基于材料特性解決錨栓緊固問(wèn)題的應(yīng)用研究

朱彥斌 ZHU Yan-bin；劉東東 LIU Dong-dong

（①中國(guó)電建集團(tuán)河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，鄭州450007；②中國(guó)電建集團(tuán)河南工程有限公司，鄭州450001）

0 引言

當(dāng)個(gè)別錨栓由于安裝過(guò)程中預(yù)留長(zhǎng)度不足，不能滿足液壓拉伸器進(jìn)行張拉條件，如果采用扭矩法緊固錨栓，由于控制精度不高，將導(dǎo)致錨栓應(yīng)力分布不均，易造成在螺紋連接部位等應(yīng)力集中處形成裂紋。通過(guò)風(fēng)機(jī)工程的設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)立式風(fēng)機(jī)中錨栓及鋼筋混凝土的受力應(yīng)變狀態(tài)關(guān)系進(jìn)行分析計(jì)算，得出上述材料的受力強(qiáng)度均低于其對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度，遵從胡克定律，錨栓及其它材料的應(yīng)力和應(yīng)變呈現(xiàn)出線性的相互關(guān)系，從而提出通過(guò)伸長(zhǎng)量法解決風(fēng)機(jī)錨栓預(yù)留長(zhǎng)度不足的緊固問(wèn)題。

1 問(wèn)題描述

1.1 項(xiàng)目概況

該大型風(fēng)電場(chǎng)的廠址位于河南省周口市，本期安裝20臺(tái)2.5MW的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)為一個(gè)圓柱形臺(tái)階重力式擴(kuò)展鋼筋混凝土基礎(chǔ)，單臺(tái)風(fēng)機(jī)混凝土方量為638m3，標(biāo)號(hào)為C40，錨盤(pán)間混凝土的厚度為4400mm。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)正面剖視圖

錨栓規(guī)格為M48×4800（A型），螺母厚度為38mm，螺距5mm，總數(shù)192根，安裝圖紙要求錨栓露出基礎(chǔ)頂面的長(zhǎng)度為265±1.5mm。錨栓采用高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼42CrMoA，等級(jí)為8.8級(jí)，屈服強(qiáng)度為640MPa，彈性模量為206GPa。墊片厚度為8mm，外徑92mm，內(nèi)徑49.4mm，總面積4728.6mm2。錨盤(pán)的外徑4725mm，內(nèi)徑3805mm，總面積6.16m2。塔筒法蘭外徑4625mm，內(nèi)徑3905mm，總面積4.83m2。采用無(wú)粘結(jié)后張法施工工藝，錨栓緊固的預(yù)拉力為680kN，超張拉系數(shù)為1.15。錨栓組件如圖2所示。

圖2 錨栓組件圖

1.2 問(wèn)題描述

由于安裝質(zhì)量控制不嚴(yán)，造成錨栓整體露出基礎(chǔ)頂面的長(zhǎng)度均低于設(shè)計(jì)值。其中連續(xù)34顆（塔筒內(nèi)、外側(cè)各17顆）錨栓露出長(zhǎng)度僅為206-227mm，低于設(shè)計(jì)值38-44mm，導(dǎo)致液壓拉伸器套扣在錨栓上的絲扣長(zhǎng)度過(guò)短造成絲扣損壞。若不及時(shí)解決此問(wèn)題，將影響該風(fēng)機(jī)的正常吊裝。

2 方案制定

2.1 方案分析

經(jīng)與風(fēng)機(jī)制造廠、錨栓加工廠、監(jiān)理、吊裝等相關(guān)單位共同研究，分析了錨栓達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)緊力后錨栓及混凝土的應(yīng)變狀態(tài)，以及對(duì)液壓拉伸預(yù)緊法、扭矩法緊固錨栓的特點(diǎn)和控制誤差進(jìn)行分析，確定采取使用電動(dòng)定值扭矩扳手緊固錨栓，通過(guò)測(cè)量螺栓露出錨板的伸長(zhǎng)量進(jìn)行控制的方案。

2.1.1 材料的應(yīng)變狀態(tài)

