輸電鐵塔雙螺母防松螺栓橫向振動(dòng)試驗(yàn)研究

楊風(fēng)利，李 正，張大長(zhǎng)，朱彬榮，王旭明

(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100055；2.南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210009)

輸電線路實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在持續(xù)強(qiáng)風(fēng)或舞動(dòng)作用下，輸電鐵塔極少發(fā)生桿件或螺栓疲勞破壞的情況，橫擔(dān)桿件斷裂主要是由于螺栓在持續(xù)交變荷載作用下發(fā)生松脫造成的，某強(qiáng)舞動(dòng)區(qū)500 kV輸電鐵塔橫擔(dān)節(jié)點(diǎn)螺栓松脫及橫擔(dān)損壞情況如圖1所示。輸電鐵塔橫擔(dān)節(jié)點(diǎn)的螺栓發(fā)生松脫后，預(yù)緊力減小或消失，將無(wú)法起到連接桿件的作用，在舞動(dòng)或持續(xù)風(fēng)振作用下螺桿與角鋼孔壁撞擊，進(jìn)而導(dǎo)致螺桿剪斷或孔壁斷裂，最終引起橫擔(dān)損壞甚至鐵塔整體倒塌。

有關(guān)輸電鐵塔桿件風(fēng)振疲勞的研究較多，而風(fēng)振、舞動(dòng)等動(dòng)力荷載作用下螺栓連接的松脫、斷裂性能研究較少。白海峰等[1]結(jié)合輸電鐵塔的結(jié)構(gòu)和環(huán)境荷載的概率分布特征，以結(jié)構(gòu)疲勞損傷和設(shè)計(jì)使用壽命為控制條件，提出了環(huán)境荷載作用下鐵塔結(jié)構(gòu)疲勞損傷或破壞的可靠度分析方法。瞿偉廉等[2]依據(jù)輸電鐵塔塔身主材法蘭連接節(jié)點(diǎn)風(fēng)致響應(yīng)的特點(diǎn)，推導(dǎo)了塔身主材節(jié)點(diǎn)風(fēng)致應(yīng)變響應(yīng)方差的歸一化公式，通過(guò)小波變換分析實(shí)現(xiàn)了螺栓脫落損傷位置的有效識(shí)別。汪之松等[3]基于線性疲勞累積損傷理論，在時(shí)域和頻域討論了輸電鐵塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)振疲勞壽命，提出了輸電鐵塔風(fēng)振疲勞壽命的估算方法。

圖1 節(jié)點(diǎn)螺栓松脫及橫擔(dān)損壞Fig.1 Loosening bolted joints and the damaged cross-arm

機(jī)械行業(yè)在螺栓防松性能方面開(kāi)展了較為廣泛的研究，橫向振動(dòng)試驗(yàn)和有限元仿真模擬是研究螺栓防松性能的兩個(gè)重要手段。Junker[4]首先注意到橫向荷載比軸向荷載更易引起螺栓松動(dòng)，GB/T 10431—2008《緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)方法》所采用的試驗(yàn)機(jī)便是由Junker試驗(yàn)機(jī)改進(jìn)而來(lái)。Zadoks等[5]通過(guò)大量螺栓振動(dòng)試驗(yàn)，開(kāi)發(fā)了橫向激勵(lì)下螺栓連接自松動(dòng)現(xiàn)象的仿真模型，探討了螺栓自松動(dòng)的影響因素并預(yù)測(cè)了螺栓自松動(dòng)過(guò)程。景秀并[6]采用橫向振動(dòng)試驗(yàn)裝置對(duì)雙螺母緊固件進(jìn)行了試驗(yàn)，總結(jié)出雙螺母聯(lián)接防松效果與螺母預(yù)緊力的關(guān)系。Jiang等[7-9]通過(guò)試驗(yàn)和有限元模擬揭示了橫向循環(huán)載荷作用下螺栓的自松動(dòng)機(jī)理，認(rèn)為螺栓連接的自松動(dòng)過(guò)程由材料循環(huán)塑性變形和螺母回旋導(dǎo)致，自松動(dòng)初始狀態(tài)則取決于材料的循環(huán)塑性變形。王崴等[10-11]建立了帶螺紋的三維螺栓連接有限元模型，使用Newmark算法進(jìn)行螺栓連接橫向振動(dòng)瞬態(tài)求解，分析了不同螺距和孔隙對(duì)螺栓連接橫向振動(dòng)自松弛的影響。

