我国钢桥高强螺栓连接技术是60多年自主创新研究的成果,完全依靠几代科技工作者的智慧。随着基础设施建设的快速发展,高强螺栓连接面临着更大的机遇和挑战。在众多科研人员的努力下,该技术必将在施工方法、表面处理工艺、螺栓材料等方面取得更大的创新和突破。
高强螺栓连接作为钢桥连接的重要方式,以其效率高、性能好、安全可靠等优点,在工程领域得到了广泛的应用。我国从1957年开始研究高强度螺栓连接技术,与工业发达国家相比,起步稍晚。但经过几代科技工作者的不断努力,走出了一条自主创新的研究道路。目前,钢结构大六角高强螺栓已形成从M12到M30的完整体系。施工方法已经完成了从扭角法到扭矩法的跨越。相当于日本、美国、英国等发达国家的实力,达到世界先进水平。
1 高强度螺栓用钢的发展
中国铁道科学研究院于1958年研制成功45号钢高强螺栓。1961年建成第一座跨径41.62m的螺栓焊接桁架桥——洛绒大桥。
20世纪60年代修建的成昆铁路广泛采用高强度螺栓连接技术。共建造了43根螺栓和焊接钢梁,使用了超过200万套40B钢制成的高强度螺栓。
20世纪70年代末,铁道科学院联合武汉桥梁科学技术研究所、清华大学、大冶钢厂、上海标准件制造公司、上海先锋螺丝厂等单位,研制成功20MnTiB钢冷镦高强度螺栓。
2 摩擦表面处理技术的发展
1961年建成的洛绒大桥采用8.8级高强螺栓代替铆钉,但螺栓连接处的钢板没有进行摩擦表面处理。 1964年建成的兰吉大桥,螺栓连接处的钢板采用了现场喷砂摩擦表面处理技术。
20世纪60年代修建的成昆铁路广泛采用了高强度螺栓连接技术。考虑到施工现场喷砂劳动强度大、污染严重,铁科院经过大量试验研究,确定了在工厂喷砂除锈后火焰喷锌的方法。摩擦表面处理技术,该技术在成昆铁路钢桥上广泛应用,高强螺栓连接技术发展迅速。
3 安装施工技术发展
20世纪60年代、1970年代,由于我国高强螺栓生产技术还比较落后,无法保证按扭矩系数供应同一批高强螺栓连接副。因此,扭转角法只能用于高强度螺栓的拧紧。扭转角法是先拧紧螺栓,然后通过控制螺栓和螺母的相对旋转角度来拧紧高强度螺栓连接副的方法。
1980年4月,铁道科学研究院和武汉桥梁科学研究所研制成功高强度螺栓磷皂化表面处理工艺。高强度螺栓经过磷皂化处理后,可稳定扭矩系数,保证平均值为0. 110~0. 150,标准偏差可稳定在0. 010以下钢结构用高强度垫圈,这对于保证高强度螺栓连接的质量。
4、技术标准制定
20世纪60年代,40B钢级10.9级高强度螺栓在铁路钢桥上得到广泛应用。 1976年9月,国家标准计量局正式颁布了《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母和垫圈的型式、尺寸和技术条件》(GB 1228~1231-76)。
20世纪80年代,20MnTiB、35VB螺栓钢的研制成功,使我国形成了从M12到M30的钢结构用大六角头高强度螺栓的完整系列。
1990年代初,第二代定扭矩扳手研制成功,开创了我国高强度螺栓扭矩法施工时代。
随着我国高强度螺栓加工制造技术的发展,铁科院开展研究,保证扭矩系数的供给范围、螺母的硬度范围、扭矩值的允许误差等连接副扭矩系数测试,螺栓预拉力控制值。经过一系列研究,高强度螺栓国家标准GB/T 1228~1231-2006于2006年完成修订[10-13]。
5 存在的问题及展望
5.1 施工方法
施工过程中的过紧和过紧是高强螺栓产生病害的重要原因。未来高强螺栓施工发展的一个重要方向是简化施工操作步骤,减少人为因素和环境因素对施工的影响;通过科学管理、标准化施工,避免施工过程中高强度螺栓拧得过紧、过紧,减少螺栓数量。减少发生破损、脱落的概率,提高施工效率,缩短工期。
5.2 螺栓表面处理工艺
高强螺栓施工采用的主要方法是扭矩法。高强螺栓连接副的扭矩系数是保证高强螺栓预紧轴向力精度的重要因素。对于目前的表面处理工艺来说,随着环境温度和湿度的变化,高强螺栓连接副的扭矩系数也会发生变化。因此,温度和湿度的变化会导致扭矩系数变得离散,从而导致高强螺栓的预紧轴向力变得离散。这种离散现象在高强度螺栓施工中很难控制。因此,开发一种扭矩系数不受温度和湿度影响的新型表面处理工艺是高强螺栓未来的发展方向。
5.3 螺栓的腐蚀
高强度螺栓由于环境温度和湿度的反复变化而处于腐蚀环境。腐蚀很容易削弱螺杆的有效截面,导致螺杆断裂、螺栓脱落。为了防止高强度螺栓的腐蚀,针对普通螺栓开发了不锈钢螺栓,可以解决普通螺栓的腐蚀问题。由于不锈钢的局限性(强度较低),不能用来制造高强度螺栓。从材料角度解决高强螺栓的腐蚀问题,耐候钢高强螺栓是未来发展的重要方向。
5.4 螺栓组受力
近年来新建的钢桥中,桥梁跨度越来越大,承受的荷载也越来越大。高强度螺栓大多采用目前最大螺栓规格M30钢结构用高强度垫圈,数量巨大。如果能够加大螺栓直径,提高单个螺栓的预紧力,将大大减少螺栓数量和现场拧紧工作量,节省工程资金。随着钢铁冶炼和轧制水平的发展,我国在高强度、高淬透性方面的技术不断增强,使开发大直径螺栓成为可能。