①錨栓的張拉強(qiáng)度

式中：Pm-單根錨栓的抗拉強(qiáng)度；Q0-預(yù)緊力；As-錨栓有效應(yīng)力截面積1470mm2[4]。

②混凝土的抗壓強(qiáng)度

式中：Ph-錨盤(pán)的抗壓強(qiáng)度；N-錨盤(pán)承受的總荷載；Am-錨盤(pán)的面積。

③結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果判定，錨栓和混凝土在達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)緊力時(shí)均處于彈性變形階段。

2.1.2 緊固方式的控制精度

①扭矩法。

扭矩控制方法是最常見(jiàn)的一種螺栓擰緊方法，它具有扭矩控制簡(jiǎn)單、直接的特點(diǎn)，但是由于夾緊力受摩擦系數(shù)的變化影響較大，所以當(dāng)扭矩已經(jīng)達(dá)到了規(guī)定的數(shù)值時(shí)，不能夠確保軸向力也已經(jīng)達(dá)到了規(guī)定的數(shù)值。因此，通過(guò)扭矩來(lái)控制預(yù)緊力的精度不高，其控制精度的誤差約為士25%。

②液壓拉伸預(yù)緊法。

使用電動(dòng)液壓拉伸器給錨栓施加預(yù)定拉力使之伸長(zhǎng)，然后旋緊錨栓螺母，撤去液壓拉伸器的拉力后將在錨栓產(chǎn)生和拉力相等的預(yù)定預(yù)緊力。由于采用該種方法緊固錨栓時(shí)，不用考慮錨栓螺帽與錨桿絲扣之間產(chǎn)生的摩擦力的影響,所以該種緊固錨栓的方法適用于任何尺寸的錨栓，且均勻的壓緊塔筒法蘭和錨栓墊片，不會(huì)出現(xiàn)在緊固錨栓時(shí)發(fā)生傾斜、翹曲等問(wèn)題而影響錨栓緊固值的精確控制。

③螺栓伸長(zhǎng)量控制法。

由于錨栓緊固時(shí)產(chǎn)生的伸長(zhǎng)量?jī)H與施加在錨栓的應(yīng)力有關(guān)，與摩擦系數(shù)、接觸變形等因素的影響無(wú)關(guān)，所以通過(guò)精確測(cè)量錨桿產(chǎn)生的伸長(zhǎng)量就可以得到最高的控制精度，該種方法已被廣泛地應(yīng)用在重要工作場(chǎng)合的螺栓法蘭連接的預(yù)緊力控制。如果測(cè)量方法和操作步驟正確，錨栓緊固的精度誤差可以控制在士5%以?xún)?nèi)。

通過(guò)以上分析，采用螺栓伸長(zhǎng)量控制法獲得的控制精度是最高的。

2.2 方案制定

錨栓承受75%和100%的預(yù)緊力時(shí)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的扭矩M0.75和M。

錨栓承受75%和100%的預(yù)緊力時(shí)，計(jì)算出錨栓的伸長(zhǎng)量。

第一節(jié)塔筒吊裝完成后，均勻安裝螺帽后測(cè)量34顆錨栓露出基礎(chǔ)頂面的初始長(zhǎng)度。采用電動(dòng)液壓定值力矩扳手緊固至扭矩M0.75，第二次測(cè)量錨栓露出基礎(chǔ)頂面的長(zhǎng)度，計(jì)算出伸長(zhǎng)量。

風(fēng)機(jī)吊裝完成后，采用電動(dòng)液壓定值力矩扳手緊固至扭矩M，第三次測(cè)量錨栓露出基礎(chǔ)頂面的長(zhǎng)度。

2.3 理論計(jì)算

2.3.1 螺栓擰緊力矩與擰緊力關(guān)系

式中：M0.75和M-錨栓擰緊時(shí)的公稱(chēng)力矩；kt-力系數(shù)，與螺紋材料、表面的光潔度、潤(rùn)滑狀態(tài)等因素有關(guān)，通常取0.1-0.3；Q0-錨栓預(yù)緊時(shí)施加的設(shè)計(jì)張力值；d-錨栓的公稱(chēng)直徑。

2.3.2 總伸長(zhǎng)量計(jì)算與分析

①螺栓伸長(zhǎng)量與擰緊力關(guān)系[2]：

式中：ΔLm0.75和ΔLm-錨栓拉伸后的伸長(zhǎng)值；Q0-錨栓預(yù)緊時(shí)施加的設(shè)計(jì)張力值；Lm-錨栓的長(zhǎng)度；E-錨栓的彈性模量；As-錨栓的有效應(yīng)力截面積。

