公路钢桥高强度螺栓检测技术
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2024年06月26日 13:22:00
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来源:钢结构设计

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作者:赵伟

一、螺栓、螺栓连接分类 1、螺栓连接机理 1)高强度螺栓连接副及其分类 国内最常用的有大六角头和扭剪型两种高强度螺栓连接副两种,公路钢桥常用:大六角头高强螺栓。 目前常用的是8.8S和10.9S两种,在新修订的JGJ82-2011中列入了12.9级的高强度螺栓。 螺栓的性能等级含义:其中第一位数字代表螺栓材质标称抗拉强度值等级,后面的两位代表该材质的屈强比(屈服强度与抗拉强度的比值)。


一、螺栓、螺栓连接分类
1、螺栓连接机理
1)高强度螺栓连接副及其分类
国内最常用的有大六角头和扭剪型两种高强度螺栓连接副两种,公路钢桥常用:大六角头高强螺栓。
目前常用的是8.8S和10.9S两种,在新修订的JGJ82-2011中列入了12.9级的高强度螺栓。
螺栓的性能等级含义:其中第一位数字代表螺栓材质标称抗拉强度值等级,后面的两位代表该材质的屈强比(屈服强度与抗拉强度的比值)。
大六角头高强度螺栓每一连接副包括1个螺栓、1个螺母、2个垫圈,并应分属同批制造。
螺栓、螺母、垫圈在组成一个连接副时,其材料以及性能等级要匹配。10.9S-10H/8.8S-8H
 
 
 
大六角头高强度螺栓连接副
2)螺栓连接的分类
普通螺栓连接和高强螺栓连接:区别关键是看是否要求螺栓施加一定的紧固轴力(预拉力)。
即便是采用了高强度螺栓(一般为8.8S),不要求预拉力,也不是高强螺栓连接,比如桥梁护栏的地脚螺栓,采用的8.8级的高强螺栓,但不是高强螺栓连接。
3)高强度螺栓连接的分类
摩擦型连接:以摩擦力刚要克服为极限承载力
承压型连接:节点板滑动后,孔壁承压、栓杆受剪破坏为极限承载力
抗剪连接:高强螺栓摩擦型连接和承压型连接
 
4)传递沿螺栓轴方向拉力的受拉连接接头。受剪与受拉传递力的方向不同,在利用拧紧高强度螺栓所得紧固轴力方面是相同的。
 
高强度螺栓连接接头示意
5)高栓受剪接头受力阶段:(1)阶段(一)为静摩擦抗滑移阶段,即摩擦型连接工作阶段。(2)阶段(二)为主滑移阶段(3)阶段(三)为摩擦-承压阶段(4)阶段(四)为接头极限破坏阶段
 
高强度螺栓受剪连接接头典型荷载—变形曲线
2、扭矩法紧固原理
1)施工扭矩与螺栓轴力(预拉力)的关系
T=K·P·d
式中:P,螺栓预拉力;d,螺栓公称直径;K,扭矩系数。
 
