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1、高强度螺栓在江阴长江大跨越铁塔设计中的应用刘沪昌 杨元春（华东电力设计院 上海 200063）【摘要】500kV江阴长江大跨越铁塔的设计荷载特别巨大，构件和节点连接全部采用了8.8级高强度螺栓。本文结合大跨越铁塔设计，对高强度螺栓的选择、紧固扭矩值的确定、螺栓的质量检验、螺栓的剪切试验等情况做了比较详细的论述。【关键词】江阴长江大跨越 高强度螺栓 紧固扭矩 剪切试验500kV江阴长江大跨越工程全长3703m，单跨长度2303m，由两基总高346.5m的双回路跨越塔和四基高度55m的单回路干字型耐张塔组成。由于跨越塔高度位居世界第一，设计荷载特别巨大，为了满足构件和节点连接的强度要求，同时达到减
2、小节点板尺寸，降低结构风荷载的目的，跨越塔设计中全部采用了8.8级的高强度螺栓。目前，我国正在大力研究和设计1000kV特高压输电线路，铁塔的设计荷载较500kV有了大幅度提高，结构也更加大型化，采用高强度螺栓已成必然趋势。作者结合江阴大跨越设计，对高强度螺栓的选择、紧固扭矩值的确定、螺栓质量的控制、以及螺栓剪切试验的情况作如下介绍，希望能够起到抛砖引玉的作用。1高强度螺栓的选择铁塔连接使用的螺栓有普通螺栓和高强度螺栓之分。普通螺栓一般抗拉强度和屈强比都比较低，加工、成型、热处理都比较方便，酸洗、热镀锌过程中不太会出现氢脆等不良现象，因此，螺栓质量比较容易得到保证。但是，普通螺栓的抗拉和抗剪强
3、度都比较低，如果用到构件内力特别巨大的江阴大跨越铁塔结构上，不仅螺栓数量太多，节点板的尺寸很大，增加了塔身风载，而且由于螺栓接头很长，螺栓受力将很不均匀，可能会导致节点连接“解扣破坏”。因此，普通螺栓很难满足大跨越铁塔设计的要求。随着我国钢材冶炼和机械加工水平的迅速提高，建筑钢结构已比较广泛采用高强度螺栓。高强度螺栓有摩擦型和承压型两种型式，由于输电铁塔均采用热镀锌防腐，连接面之间较难进行表面处理，所以跨越塔采用承压型螺栓比较适合。高强度螺栓的最大优点是抗拉和剪切强度很高，连接螺栓的数量可以大幅减少，缩小了节点尺寸，减少了塔身风载，保证螺栓受力的均匀性。但是，由于强度很高，保证螺栓质量的难度相
4、应增大，特别是在酸洗、热镀锌过程中容易出现氢脆等不良现象，可能对铁塔结构的安全产生隐患。为了确保大跨越塔的安全可靠性，对国内外高强度螺栓的强度等级和使用情况专门进行了调查与分析。调查分析情况见表1。各国高强度螺栓使用情况一览表表1 国名标准名称螺栓类别强度等级屈服点（MPa）抗拉强度（MPa）中国GB/T 3098.12000GB/T 3098.12000GB/T 3098.120008.89.810.98.89.810.96407209008009001000美国ASTM A325ASTM A490A325A4908.810.96208808441055德国DIN26710K10.99001
5、0001200日本JISB1861979F8TF10TF11T8.810.912.964090095080010001000120011001300ISOISO 89818.89.810.98.89.810.96407209008009001000上表显示高强度螺栓已在世界钢结构建筑行业内广泛使用，各国都制定了相应的技术标准，强度等级通常为8.8级12.9级。但是，对于高强度螺栓的热镀锌问题一直受到业内专家的关注，特别是镀锌高强度螺栓的适用性问题，更加引起有关专家的重视。美国John W.Fisher和John H.A.Struik合著的“螺栓和铆钉设计准则指南”一书对此作了专门研究，并明确指
