介绍
1 简介
螺栓连接是机械工程、结构工程等领域应用最为广泛的节点连接方式，是紧固件连接最基本的结构形式，易于标准化和大批量生产，结构简单，成本低，安装方便，具有互换性。螺栓的优点是可以更换和替换，在现代结构工程中得到广泛的应用。螺栓的重要性因螺栓种类、受力特性、使用环境不同而不同，对防松的要求也不同。结构破坏事故屡见不鲜，可见螺栓防松对保证螺栓受力特性和结构整体安全的重要性。螺栓松动已成为钢结构连接的安全隐患。
分析表明，引起螺栓松动的原因很多，有螺栓连接初始变形、轴向载荷、侧向载荷等。工程实践中提出了许多防松措施，如准确施加预应力、采用机械措施防松、使用冲压点、螺栓螺母粘合、使用自锁防松螺母等。因此，在对螺栓采取防松措施时，必须从根本上了解螺栓各方面性能。
2 常见螺栓分类及现行施工和防松措施
从螺栓受力机理来看，螺栓可分为普通螺栓、高大结构中承受振动载荷的高强度普通螺栓、高强度螺栓、承受拉压交变载荷的高强度螺栓四种类型塔桅钢结构工程施工质量验收规程，普通螺栓一般直接用于承受拉力或剪力塔桅钢结构工程施工质量验收规程，用于非重要结构构件的连接。过去认为螺栓在施工时只需紧固即可，但现行电力系统及塔桅钢结构施工质量验收规程对“紧固”给出了具体的定义，并给出了相对准确的扭矩值要求。
第二种螺栓常用于高层建筑的塔法兰，承受拉力，结构受到一定的振动。
第三类高强度螺栓是先受到预紧力，然后在被连接件接触面产生摩擦阻力来承受剪力或降低其预应力来承受拉力。一般用于重要的梁构件等。在工业与民用建筑中，该类螺栓一般采用扭矩法施工，螺栓依靠螺纹间压缩产生的摩擦力来防止松动，该类螺栓为高强度普通螺栓，该类螺栓不经预紧，但需拧紧并加双螺母来防止松动。
第四类螺栓是承受交变拉压的螺栓，该类螺栓一般同时承受疲劳载荷，需要预紧，防松要求非常高，常见于风电塔筒连接法兰。
第一类普通螺栓拧紧力矩达到规范规定值时，螺栓一般不会发生松动，高层结构中承受一定振动载荷的高强度普通螺栓，防松效果良好。
例如2000年建成的336m高的黑龙江电视塔，没有出现过螺栓松动的情况。桥梁结构中高强度螺栓也有很好的防松效果，但第四类螺栓的防松效果明显不足。在风力发电领域，风机运行过程中用力矩扳手检查螺栓预紧力，已成为风电场定期维护的重要环节，耗费了大量的人力、物力。
3 承受交变拉压载荷的螺栓构造及防松措施
对于风电塔架中第四类螺栓，在承受交变拉压载荷的同时，还承受疲劳载荷，传统的法兰形式为厚锻法兰，其优点是焊缝少、螺栓较长、抗疲劳性能好、法兰刚度高。但这种法兰也有其自身的缺点：成本高、能耗大、端面需铣平、用料大、螺孔偏差处理困难，大量螺栓仍依赖进口。螺栓松动问题需要每年检查维护，定期维护不能完全保证连接的可靠性。高强度螺栓反复拧紧会引起螺纹晶体组织的变化，由于扭矩系数的增大，可能达不到规范规定的扭矩，为达到规范规定的预紧力而增加过大的扭矩，可能使螺栓在外力作用下发生塑性变形，甚至断裂。 关键部位的螺栓一旦出现松动、损坏，可能造成巨大的损失。