由式可知,螺栓连接副有相同的扭矩系数K,对螺母施加一定的扭矩值就可以得到设计所要求的预拉力,因此,控制一批螺栓连接副扭矩系数(平均值和变异系数)稳定,是扭矩法施工的关键。
扭矩系数: 是螺杆、螺母、垫圈的总使用性能(连接副总体性能);是厂家按每批号提供质量的保证。
规范规定: 高强度螺栓连接副施拧前,应在施工现场按出厂批号分批测定其扭矩系数。每批号的抽验数量应不少于 8 套,其平均值和标准偏差应符合设计要求;设计未要求时,平均值偏差应在 0.11~0.15 范围内,其标准偏差应小于或等于 0.010。
3、涉及的规范
1)制造规范
高强度螺栓连接副材料的质量及检验应符合现行《钢结构用高强度大六角头螺栓》(GB/T1228)、《钢结构用高强度大六角螺母》(GB/T1229)、《钢结构用高强度垫圈》(GB/T1230)、《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件》(GB/T1231)及《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副》(GB/T3632)的规定。
目前在做的一项工作是,编写新的 GB/T 1231-202×,替代GB/T 1228~1231—2006,11月1日,紧固件标准化委员会已经开过审查会。
2)施工与检测
《公路钢结构桥梁制造和安装施工规范 》(JTG/T 3651—2022)   未包含扭剪型高强度螺栓 《公路桥涵施工技术规范 》(JTG/T 3650—2020)《钢结构高强螺栓连接技术规程》(JGJ 82-2011) 计划今年局部修订稿开审查会《客货共线铁路桥涵工程施工技术规程》(Q-CR-9652-2017)
3)规范修订主要内容
(1)JGJ82局部修订重要内容
①《钢结构高强度螺栓连接技术规程》改为《钢结构高强度螺栓连接技术标准》 
②增加运维、拆除的内容,适用范围扩展到全寿期、钢桥
③补充Q355,与现行规范和标准保持同步 
④抗滑移系数值基本不变,但与钢种脱钩 
⑤螺栓最小容许间距由3.0d0下调到2.5d0:现在的工具比以前小了 
⑥施工可操作空间尺寸调整 
⑦增加法兰连接内容 
⑧明确量化大六角和扭剪型螺栓连接副同样的初拧扭矩值 
⑨紧固质量检查中,将拧松角度适当减小由600变为(30-450) 
⑩将受拉接头、端板接头及法兰接头中关于撬力计算内容集中纳入附录C 
?其他修改、文字用语等修改完善内容
同时拟增加其他类型高强度紧固件连接技术要求 
①螺栓球网格结构(网架)用高强度螺栓连接 
②钢结构用高强度单向螺栓连接 
③钢结构用高强度环槽螺栓(铆钉)连接 
④钢结构用12.9级高强度螺栓连接 
⑤钢结构用热浸镀锌高强度螺栓连接 
⑥高强度螺栓连接钢结构用载荷指示垫圈紧固法

(2)GB/T 1231-202× 的修订内容
①增加了螺栓连接副中大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈的规格M33和M36 
②增加了垫圈型式 
③增加了所用材料 
④修改了螺栓试件机械性能中抗拉强度、断面收缩率、吸收能量规定 
⑤修改了10.9S螺栓楔负载试验拉力载荷上限和芯部硬度上限的规定 
⑥修改了10H螺母的硬度规定 
⑦扭矩系数标准偏差更改为变异系数要求,增加了扭矩系数试验中变异系数的计算方法 
⑧改了进行扭矩系数试验时,螺栓预拉力的控制范围 
⑨增加了扭矩系数试验拧紧螺母转速的要求
二、新建桥梁螺栓检测
1、规范规定
(1)《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T3650-2020) 
(2)《公路钢结构桥梁制造和安装施工规范》(JTG/T 3651—2022)高强度螺栓连接副的紧固宜采用扭矩法施工;检查和验收可采用“松扣回 扣法(30度)”,当试验数据足够且准确时,也可采用“紧扣法”
 