6、出：“虽然镀锌能对螺栓抗腐蚀有很好的保护，但是会增加应力腐蚀和氢应力裂纹的敏感性。特别是用于镀锌的A490螺栓。所以，结论是镀锌的A490螺栓不应该在结构物上使用”。上述美国A490螺栓的强度等级相当于10.9级。江阴大跨越铁塔在选择螺栓时充分注意到螺栓专家的结论意见，同时考虑到国内生产10.9级镀锌螺栓的经验非常缺乏，而且在工程使用中曾发生过断裂事故，决定选用强度等级较高，生产和使用经验较多，质量比较可靠的8.8级高强度螺栓。2紧固扭矩值的确定输电铁塔螺栓紧固扭矩的大小，一方面关系铁塔连接部件之间的紧密程度，另一方面直接影响螺栓的受力状态和承载力。扭矩太小，连接件之间不能紧密接触，铁塔整体变
7、形和刚度都将受到影响；扭矩太大，螺栓抗剪的能力将降低，严重时螺栓将被拧断，特别是出现隐性裂纹时很难发现，将给铁塔强度留下很大隐患。因此，选择一个合理的紧固扭矩值非常必要，对确保跨越塔的安全和可靠性大有好处。我国“110500kV架空电力线路施工及验收规范”规定的螺栓紧固扭矩标准见表2。螺栓紧固扭矩标准表2 螺栓规格扭矩值（N.cm）M124000M168000M2010000M2425000但是，表2的扭矩值主要适用于4.8级螺栓，按验收规范要求，更高级别的螺栓扭矩值要由设计规定。为科学合理确定螺栓的紧固扭矩，对各国有关螺栓紧固扭矩标准进行了调查，相关情况见表3。各国螺栓紧固扭矩标准表3 单位
8、：N.cm螺 栓 规 格意 大 利美 国加 拿 大M124200400060005500M161060080001000011000M2020600135002000016500M2435600325004600034500表3给出的欧美国家的螺栓紧固扭矩值明显高于我国。根据美国螺栓专家的研究，螺栓的剪切承载力与同时作用在螺栓上的拉力大小有关，根据试验资料，螺栓剪切承载力与拉力的关系如图1所示：图1 螺栓剪切承载力与抗拉承载力关系图上图显示，当螺栓作用的拉力小于40抗拉强度时，剪切承载力降低的幅度比较小，当拉力大于40抗拉强度时剪切承载力降低的速率逐步加大，当拉力大于60抗拉强度，剪切承载力迅
9、速下降。江阴大跨越铁塔8.8级高强度螺栓，开始时参考欧美国家的标准，推荐了表4的螺栓紧固扭矩值。这个数值比我国输电线路验收规范规定的4.8级螺栓的紧固扭矩值有较大幅度的提高。推荐的螺栓紧固扭矩值表4 螺 栓 规 格扭 矩 值 （N.cm）M161060015900M201650024750M243450051750M304500067500为了验证螺栓在推荐紧固扭矩下，螺栓中出现的拉力是否小于40的抗拉强度，在上海高强度螺栓厂，按照推荐值的上限和下限值分别进行了螺栓扭矩试验，试验结果见表5。螺栓扭矩、拉力试验数据表表5 试 件 号螺栓拉力值（kN）M16M20M24M30扭矩值N.cm扭矩值N
10、.cm扭矩值N.cm扭矩值N.cm1060015900165002475034500517504500067500150766186871339213224964558894134741273425961979714996136平均值47.066.359.090.392.6138.687.3131.6规范8.8级螺栓抗拉强度125203293466拉力/抗拉强度37.653.02944.531.646.618.728.2从试验结果分析，推荐的M16、M20、M24的扭矩值上限值稍许偏高，螺栓中的拉力值超过了抗拉强度的40，为此对扭矩值的上限作了适当调整，调整后用于工程的螺栓扭矩值见表6。采用调
11、整后的紧固扭矩值，在铁塔安装检测和验收中没有发现螺栓被拧断和出现裂缝的现象，铁塔构件之间的接触比较紧密，保证了工程质量。工程实际使用的螺栓紧固扭矩值表6 螺栓规格扭矩值（N.cm）M161060014500M201650021000M243450041500M3045000540003 高强度螺栓的检验高强度螺栓，特别是镀锌高强度螺栓，在酸洗、镀锌过程中比较容易产生氢脆等质量缺陷，直接威胁到铁塔连接和结构强度的安全性和可靠性。为了保证高强度螺栓的质量，根据国际紧固件标准ISO 898和我国标准GB90紧固件验收检查，标志与包装的有关规定，要求江阴大跨越塔使用的高强度螺栓必须按供货批次进行硬度、