②混凝土的壓縮量。

式中：ΔLh0.75和ΔLh-混凝土壓縮量；N-壓力總荷載；Lh-混凝土厚度；Am-錨盤(pán)的面積；Ec-混凝土的彈性模量32.5GPa[5]。

③塔筒法蘭及錨板壓縮量。

式中：ΔLf0.75和ΔLf-構(gòu)件壓縮量；Q0-預(yù)緊力；Lf-法蘭、墊片和錨盤(pán)的總厚度；Ad-錨栓墊片的面積；E-法蘭的彈性模量。

④錨栓總伸長(zhǎng)量。

2.3.3 測(cè)量方案

為確保測(cè)量的精度，使用DS03型高精密自動(dòng)找平水準(zhǔn)儀（配套銦瓦尺）。該測(cè)量器具采用數(shù)字液晶顯示，最小讀數(shù)為0.01mm，千米往返測(cè)量偏差≤0.3mm。測(cè)量點(diǎn)的位置選取錨栓頂端、塔筒法蘭上平面。初始測(cè)量：第一節(jié)塔筒吊裝后，對(duì)錨栓進(jìn)行均勻的緊固，使螺帽緊貼墊片。第二次測(cè)量：緊固力矩達(dá)到設(shè)定的M0.75后，對(duì)伸長(zhǎng)量測(cè)量。第三次測(cè)量：風(fēng)機(jī)設(shè)備吊裝完成后，緊固力矩達(dá)到設(shè)定的M后對(duì)伸長(zhǎng)量進(jìn)行測(cè)量。

2.4 方案實(shí)施

2.4.1 伸長(zhǎng)總量對(duì)比表

通過(guò)扭矩法分別對(duì)預(yù)應(yīng)力錨栓分別施加75%和100%的預(yù)緊力，分別測(cè)得對(duì)應(yīng)的預(yù)應(yīng)力錨栓伸長(zhǎng)量，如表1所示。

表1 錨栓伸長(zhǎng)量對(duì)比表

2.4.2 偏差率對(duì)比表

通過(guò)實(shí)際伸長(zhǎng)量的平均值、最小值、最大值分別計(jì)算出相對(duì)理論計(jì)算值的偏差率，如表2所示。

表2 變差率對(duì)比表

2.4.3 結(jié)果分析

75%預(yù)緊力階段，受混凝土密實(shí)度的不均勻性、錨盤(pán)與塔筒法蘭結(jié)接觸面加工精度的影響，偏差率＜±4.86%；100%預(yù)緊力階段，受上述影響因素減小，偏差率＜±3.1%。平均值偏差率均較小，接近理論計(jì)算值。

2.4.4 注意事項(xiàng)

①作業(yè)前檢查有關(guān)測(cè)量器具是否在檢驗(yàn)有效期內(nèi)，以及測(cè)量人員持證上崗，減少設(shè)備和人員帶來(lái)的測(cè)量差。②塔筒吊裝前，對(duì)錨栓的絲扣部分進(jìn)行除銹并均勻涂抹油脂，減少螺母與絲扣間的摩擦力，并對(duì)錨栓進(jìn)行測(cè)量編號(hào)。③塔筒吊裝后，對(duì)錨栓螺母進(jìn)行初緊固，減少塔筒與錨板間的空隙，減少測(cè)量誤差。④由于每個(gè)錨栓的實(shí)際力系數(shù)kt并不相同，當(dāng)錨栓伸長(zhǎng)的測(cè)量偏差超過(guò)±5%時(shí)，應(yīng)調(diào)整扭矩扳手的定值進(jìn)行緊固力矩的調(diào)整。

3 結(jié)論

通過(guò)不同材料在應(yīng)力狀態(tài)下的伸長(zhǎng)量或壓縮量的理論計(jì)算，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明最大偏差值滿足風(fēng)機(jī)錨栓緊固的控制精度要求，平均值與理論計(jì)算值較為接近，說(shuō)明采用錨栓伸長(zhǎng)量控制錨栓緊固精度的方法合理可行。