輸電鐵塔連接通常采用4.8級(jí)、6.8級(jí)、8.8級(jí)鍍鋅粗制C級(jí)承壓型螺栓，可采用單螺母搭配彈簧墊片、扣緊螺母或雙螺母等防松型式。目前有關(guān)輸電鐵塔螺栓防松性能的研究較少，楊曉輝等[12]在輸電線路舞動(dòng)造成的鐵塔受損及其特征統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)影響鐵塔螺栓防松性能的各類因素進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試和分析，提出了輸電鐵塔螺栓連接選型及施工方法的提升措施和改進(jìn)建議，認(rèn)為上螺母安裝扭矩取下螺母安裝扭矩的50%時(shí)，普通雙螺母防松型式的防松性能最佳?，F(xiàn)有架空輸電線路施工及驗(yàn)收規(guī)范中規(guī)定了單螺母螺栓的施工扭矩值，但對(duì)雙螺母螺栓上、下螺母的扭矩值未作出規(guī)定。國(guó)內(nèi)機(jī)械行業(yè)常用的螺栓安裝方法是先使用80%的安裝扭矩?cái)Q緊副螺母，再用 100%的安裝扭矩?cái)Q緊主螺母；而國(guó)外則是先用25%～50%的安裝扭矩?cái)Q緊副螺母，然后用100%的安裝扭矩?cái)Q緊主螺母[13]。由于輸電鐵塔螺栓類型與機(jī)械行業(yè)有較大差別，加之上、下螺母安裝扭矩比例尚無(wú)定論，其雙螺母螺栓施工扭矩取值需要進(jìn)行專門(mén)研究。此外，輸電鐵塔橫擔(dān)是空間桁架結(jié)構(gòu)，在導(dǎo)線持續(xù)風(fēng)振或舞動(dòng)作用下不同位置螺栓振動(dòng)幅度及松動(dòng)程度有很大區(qū)別，需要通過(guò)橫擔(dān)橫向振動(dòng)試驗(yàn)確定易發(fā)生螺栓松脫的部位，為強(qiáng)風(fēng)區(qū)和舞動(dòng)區(qū)鐵塔螺栓節(jié)點(diǎn)防松設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)。

本文考慮變化上、下螺母扭矩比例，通過(guò)開(kāi)展“上、下螺母相同”、“上螺母厚、下螺母薄”、“上螺母薄、下螺母厚”三種型式輸電鐵塔雙螺母螺栓的橫向振動(dòng)試驗(yàn)，得到各個(gè)工況下雙螺母螺栓的預(yù)緊力時(shí)程曲線，提出輸電鐵塔雙螺母螺栓上、下螺母的最優(yōu)扭矩比例。進(jìn)行輸電鐵塔橫擔(dān)在舞動(dòng)工況下的橫向振動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)比單螺母螺栓和雙螺母螺栓的防松性能，確定螺栓松動(dòng)順序和松動(dòng)位置的分布規(guī)律。研究結(jié)果對(duì)于提高強(qiáng)風(fēng)區(qū)和舞動(dòng)區(qū)輸電鐵塔螺栓防松性能、保證輸電線路安全運(yùn)行具有重要意義。

1 螺栓節(jié)點(diǎn)橫向振動(dòng)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)概況

為驗(yàn)證輸電鐵塔雙螺母螺栓的防松效果，確定雙螺母螺栓上、下螺母的扭矩比例優(yōu)化取值，在機(jī)械工業(yè)通用零部件質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心分別進(jìn)行了采用單螺母、雙螺母的螺栓橫向振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)依據(jù)為GB/T 10431—2008《緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)方法》，該標(biāo)準(zhǔn)中推薦的試驗(yàn)頻率為12.5 Hz，考慮到輸電鐵塔螺栓節(jié)點(diǎn)的實(shí)際振動(dòng)頻率相對(duì)較小，結(jié)合試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)?zāi)芰Υ_定本次橫向振動(dòng)試驗(yàn)的加載頻率為8 Hz。采用單螺母、雙螺母的螺栓試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。每種試驗(yàn)工況包含3～5個(gè)樣本，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間4 min。單螺母初始扭矩標(biāo)準(zhǔn)值為100 N·m，安裝雙螺母螺栓時(shí)先擰下螺母、再擰上螺母。雙螺母是輸電鐵塔螺栓最常用的防松型式，包括“上、下螺母相同”、“上螺母厚、下螺母薄”、“上螺母薄、下螺母厚”三類，三類雙螺母螺栓試樣裝配如圖2所示，螺栓在橫向振動(dòng)過(guò)程中的預(yù)緊力可以通過(guò)安裝在連接板下部的壓力傳感器測(cè)得。圖中Mt和Mb分別為上螺母和下螺母的安裝扭矩，F(xiàn)為雙母螺栓安裝完成后的螺栓預(yù)緊力。