 
2、质量检验
对高强度螺栓施拧施工质量的检查应按自检、专检、监理工程师检查的程序进行。专检应由专职质量检查人员进行。
对   初拧 扭矩的检查应为每个栓群和节点高强度螺栓数量的   100% 终拧 扭矩应抽检总数的   5% ,且对 主桁节点 、板梁和箱梁主体以及纵横梁连接处应不少于   2套 ,其余节点应不少于1套。
高强度螺栓连接副的   初拧 质量检查应符合下列规定:
1)初拧后的全部高强度螺栓连接副应采用敲击法逐个进行检查。
2)采用质量约0.3㎏的小铁锤,敲击螺母对边的一侧,用手指紧按住螺母对边的另一侧进行检查,颤动较大者即认为不合格,应予复拧。对复拧质量的检查应与初拧质量检查的要求一致。
高强度螺栓连接副的   终拧 质量检查应符合下列规定:
1)对终拧后的全部高强度螺栓连接副,应逐个检查初拧或复拧时所做的油漆标记,是否发生错动,以此判断终拧时有无漏拧。
2)高强度螺栓连接副终拧到位后,外露的丝扣数不得少于2个。
3)终拧扭矩检查应在螺栓终拧 1h 之后、24h以内完成。
4)对每栓群或节点进行检查的螺栓,其不合格率不得超过抽检总数的20%;超过时,应继续抽检,直至累计合格率达到80%为止。
高强度螺栓连接副的   终拧质量检查方法
检查终拧扭矩时宜采用“松扣回扣法”。检查时应先在被检的螺栓与螺母上划 出标记线,然后将螺母拧松退回 30°,再采用检查扳手将螺母重新拧至原来位置,使所划标记线重合,测定并记录此时的扭矩值,该扭矩值在(0.9~1.1)检验扭矩范围内时判定为合格。
采用“紧扣法”检查终拧扭矩时,应在检查前通过试验确定紧扣检查扭矩;且在测定紧扣检查扭矩时,应确认高强度螺栓预拉力的误差在设计预拉力的 2%范围内。检查时,测得螺母与螺栓发生微小相对转角时的扭矩值在 0.9~1.1 倍紧扣检查扭矩范围内时,应判定为合格。
3、信息化施工
 
这个问题怎么解决呢?物联网技术?给螺栓加芯片?NO!
将传感器、自动识别、自动感应、自组网等物联网技术应用到电动扳手、螺栓检测试验设备、螺栓仓储管理、螺栓施拧管理等各个方面。
改进拧紧工具—通过扳手输出数据的上传,判定是否施拧到了要求的扭矩。

扭矩法无法解决这些问题,需要 扭矩+转角监控。
扭矩精准控制+初拧到终拧角度概率控制
1)数字化桥梁施工管理系统
从螺栓入库出库、扳手管理、施工计划、施工质量管理和试验室管理的施工质量管理平台 
2)手机APP实现扳手与数据平台的连接
信息化定扭矩电动扳手,加装了扭矩传感器、角度传感器和信息收发模块,实现了扭矩、角度的采集和收发。
 
 
 
 
三、服役桥梁螺栓检测与监测
1、问题的提出
近年来,我国建设了许多螺栓连接的钢桥,螺栓用量数巨大。其中浙江台州路泽太高架螺栓用量223万套、彭埠大桥螺栓用量接近100万套、河南安罗高速螺栓用量超300万套。
但调研发现,国内钢结构桥梁的高强度螺栓普遍出现不同程度的锈蚀、松动、甚至断裂。公开得报道显示,浙江、江苏、湖南和贵州均有多座钢桥螺栓脱落上百颗,甚至上千颗。
 
新桥高栓施工依据《公路钢结构桥梁制造和安装施工规范》( JTG/T 3651-2022),服役桥梁高强螺栓的检测、监测与运维尚无具体的规范规定。
1)某钢桁架桥,2014年通车,三跨下承式钢桁架连续梁桥,全桥共有高强度螺栓109922套。2022年进行了专项检测。
 
检测结论:共检测149个螺栓扭矩值,其中,实测扭矩值偏差在±10%以内的共计57个,   合格率为38.26%
 
处治建议:
增补缺失和松动的螺栓,并施拧至设计值。
 
2023年全桥螺栓替换
服役螺栓测扭矩?合格的标准?
2)某特大桥的钢桁梁,2015年通车,一直有螺栓脱落。截止2022年4月,累计断裂905颗高强螺栓,2023年2月又检查出195颗螺栓脱落。   近三年内的月均断裂螺栓20颗左右。
对全桥主桁3类节点高强螺栓脱落位置及数量进行了统计,节点1高强螺栓累计脱落151颗,节点2高强螺栓累计脱落34颗,节点3高强螺栓累计脱落10颗。
 
3)某公路桥,建成后10年未通车,通车前进行检测。全桥共7536套螺栓,按5%抽查螺栓扭矩。该桥采用的高强螺栓规格为M24 10.9s,根据《钢结构高强度螺栓连接技术规程》(JGJ 82-2011)测试方法及合格标准,可计算扭矩合格范围为534.6~891N.m。   检测结果:合格率12.8%。
 
