工程起重机械高强度螺栓计算方法

工程起重机械高强度螺栓计算方法

张龙存

黑龙江省大庆市大庆炼化公司检维修中心              黑龙江大庆 163411

摘要：在现代化不断推进的今天，起重机械在日常生产中处于不可或缺的地位，广泛运用于相关工业的各个方面。起重机是一种循环、间歇运动的机械，金属结构是起重机的骨架，随着起重机产品构造向着新型化、美观化和实用化的方向发展，金属结构采用薄壁型材和异型钢，减少了结构的拼接焊缝，采用高强度螺栓连接既提高了抗疲劳性能，又便于运输安装。高强度螺栓作为起重机械至关重要的组成零件，起着非常关键的连接作用。

关键词：起重机械；螺栓群；强度；计算  

螺栓连接是起重机械钢结构中的基本连接方式之一，常用的螺栓类型为普通螺栓和摩擦型高强度螺栓。普通螺栓靠栓杆抗拉、抗剪和孔壁承压来传递载荷，根据受力方式分为普通螺栓和铰制孔螺栓。摩擦型高强度螺栓连接接头处在预紧力的作用下，连接板被夹紧，利用板间摩擦力传递外载荷，栓杆不受剪只受拉。在螺栓群的强度计算中，先进行螺栓群的受力分析，找出其中受力最大的螺栓及其所受的力作为强度计算的依据。对于整个螺栓群，所受的载荷可能包括轴向拉力、横向剪力、弯矩等，不同载荷对螺栓的破坏形式不同。针对常用螺栓群的受力形式和特点，如多排等距螺栓群、圆盘法兰均布螺栓群等，确定构件杆端的不同载荷，进行螺栓群布置，给出螺栓群的计算表达式，安全可靠、快速有效的选择螺栓，避免重复计算，便于工程选型和应用。

一、起重机械高强度螺栓的连接原则

起重机械高强度螺栓的连接方式有摩擦连接、承压连接、混合连接和并用连接、张拉连接，遵循表面平整、定位销固定、预紧力稳定和质量监督的连接原则。

1、表面平整原则。在连接起重机械设备至关重要的高强度螺栓时，应将结构连接处的平边保持相对平整的态势，且应将表面的灰尘擦拭干净。一般条件下，在高强度螺栓连接钢板的相关位置应对摩擦面妥善维护，首先使用喷砂法来确保摩擦面的可用性，而后在其外部刷上无机富锌漆，使其更具有抗腐蚀的性能。在日常使用维护过程中，应对摩擦面采取保护措施，防止污染物和油污，严禁在摩 擦面上做任何标记，确保设备的正常运行。

2、定位销固定原则。在起重机械设备的结构拼装中，一定要将定位销固定处理得当，其处理流程应按照相关操作规范来执行，切记不可用其他螺栓代替高强度螺栓进行定位固定，避免操作螺栓引起的扭矩系数变化。高强度螺栓的安装应在结构构件中心位置调整后进行，其穿入方向应以施工方便为准，严禁强行穿入螺栓，若不能自由穿入螺栓应用铰刀对孔进行修整，修整后孔的直径应小于1.2倍的螺栓直径。同时在拧紧高强度螺栓时允许在螺母的螺纹处和支承面上涂少许润滑脂，严禁涂机油，以防渗入钢板拼接面，影响连接的牢固性。

3、预紧力稳定原则。在高强度螺栓拧紧过程中必须保证其预紧力。高强度螺栓拧紧过程分为初拧、复拧和终拧，初拧扭矩为施工扭矩的50％左右，复拧扭矩与初拧扭矩相等，初拧或复拧后在高强度螺栓的螺母上用颜色做标记，须在24ｈ内做终拧。终拧可采用转角法进行控制，使整个节点中的螺栓预紧力一致。

4、质量监督原则。在螺栓终拧完成后，应使用扭矩扳手检测高强度螺栓的扭矩是否达到规定的扭矩值，扭矩值不足者应予补足，使用的扭矩扳手的扭矩误差＜5％。在完成相关的检测工作并处理之后，要对螺栓连接处进行标准化处理，即在连接板缝处要用适量的腻子进行封口处理，并在螺栓与螺母上涂上油漆。