受加工工藝、表面粗糙度等因素影響，同一強(qiáng)度等級(jí)(批次)螺栓、施加相同初始扭矩時(shí)，螺栓初始預(yù)緊力也可能有較大差異，因而無(wú)法直接采用振動(dòng)過(guò)程中的預(yù)緊力來(lái)評(píng)價(jià)螺栓的防松性能。下面將采用振動(dòng)4 min后的“殘余預(yù)緊力百分比”這一無(wú)量綱指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)螺栓的防松性能，“殘余預(yù)緊力百分比”即殘余預(yù)緊力占初始預(yù)緊力的百分比，用αF表示。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

螺栓橫向振動(dòng)試驗(yàn)在安布內(nèi)科振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)上完成，試驗(yàn)過(guò)程中采集了螺栓樣本的預(yù)緊力時(shí)程曲線。單螺母螺栓5個(gè)樣本、間隔30 s的預(yù)緊力測(cè)試值見(jiàn)表2，當(dāng)振動(dòng)時(shí)間達(dá)到120 s時(shí)，其中3個(gè)試驗(yàn)樣本的預(yù)緊力接近0值，即螺栓處于或接近完全松脫狀態(tài)。單螺母螺栓單個(gè)樣本預(yù)緊力及預(yù)緊力殘余百分比時(shí)程曲線如圖3所示。

圖2 雙螺母螺栓安裝型式說(shuō)明Fig.2 Instruction on the installation of double-nut bolt

表1 試驗(yàn)工況說(shuō)明Tab.1 Illustration on the test cases

表2 單螺母螺栓預(yù)緊力試驗(yàn)值Tab.2 Experimental pretensions of single-nut bolted joints kN

圖3 單螺母螺栓預(yù)緊力及殘余預(yù)緊力百分比時(shí)程曲線Fig.3 Time histories of the pretensions and the residual pretension percentages of single-nut bolted joints

表3 雙螺母螺栓預(yù)緊力試驗(yàn)值Tab.3 Experimental pretensions of double-nut bolted joints kN

普通雙螺母螺栓12個(gè)工況、間隔30 s預(yù)緊力測(cè)試值見(jiàn)表2，當(dāng)振動(dòng)時(shí)間達(dá)到4 min時(shí)，12個(gè)工況共38個(gè)試驗(yàn)樣本的殘余預(yù)緊力百分比均值為42.50%，與表1對(duì)比可知，采用普通雙螺母螺栓比單螺母螺栓可以提高螺栓殘余預(yù)緊力百分比約4.3倍。以預(yù)緊力殘余百分比40%為界限，雙螺母螺栓相對(duì)單螺母螺栓可延長(zhǎng)松動(dòng)時(shí)間2倍以上。由表2可知，對(duì)于“上、下螺母相同”(工況2-1～工況2-4)、“上螺母厚、下螺母薄”(工況2-5～工況2-8)、“上螺母薄、下螺母厚”(工況2-9～工況2-12)三種類型的普通雙螺母型式，扭矩比例為“下螺母25%、上螺母100%”時(shí)，三種類型普通雙螺母振動(dòng)4 min后殘余預(yù)緊力最大，振動(dòng)4 min后殘余預(yù)緊力百分比分別為66.3%、40.29%和52.10%。由表2可知，三種類型普通雙螺母型式扭矩比例取“下螺母25%、上螺母100%”與取“下螺母100%、上螺母100%”相比，振動(dòng)4 min后的預(yù)緊力殘余百分比分別提高40.5%、40.8%和91.9%。

“上、下螺母相同”、“上螺母厚、下螺母薄”、“上螺母薄、下螺母厚”工況樣本預(yù)緊力均值Fave及預(yù)緊力殘余百分比均值αF-ave的時(shí)程曲線如圖4～圖6所示?？梢钥闯觯?dāng)扭矩比例取“下螺母25%、上螺母100%”時(shí)(工況2-4、工況2-8和工況2-12)，三種類型雙螺母螺栓的殘余預(yù)緊力百分比時(shí)程曲線衰減最為緩慢，且振動(dòng)4 min后的殘余預(yù)緊力百分比最大。

圖4 “上、下螺母相同”螺栓預(yù)緊力及殘余預(yù)緊力百分比時(shí)程曲線Fig.4 Time histories of the pretensions and the residual pretension percentages of the bolted joints with two equivalent nuts

