，且張拉簡(jiǎn)單、易操作，有利于提高高強(qiáng)螺栓的安裝質(zhì)量。

液壓張拉器的施工操作過(guò)程[5]：

地下水位及其變幅是地下室抗浮設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。實(shí)際在地下室抗浮設(shè)計(jì)時(shí)，僅考慮正常使用的極限狀態(tài)，而對(duì)施工過(guò)程和洪水期重視不足，會(huì)造成地下室施工過(guò)程中因抗浮不夠而出現(xiàn)局部破壞。

1)在法蘭螺栓孔中自由穿入高強(qiáng)螺栓，戴螺母，并布置就位預(yù)張拉器。

2)張拉器油壓系統(tǒng)啟動(dòng)后，通過(guò)螺桿套筒帶動(dòng)高強(qiáng)螺栓，用夾具壓緊兩塊法蘭盤(pán)。

3)待預(yù)張拉力達(dá)到要求值，用手動(dòng)扳手?jǐn)Q緊螺母至無(wú)法擰動(dòng)。

4)卸載預(yù)張拉器液壓，取出張拉器，完成張拉施工。

3 高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力試驗(yàn)

為了保證桐鄉(xiāng)廣播電視發(fā)射塔塔柱剛性連接的設(shè)計(jì)假定，確定塔柱M24,M30兩種規(guī)格的8.8級(jí)高強(qiáng)螺栓的施工預(yù)拉力，考慮到螺栓鍍鋅后，扭矩系數(shù)的離散性更大，不利于用扭矩法施工，同濟(jì)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室對(duì)兩種規(guī)格的高強(qiáng)螺栓進(jìn)行了直接張拉法預(yù)拉力試驗(yàn)，且分別對(duì)螺栓的瞬時(shí)預(yù)應(yīng)力損失及48 h預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行監(jiān)測(cè)，M24,M30螺栓各做三組試驗(yàn)。

3.1 施工預(yù)拉力

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，M24,M30兩種規(guī)格的8.8級(jí)高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力設(shè)計(jì)值P如表2所示。由于螺栓張拉后必定存在預(yù)應(yīng)力損失，本文規(guī)定，若螺栓的預(yù)應(yīng)力損失超過(guò)20%，則將其預(yù)拉力值增大到1.2P重新張拉。

表2 高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力值 kN

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次分別對(duì)兩種規(guī)格的8.8級(jí)高強(qiáng)螺栓進(jìn)行了瞬時(shí)預(yù)應(yīng)力損失試驗(yàn)和48 h預(yù)應(yīng)力損失試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)圖3，圖4。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

高強(qiáng)螺栓預(yù)應(yīng)力損失見(jiàn)表3。

表3 高強(qiáng)螺栓預(yù)應(yīng)力損失 %

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)螺桿長(zhǎng)度[6]：螺桿的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，螺桿本身的伸長(zhǎng)量越大，而在同樣的壓力作用下，與鋼結(jié)構(gòu)表面接觸的壓縮變形是一定的，壓縮變形與螺栓伸長(zhǎng)量之比越小，螺栓的預(yù)拉力損失越小。本工程中，M24規(guī)格螺栓對(duì)應(yīng)的法蘭盤(pán)厚度為72 mm，M30規(guī)格螺栓對(duì)應(yīng)的法蘭盤(pán)厚度為80 mm，有效螺桿長(zhǎng)度分別為3d,2.67d，長(zhǎng)徑比較小。

2)人工擰緊力[6]：若人工擰緊螺栓使鋼結(jié)構(gòu)表面的變形等于張拉器支座與鋼板表面接觸變形，那么能夠抵消支座與鋼結(jié)構(gòu)表面接觸變形產(chǎn)生的預(yù)拉力損失。而人工擰緊螺栓的力不可能足夠大，當(dāng)預(yù)拉力很小時(shí)，人工擰緊螺母使鋼板產(chǎn)生的變形大于支座與鋼結(jié)構(gòu)表面接觸的變形，此時(shí)的預(yù)拉力會(huì)增加，反之，預(yù)拉力會(huì)損失。

表3中，M30螺栓超張拉1.2P時(shí)的瞬時(shí)預(yù)應(yīng)力損失(最大為57.4%)大于48 h預(yù)應(yīng)力損失(最大47.3%)，這是由于瞬時(shí)預(yù)應(yīng)力損失試驗(yàn)和48 h預(yù)應(yīng)力損失試驗(yàn)為兩次試驗(yàn)，即瞬時(shí)預(yù)應(yīng)力損失試驗(yàn)完成后，對(duì)螺栓進(jìn)行重新張拉，再記錄48 h的預(yù)應(yīng)力損失，兩次試驗(yàn)人工擰緊螺母的力存在差別，造成試驗(yàn)結(jié)果偏差。

3)試驗(yàn)裝置：由圖3,圖4可以看到，在對(duì)螺栓進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，法蘭盤(pán)僅搭靠在支架上(鋼板或木板)，沒(méi)有對(duì)法蘭盤(pán)進(jìn)行有效固定。在試驗(yàn)過(guò)程中，可能存在法蘭盤(pán)水平錯(cuò)動(dòng)及豎向變形，從而導(dǎo)致螺栓的預(yù)應(yīng)力損失。

4)法蘭盤(pán)表面平整度：法蘭盤(pán)表面越平整，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響越小，反之，越大。

5)試驗(yàn)樣本：本次試驗(yàn)M24,M30規(guī)格的螺栓各三組，樣本較少，試驗(yàn)結(jié)果的離散性和有效性不好判斷。

4 預(yù)拉力設(shè)計(jì)值校核

根據(jù)桐鄉(xiāng)廣播電視發(fā)射塔高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力試驗(yàn)結(jié)果可知，M24,M30高強(qiáng)螺栓的預(yù)應(yīng)力損失較大。為了符合塔柱剛性連接的設(shè)計(jì)假定，設(shè)計(jì)考慮了高強(qiáng)螺栓的預(yù)應(yīng)力損失，對(duì)法蘭連接重新進(jìn)行了核算，確保在采用直接張拉法、施工預(yù)拉力為1.2P的條件下，實(shí)際工作時(shí)高強(qiáng)螺栓保持處于預(yù)應(yīng)力仍有效的狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

本工程試驗(yàn)結(jié)果顯示，長(zhǎng)徑比較小的高強(qiáng)螺栓采用直接張拉法效果并不理想，但直接張拉法已在許多工程中得到較好的應(yīng)用，如河南廣播電視塔、山東臨沂電視塔、風(fēng)力發(fā)電塔等[6]。隨著工程師對(duì)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步研究以及新規(guī)范的實(shí)施，高強(qiáng)螺栓采用直接張拉法會(huì)越來(lái)越多的應(yīng)用在不同的工程中。建議在設(shè)計(jì)同類項(xiàng)目時(shí)，針對(duì)螺栓螺桿的有效長(zhǎng)度、螺栓擰緊方式、法蘭盤(pán)形式、液壓張拉器的改進(jìn)等問(wèn)題做進(jìn)一步研究，以找到更經(jīng)濟(jì)、合理、有效的預(yù)拉力施工方法和預(yù)應(yīng)力損失控制手段；針對(duì)長(zhǎng)徑比較小的高強(qiáng)螺栓，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮預(yù)應(yīng)力損失，控制高強(qiáng)螺栓承受的拉力值，留有足夠的余量，保證結(jié)構(gòu)安全。