二、强度螺栓群计算方法

机械结构中同时使用若干个螺栓，称为螺栓组或螺栓群。在螺栓群的计算中，需对螺栓群进行受力分析，根据受力情况，找出受力最大的螺栓作为强度计算的依据。

1、高强度螺栓群受拉计算

（1）螺栓承受拉力Ⅳ作用

（2）螺栓承受弯矩M作用。当高强螺栓群受到弯矩M作用时，作用方向使螺栓受拉，由于高强螺栓的外拉力Ⅳ必须小于预拉力P，确保连接件在M作用下，其接触面始终保持紧密贴合，故可按传递中性轴位于螺栓群形心轴线上来计算，离中性轴最远的螺栓受力最大，受力情况布置形式Ⅳ1、Ⅳ2、Ⅳ3、Ⅳ4为螺栓所受拉力；y，、Y2、Y3、Y4为螺栓到中性轴的距离。

2、高强度螺栓群受剪计算

(1)螺栓承受剪力Q作用：

(2)螺栓承受剪力Q和弯矩M作用：离螺栓群中心最远的一个螺栓受力最大其值为：

在剪力Q和弯矩M作用下，离螺栓群中心最远的一个螺栓所受合力应不超过单个螺栓承载力，计算公式为：

3、高强度螺栓和普通螺栓计算方法对比分析。性能等级在8．8级以上的螺栓称为高强度螺栓，高强度螺栓可承受的载荷比同规格的普通螺栓要大，其材料强度也比普通螺栓优质。高强度螺栓连接通过施加预拉力和摩擦力传递外力，而普通螺栓连接依靠栓杆抗剪和孔壁承压来传递剪力，因此在计算方法上存在不同。(1)预紧力。普通螺栓在拧紧螺帽时产生的预压力很小，其影响可以忽略不计，因此不存在预紧力的计算，而高强度螺栓需要进行预紧力计算。(2)承载力设计。高强度螺栓和普通螺栓计算方法存在区别。

高强度螺栓抗剪承载力设计值：

摩擦型：

承压型：

三、提高螺栓连接强度的措施

高强度螺栓的预紧力除个别情况外，螺栓中的螺纹在装配时均须拧紧，这时螺纹连接受到预紧力的作用。对于重要的螺纹连接，应控制其预紧力，因为预紧力的大小对螺纹连接的可靠性、强度和密封性均有很大影响。螺纹连接的拧紧力矩 T 等于克服螺纹副相对转动的阻力矩 T1 和螺母支撑面上的摩擦阻力矩 T2 之和，其中承受轴向工作载荷的轴向力由螺纹连接的要求决定，为了充分发挥螺栓的工作能力和保证预紧可靠，螺栓的预紧应力一般可达材料屈服极限的 50%～70%。通常在起重机械安装过程中，螺纹连接拧紧的程度是靠安装者的经验决定，这在实际检验中是无法控制的。为了能保证质量，重要部位的螺纹连接应按计算值控制拧紧力矩，可利用测力矩扳手或定力矩扳手获得所要求的拧紧力矩。通常，大型起重机械中使用的高强度螺栓有成百上千套，而且对其连接强度要求相当高，在实际安装过程中建议控制螺栓在拧紧前后发生的伸长变形量来达到更精确的预紧力控制。

在实际使用过程中，螺栓往往会由于使用工况和受力情况的变化出现损坏，其损坏形式多为螺栓杆部分的疲劳断裂，这是由于螺栓连接处承受的是轴向的交变载荷，通常发生在应力较集中且严重之处，即螺栓头部、螺纹尾部和螺母支承平面所在处的螺纹。

降低螺栓总拉伸载荷 Fa 的变化范围，螺栓所受的轴向工作载荷 Fe 在 0～Fe 间变化时，螺栓所受的总拉伸载荷 Fa 也作相应变化。减小螺栓的刚度或增大被连接件刚度都可以减小 Fa 的变化幅度，这一措施对防止螺栓疲劳损坏十分有利。为了减小螺栓刚度，可减小螺栓光杆部分直径、采用空心螺杆或增加螺栓的长度。

结论

(1)高强度螺栓根据设计方式不同分为摩擦型和承压型两种连接方式，摩擦型连接性能良好，适用于动载结构；承压型连接整体性和刚度较差，只用于承受静载或在结构中允许一定滑移变形的结构。通过对比分析，摩擦型更加适用大多承载结构，而承载型多用于减少耗能，节省螺栓用量的结构中。

(2)通过分析两种类型的连接方式，给出不同的计算方法，并结合塔机实例进行了计算。

参考文献：

［1］ 邓文英,郭晓鹏．曾家岩大桥钢结构高强麦螺栓试验与研究［J］．重庆：重庆交通大学，2020．

［2］李铁英．摩擦型高强度螺栓抗剪连接研究进展及评述［J］．建筑结构，2019，49(14)：63—67．

［3］周燕，雷宏刚，杨志林．塔式起重机塔身接头连接方式的研究［J］．科技与匈新，2019(22)：109—110．