圖5 “上螺母厚、下螺母薄”螺栓預(yù)緊力及殘余預(yù)緊力百分比時(shí)程曲線Fig.5 Time histories of the pretensions and the residual pretension percentages of the bolted joints with top thick nut and bottom thin nut

圖6 “上螺母薄、下螺母厚”螺栓預(yù)緊力及殘余預(yù)緊力百分比時(shí)程曲線Fig.6 Time histories of the pretensions and the residual pretensionpercentages of the bolted joints with top thin nut and bottom thick nut

2 輸電鐵塔橫擔(dān)橫向振動(dòng)真型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)概況

以發(fā)生舞動(dòng)破壞的某500 kV耐張塔橫擔(dān)為試驗(yàn)對(duì)象，開(kāi)展舞動(dòng)工況下單、雙螺母兩種連接型式的反復(fù)加載對(duì)比試驗(yàn)，導(dǎo)線舞動(dòng)頻率0.1 Hz，基于駐波法計(jì)算得到導(dǎo)線舞動(dòng)時(shí)的縱向不平衡張力幅值為120 kN[14]，采用正弦波形式加載；垂直方向恒載15 kN，采用配重法加載。舞動(dòng)工況下橫擔(dān)加載情況見(jiàn)圖7，橫擔(dān)中螺栓預(yù)緊力傳感器布置及編號(hào)如圖8所示。由于導(dǎo)線舞動(dòng)機(jī)理較為復(fù)雜，且舞動(dòng)強(qiáng)度與風(fēng)、覆冰、結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素相關(guān)，實(shí)際舞動(dòng)荷載可能與本文計(jì)算值有一定差異，以下試驗(yàn)所得螺栓松動(dòng)的加載次數(shù)主要用于雙螺母和單螺母防松性能的對(duì)比。

圖7 橫擔(dān)加載照片F(xiàn)ig.7 Photo of the experimental cross arm

圖8 預(yù)緊力傳感器布置Fig.8 Distribution of the pretension sensors

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)單螺母螺栓振動(dòng)試驗(yàn)

在縱向不平衡張力幅值為120 kN的舞動(dòng)荷載作用下，橫擔(dān)部分桿件連接螺栓逐漸松動(dòng)，端部水平位移逐漸增大，位移幅值變化情況如表4所示，加載至240次時(shí)，橫擔(dān)端部位移增加了72.45%，部分構(gòu)件連接螺栓已經(jīng)完全松動(dòng)。舞動(dòng)荷載作用下，幾乎所有出現(xiàn)松動(dòng)的螺栓均位于橫擔(dān)下平面，橫擔(dān)下平面典型構(gòu)件編號(hào)和相應(yīng)位置螺栓發(fā)生松脫時(shí)的加載次數(shù)如圖9所示，其中A、B為橫擔(dān)下平面主材，C～F為橫擔(dān)下平面斜材，G、H為橫擔(dān)下平面掛點(diǎn)處斜材，I、J為橫擔(dān)下平面輔助材，K為橫擔(dān)下平面掛點(diǎn)處水平材。圖中序號(hào)“①～⑥”表示試驗(yàn)中螺栓松脫的先后順序，序號(hào)后的數(shù)字為該螺栓松脫時(shí)的荷載循環(huán)加載次數(shù)，橫擔(dān)下平面其余構(gòu)件連接螺栓在加載結(jié)束時(shí)均未發(fā)現(xiàn)明顯的松脫。斜材G與掛點(diǎn)板連接螺栓、掛點(diǎn)處斜材H與桿件K連接螺栓的松脫照片見(jiàn)圖10。導(dǎo)線舞動(dòng)不平衡張力作用下橫擔(dān)上平面及側(cè)面桿件受力較小，桿件軸向荷載小于其與螺母之間的摩擦力，螺栓不會(huì)發(fā)生往復(fù)移動(dòng)，因而橫擔(dān)上平面和左右兩側(cè)面各桿件的連接螺栓均未發(fā)生松動(dòng)現(xiàn)象。

表4 橫擔(dān)端部位移幅值(單螺母螺栓)Tab.4 Displacement amplitudes at the cross arm end with single-nut bolts

圖9 舞動(dòng)工況作用下橫擔(dān)下平面螺栓松動(dòng)順序分布Fig.9 The loosening order of the bolted joints at the bottom plane of the cross arm under galloping load