分析认为，造成螺栓松动的原因有三点：一是螺栓防腐方法，一般采用达克罗防腐，但这会导致螺栓扭矩系数失效。因此工程中采用二硫化钼涂层，以降低扭矩系数。但这会使螺栓螺纹的摩擦系数减半，降低螺栓的自锁能力；二是该类螺栓一般采用扭矩法施工，由于扭矩法通过拧紧对螺栓施加预紧力，在此过程中螺栓将发生扭转变形，并将扭矩储存在其内部。当施工完毕，外界扭矩撤除后，螺栓内部便会储存一部分扭转弹性势能，也就是回弹扭矩。三是在风荷载作用下，背风侧螺栓的拉力减小，螺纹表面的压力减小，当阻止螺栓松动的摩擦扭矩小于回弹扭矩时，螺栓就会松动。 当螺栓松动时，高强度螺栓就变成普通螺栓，在风荷载作用下，螺栓的疲劳应力幅会明显增大，该幅值可以抵抗外界的一切弯矩，高强度螺栓在拧紧状态下的拉力公式为：
图1 螺栓受力图（螺栓防松措施）
可以看出面积较小时，螺钉的拉力会增大。传统的厚法兰板面并非全接触，初装时保证边缘接触（图2a），当侧边法兰板边缘脱开后（图2b），螺栓的拉力由P变为（a+b）P/b，受力以柔性法兰为准，见GB50135-2006《高层建筑结构设计规范》第5.9.4条。与普通螺栓相同。因此，疲劳应力幅增大。
图2 厚法兰受力示意图（螺栓防松措施）
为了避免法兰成为“柔性法兰”，使螺栓拉力成倍增加，法兰构造成外紧内松（如图2a所示），但这也减小了法兰基面Ac，因此疲劳应力幅增大。特别是螺栓松动后，疲劳应力幅增大。螺栓长期承受疲劳载荷后会逐个断裂，图3、图5为螺栓断裂后的照片。因此，对螺栓松动问题的有效解决是十分必要的。
图3：厚法兰塔螺栓断裂后倒塌（螺栓松动预防措施）
图4 塔架平台上断裂的螺栓
图5 螺栓断裂图（螺栓防松措施）
4 新建工程及防松措施
对于承受拉、压交变载荷的法兰螺栓，必须从根本上消除引起螺栓松动的内在因素。目前风电塔筒中采用的反向平衡法兰可以有效解决这一问题。法兰与补强板的连接关系与一般刚性法兰相反，补强板在前，法兰板在后。在不增加大法兰板厚度的情况下，可以增加螺栓长度，更易于施加和控制螺栓上的预紧力。反向平衡法兰是在补强板钢管向心侧增加一个“平衡面”。设计时合理调整平衡面尺寸和杠杆臂长度，可以减小螺栓预紧力作用在管壁上的弯矩。补强板与筒壁之间的焊缝只承受剪切力，从而减小了补强板与筒壁焊缝上的应力，减少了筒壁的环向拉力。 该类型法兰螺栓之所以能起到防松作用，首先是因为这种螺栓的螺杆比传统锻造法兰的螺杆长50%，储存了更多的弹性应变能量，从而起到防止松动的作用；其次，该类型螺栓采用直接预紧法兰，通过锻造的方法构造而成，因此不存在松动的内因——回弹扭矩；最后，由于这种法兰不施加扭矩，也就不需要测量扭矩系数，也不需要涂抹二硫化钼，因此螺纹的摩擦系数与传统锻造法兰螺栓相比要高出一倍。
图6 反向平衡法兰示意图
图7 反向平衡法兰现场照片（螺栓防松措施）
首座采用反向平衡法兰的风电塔架已运行三年半，在对螺栓进行检查过程中，未发现任何松动螺栓，同时现场应力测量表明，在相同风速条件下，相同时间段内，反向平衡法兰的疲劳应力幅仅为传统锻造法兰疲劳应力幅的1/3~1/5，螺栓的应力波动也相对较小，这说明当螺栓承受轴向载荷时，方向平衡法兰具有更好的防松动和抗疲劳性能。
5 结论
本文对四种常用螺栓的受力机理进行了分析，针对不同类型的螺栓应采取不同的防松措施，重点对承受交变拉、压载荷的风电塔筒法兰螺栓进行了分析，对引起螺栓松动的因素进行了分析，对造成松动的原因进行了探讨，并对新、旧法兰的螺栓防松性能进行了比较，提出了一种新型塔筒法兰—反平衡法兰具有良好的防松性能，为设计人员和施工人员提供参考。
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