螺母、螺栓头和外露丝扣部分锈了会不会影响受力?
怎么检测栓杆有没有锈蚀、锈蚀的程度?
这座桥螺栓为啥断了,会不会继续断?
咋才能监测螺栓松动、及时发现螺栓断裂?
这都是服役高强螺栓运维技术可以回答的问题
2、高强度螺栓病害调查
 
1)断裂
从国内文献来看,   钢桥断栓率为万分之一量级
短螺栓断裂占比较高
上下平联、风撑处断裂螺栓数量较多
 
 
(1)某48+180+48三跨连续钢桁拱桥 M22/M30
 
(2)某跨度55米的钢桁架桥,上部结构螺栓用量为1.9748万,均为M24螺栓,共缺失螺栓47颗,检查到断裂螺栓30颗,断栓率0.235%。其中E类断裂占73%。应力腐蚀断裂,缺陷可能由垫圈刮伤螺纹引起。
 
(3)某特大跨度悬索桥的钢桁架梁,上部结构螺栓用量为26.7364万,均为M24螺栓,共缺失螺栓超过1000颗,断栓率0.38%。其中C类断裂占71%。经过分析后,也认为是应力腐蚀断裂。
 
2)锈蚀
 
首先要明确 螺母、螺栓头和外露丝扣部分的锈蚀,与内部栓杆的锈蚀不能等同。
 
如果不拆螺栓,能不能检查螺栓有没有锈呢,锈蚀程度怎么样呢?
3)松动
新建桥梁,检测的是终拧扭矩,终拧扭矩符合要求,就默认为预紧力符合要求,也就是设计值的±10%以内。
 
由上式可知,影响螺栓预拉力与扭矩的因素比较多。
对服役钢桥单纯采用扭矩评定不适用。
如果用预拉力,那么就面临±10%作为判定合格标准可不可以的问题?答案是:不可以。
有提出15%(铁路桥梁维修规则),根据我们对几座桥的实测,在施工正规的情况下,合格标准是:±20%范围内,80%的螺栓合格(28定律)。
3、螺栓内部缺陷检查
当有螺栓脱落时,我们迫切希望能把可能断裂的螺栓找出来,消除安全隐患。
当有螺栓锈蚀时,我们希望不拆螺栓来检测内部缺陷
 
全聚焦超声相控阵实时成像检测技术
 
 
为了验证该方法的精度,我们做了如下的验证
 
人工模拟螺栓裂缝的面缺陷,采用线切割机床切割了不同深度的面缺陷,切口宽度0.15mm。
螺栓头表面查干净,耦合剂均匀涂抹,超声探头与栓头贴合就可以显示缺陷位置。由图中可知,缺陷在深度50mm左右位置,可清晰看到刻槽深度1mm和2mm的区别。仪器可以探测1mm缺陷。
 
螺栓1 (1mm)   螺栓2(2mm)
 
螺栓11、3和12分别为A、B和C处缺陷4mm。由图可知,全聚焦测量方式未能发现A处的裂缝,原因是该处存在几何尺寸的突变。对B和C处的缺陷能够准确的识别。
 
 
4、服役高栓轴力-扭矩综合评定方法
服役桥梁高强度螺栓如何检测紧固力?
现在工程中把这个问题转变为测扭矩。比如:
 
T=0.13   225 24=702*1.1=772Nm,扭矩系数是假设的?规范规定,在终拧完毕后,1-24小时内检查扭矩有效。检测结论是错误的
测量服役螺栓的轴力(预拉力)是唯一能判断螺栓紧固力是否满足规范要求的方法。
1)用什么方法测?应变片、压力环和超声法。超声法分为单波(纵波)法和双波(纵横波)法。
 