圖10 典型螺栓松脫照片F(xiàn)ig.10 Photos of the typical loosening bolts

橫擔(dān)下平面斜材-掛點(diǎn)板連接螺栓預(yù)緊力變化曲線如圖11所示，試驗(yàn)加載至140次時(shí)，橫擔(dān)下平面斜材H與掛點(diǎn)板連接螺栓M20-3預(yù)緊力由20.62 kN降至0kN，最先松脫；加載至160次時(shí)，斜材H另一端連接螺栓M20-1松脫，預(yù)緊力由20.71 kN降至0 kN；加載至180次時(shí)，斜材E與掛點(diǎn)板連接螺栓M20-7松脫，預(yù)緊力由20.28 kN降至0 kN；斜材F與加載端掛點(diǎn)板連接螺栓M20-8未完全松脫，加載結(jié)束時(shí)預(yù)緊力由20.25 kN下降至13.04 kN，下降幅度為35.58%。

圖11 單螺母螺栓預(yù)緊力曲線Fig.11 Time histories of the pretensions on the single-nut bolts

(2)雙螺母螺栓振動(dòng)試驗(yàn)

將橫擔(dān)下平面主材、斜材的連接螺栓均改為雙螺母型式。由“單螺母型式”振動(dòng)試驗(yàn)可知，橫擔(dān)下平面輔助材、側(cè)面和上平面桿件連接螺栓受舞動(dòng)工況影響較小，所以這部分螺栓仍采用單螺母型式。舞動(dòng)工況下“雙螺母型式”位移幅值變化情況如表5所示，加載至1 200次時(shí)，橫擔(dān)端部位移增加了62.89%，部分桿件連接的螺栓已經(jīng)完全松動(dòng)。

橫擔(dān)下平面斜材-掛點(diǎn)板連接螺栓的預(yù)緊力變化情況如圖12所示，試驗(yàn)加載至600次時(shí)，螺栓M20-3預(yù)緊力由20.40 kN降至0 kN，最先松脫；斜材H另一端螺栓M20-1未松脫，加載結(jié)束時(shí)預(yù)緊力下降了約4%。加載至700次時(shí)，斜材E與掛點(diǎn)板連接螺栓M20-7松脫，預(yù)緊力由20.81 kN降至0 kN；斜材F與加載端掛點(diǎn)板連接螺栓M20-8幾乎未松動(dòng)，預(yù)緊力由20.62 kN降至19.29 kN，下降幅度約6.5%。對(duì)比圖11可知，采用雙螺母螺栓后，橫擔(dān)下平面螺栓節(jié)點(diǎn)防松性能顯著提高，螺栓發(fā)生松動(dòng)時(shí)的舞動(dòng)不平衡張力加載次數(shù)增加了近3倍。

表5 橫擔(dān)端部位移幅值(雙螺母螺栓)Tab.5 Displacement amplitudes at the cross arm end with double-nut bolts

圖12 雙螺母螺栓預(yù)緊力曲線Fig.12 Time histories of the pretensions on the double-nut bolts

3 結(jié) 論

本文通過(guò)開(kāi)展輸電鐵塔螺栓節(jié)點(diǎn)和足尺橫擔(dān)模型的橫向振動(dòng)試驗(yàn)研究，提出了雙螺母螺栓上、下螺母安裝扭矩比例的優(yōu)化值，確定了鐵塔橫擔(dān)螺栓松動(dòng)順序和松動(dòng)位置分布規(guī)律。主要結(jié)論如下：

(1)下螺母安裝扭矩取上螺母安裝扭矩的25%時(shí)，普通雙螺母的防松性能最佳。對(duì)于“上下螺母相同”、“上螺母厚、下螺母薄”、“上螺母薄、下螺母厚”三種普通雙螺母型式，扭矩比例為“下螺母25%、上螺母100%”時(shí)，三種類型雙螺母振動(dòng)4 min后的殘余預(yù)緊力最大，與扭矩比例取“下螺母100%、上螺母100%”相比，振動(dòng)4 min后的預(yù)緊力殘余百分比分別提高40.5%、40.8%和91.9%。

(2)導(dǎo)線舞動(dòng)不平衡張力作用下，輸電鐵塔橫擔(dān)上平面和兩個(gè)側(cè)面連接螺栓基本不發(fā)生松脫，橫擔(dān)下平面是螺栓易發(fā)生松動(dòng)的薄弱環(huán)節(jié)，其中下平面主材與固定端連接螺栓、橫擔(dān)端部掛點(diǎn)處桿件連接螺栓的松脫現(xiàn)象最為嚴(yán)重，建議設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)一步提高橫擔(dān)主材及下平面斜材連接螺栓的防松性能。

參 考 文 獻(xiàn)

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