12、楔负载、保载和镀层厚度等试验。每批试验的样本数量为6个，试验必需在具有试验资质的第三方的实验室内进行。经与供货商和螺栓制造厂反复磋商，最终选择上海市紧固件和焊接材料技术研究所检测中心作为江阴大跨越高强度螺栓的第三方检测单位。大跨越使用的8.8级螺栓的硬度、楔负载、保载和镀层厚度试验的结果见表7。检测结果全部符合质量标准的要求。高强度螺栓检测试验结果表7 检验项目螺栓规格标准规定检测结果硬度试验（HRC）M16223232.031.531.532.032.032.0M20233431.532.030.031.032.031.5M24233431.531.532.029.531.031.5M302
13、33429.028.031.028.028.028.5楔负载试验（kN）M16126144136138140140144M20203234230232238236236M24293364370376370370372M30466490498494500496498保载试验（mm）M16不大于12.5233121M20233224M24533452M30423122镀层厚度（mm）M1663807580808585M20807580808585M24757880807885M30757578788078高强度螺栓的检查对保证铁塔的质量和安全至关重要。在已建的500kV铁塔施工中已经发生过多次螺栓
14、断裂的质量事故，主要原因是原材料存在质量缺陷和加工工艺控制不当，出厂前没有在第三方进行质量抽样检验，造成了较为严重的后果。由于江阴大跨越螺栓在出厂前进行了质量抽样检验，当其他工程出现螺栓质量事故后，对江阴大跨越施工工地的螺栓进行了随机抽样复检时，所有测试结果全部合格，保证了江阴大跨越的工程质量。4 高强度螺栓的剪切试验我国的紧固件验收标准中，对螺栓的剪切强度没有检测要求。但是，在美国输电铁塔螺栓标准A394中，规定应按供货按批次进行螺栓剪切强度试验。考虑到江阴大跨越的重要性，在铁塔招标文件中提出了对螺栓进行剪切试验的要求。经与供应商和螺栓制造厂商定，螺栓的剪切试验在上海同济大学实验室进行。试验
15、规格包括M16，M20，M24，M30等四种直径，每种规格各有3个试件，试验结果见表8。从试验结果看出，实际供应的螺栓抗剪切强度均能够满足设计要求，而且有较大的安全储备。螺栓剪切试验数据表表8 螺栓规格螺栓面积（mm2）极限承载力（kN）极限强度（MPa）理论值试验值理论值试验值M161201.019925123949662459422526273213530M201314.031138037560559823806053366583M241452.244961459467965625846453584645M301706.570188885762860628445973838593注：表8为
16、双剪试验数据。5 结论在江阴大跨越铁塔设计中，通过对高强度螺栓的全面调查和论证，选择8.8级高强度螺栓是比较合理的。8.8级螺栓一方面具有较高的设计强度，可以有效减小节点尺寸和结构自身的风荷载；另一方面可以采用镀锌工艺，避免氢脆断裂等安全风险，保证铁塔结构的安全性和可靠性。高强度螺栓出厂前的抽样检测对保证质量非常重要，应在设计文件中明确规定试验要求和内容。虽然我国的紧固件标准没有对螺栓的剪切强度规定检验要求，但是，对于特别重要的铁塔和结构，为保证结构强度和螺栓质量，建议对选用的高强度螺栓进行剪切强度试验。作者简介：刘沪昌：男，华东电力设计院电网处高级工程师。联系电话：02122015938；杨元春：男，华东电力设计院电网处高级工程师。联系电话：02122015073。