2)如何判定是否合格?看标准±10%,看文献就会迷惑,看试验数据,那±2%都有。我们做了几座桥的现场实测。
±20%,80%合格作为判定依据。对特大桥可以有更高要求
超声法直接、慢;扭矩法间接、快。
有没有可能将二者结合起来呢?轴力-扭矩检查法
方法:
(1)按螺栓长度为批次,选取3-5颗螺栓进行超法标定;
(2)测量同批次、典型节点少量螺栓的轴力和扭矩;
(3)建立轴力-扭矩的关系(一般比较离散,要做处理)得到合格扭矩范围;
(4)采用自动检查扳手检查螺栓扭矩。
我们选择一座服役15年钢桥的实测数据分析
 
 
螺栓超声标定,现在有个即将发布的国标, 《紧固件 轴向应力超声测量方法 》(计划号20204710-T-604)
需要说明的是:用拉伸机标定和施加扭矩的标定,结果差不多,都可以。
 
高强螺栓检查和验收可采用“松扣回扣法”,当试验数据足够且准确时,也可采用“紧扣法”。
紧扣法:当螺母与螺栓发生微小相对转角时的扭矩值即为检查扭矩。问题微小相对转角是多少?松扣回扣法:退回30°,再拧至原来位置,记录此扭矩值。
需要3-4名工人,高空用力危险、受工人影响大
 
数字化电动检查扳手,能精准测得转动到某一角度,扳手输出的扭矩,显示/上传系统。
紧扣法:紧0.5-1.5度,1人操作,锂电池供电
松扣回扣法:可以设为松15-60度的任何角度,锂电池供电
优点:电动、角度精确、拧紧速度固定、省时省力、提高功效10倍以上、大幅度降低检查费用。
 


(1)M22高强螺栓预拉力与终拧扭矩关系分析
①若按预估的扭矩值T=0.13   190 22=543.4,±20%(434.7,652),合格率为2 %,剩余2%是误判为合格的。
②新方法,±20%(631.9,947.1),合格率为98%,误判为合格的螺栓占比:28%,实际合格率70 %。
(2)M30高强螺栓预拉力与终拧扭矩关系分析
①若按预估的扭矩值,T=0.13   350 30=1368 ±20%(1092,1638),合格率为54%,其中9.2%误判为合格。
 
②新方法,±20%(1416.8,2129.1),合格率为88.5%,也存在误判,其中3.4%误判为合格, 3.4%误判为不合格,也就是说实际合格率为88.5%。
从M22的螺栓来看,轴力-扭矩综合法判定螺栓紧固性能效果比扭矩法是有一定的提高,但效果还不好。
原因:测出来的螺栓预拉力离散性就很大(0.8倍至1.2倍设计预拉力之间占比47.3%),不符合“28定律”
从M30的螺栓来看,轴力-扭矩综合法就非常好。
M30的0.8倍至1.2倍设计预拉力之间占比80.83%,符合“28定律”
又在其他五座桥上进行了测试,可以得到类似的结论:
预拉力符合“28定律”的,采用轴力-扭矩综合评定法效果很好
5、服役高栓(连接)监测技术
 
 
 
1)实验室环境测试
 
2)现场环境试验
 
 
3)工程应用
 
 
 
 
采用图像识别的技术,能及时发现松动和即将断裂的螺栓以及节点板滑移。效率比现有人工敲击、预拉力检测高100倍。
通过三种方案,实现全桥螺栓监测:①典型、关键节点的定机位监测,②全桥螺栓的定期检测,③隐蔽部位、狭小空间的手持检查
 
 
四、总结
(1)公路钢桥螺栓的断裂以应力腐蚀断裂为主。
(2)全聚焦相控阵技术可用于检测螺栓内部缺陷。
(3)对服役钢桥,不能单纯采用扭矩检查法判定螺栓状态,要采用轴力-扭矩综合法。
(4)基于图像识别的服役高强螺栓监测/巡检技术已经应用于实桥。

来源:桥何名欤 公众号,如有侵权请联系我们。

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2024年07月04日 09:24:39
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学习了公路钢桥高强度螺栓检测技术,多谢了。

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