25输电线路铁塔用高强度螺栓的设计、应用及注意事项.doc
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1、输电线路铁塔用高强度螺栓的设计、应用及注意事项董建尧 何 江(华东电力设计院 上海 200063)【摘要】本文通过对8.8级、10.9级高强度螺栓在输电线路工程行业内外应用情况的介绍,总结了输电线路铁塔用高强度螺栓设计、加工、施工应用时应注意的事项,供线路结构专业的同行参考。【关键词】铁塔 高强度螺栓 设计 应用 注意事项1问题的提出与由来以往,110500kV输电线路铁塔所使用的螺栓大多为4.8级和6.8级粗制螺栓,一般M12、M16用4.8级,M20、M24用6.8级,现在由于4.8级和6.8级螺栓的价格差别不大,而且一个6.8级螺栓可以解决许多受力不大的辅助构件却用两个4.8级螺栓的实际
2、问题,一些设计院已经统一将螺栓的级别规定为6.8级,也避免了出错。超高压输电线路发展到目前,各个地方出现了750100kV特高压、大截面导线、四回路铁塔和许多大跨越工程,在走廊日益资源日益紧张的今天,这些新技术也将得到进一步的推广和应用,这不仅对线路铁塔的型材材质提出了更高的要求,同时对连接螺栓的级别也提出了更高的要求,尤其在主材连接、横担与主材接头以及其他受力较大的部位,以往常用的4.8级、6.8级螺栓已经无法满足设计与构造的要求,这样,8.8级以上级别的高强度螺栓的应用被提了出来。目前在输电线路、变电构架等塔架设计中,很多设计院已经在使用8.8级以上高强度螺栓螺栓,但在应用的过程中有的或多
3、或少的存在一些问题。这些问题,可能是由于设计螺栓布置不合理、应力裕度太小引起的,可能是由于原材料材质不稳定、离散性太大引起的,也有可能是加工过程中热处理、除锈、热镀锌工艺不合理引起的,或者是施工单位施工过程中扭紧次序、扭力控制不合理引起的,由于这一些不确定的因素,使得8.8级以上的高强度螺栓在应用上遇到了挫折,本文拟通过对高强度螺栓的设计、加工和施工情况的探讨性介绍,供设计同行参考。2行业内外使用高强度螺栓的情况介绍目前,行业内我院和中南院在输电线路铁塔上使用8.8级以上螺栓比较频繁。中南院自1999年开始已经在500kV输电线路角钢塔上广泛采用8.8级M24的高强度螺栓,用的效果很好。我院在
4、500kV普通线路角钢塔上还没有使用案例,但几乎在所有的大跨越铁塔上和500kV线路钢管塔上也得到了广泛的应用。以下是我院使用高强度螺栓的部分工程情况简表。我院设计的输电工程使用8.8级以上高强度螺栓的情况简表表1工 程 名 称高强度螺栓规格螺栓级别运行情况500kV扬斗线钢管塔M24M36法兰螺栓8.8级良好500kV扬杨线钢管塔M20M36法兰螺栓8.8级良好500kV江阴大跨越组合断面塔M20M27受剪螺栓8.8级良好500kV龙政线芜湖大跨越钢管塔M24M45法兰螺栓10.9级良好500kV线滁马线马鞍山大跨越钢管塔M24M56法兰螺栓8.8级在建在变电构架上,包括中南院、东北院、华北
5、院等也在使用8.8级或10.9级的高强度螺栓,使用的螺栓规格大多是M20、M24两种规格。在行业外,随着我国钢结构工业厂房、民用建筑、道路桥梁、塔桅结构和起重机械等建筑及构筑物的规模化和大型化,大量的高强度螺栓的被广泛地应用于这些结构中。例如上海金茂大厦、北京奥体中心、洋山深水港等一大批国家重点工程的建设,使得8.8级至12.9级的高强度螺栓不同级别的高强度螺栓得到了充足的应用,以下是国内某高强度螺栓厂近年来的部分业绩表。某高强度螺栓厂近年来高强度螺栓配套项目(简摘)表2工 程 名 称高强度螺栓规格型号螺栓级别使用情况浦东国际机场、上海金茂大厦等GB/T 1228M24M36等10.9、8.8
6、良好北京中环大厦、云南红塔体育中心等网架螺栓M20M90等10.9良好上海南浦大桥、九江长江大桥等GB/T 1228M27、M30等10.9、8.8良好平圩电厂、石洞口电厂、北仑电厂等GB/T 3632M24等10.9、8.8良好西昌卫星发射架等六角头螺栓M4219010.9良好3输电线路用高强度螺栓的设计3.1高强度螺栓的设计依据及技术参数和建筑、桥梁等结构所使用的摩擦型或承压型的型式不同是,输电铁塔所用的高强度螺栓实际上高强度的粗制螺栓,也就是说强度满足相应的级别(8.8级及以上)但加工标准还是大六角头螺栓(GB/T 5780),其受剪、受拉的计算公式也仍然采用普通螺栓的计算公式,即:Nv
7、bnvd2fvb/4(受剪)Ncbdtfcb (受剪)Ntbde2ftb/4 (受拉)式中:Nvb、Ncb、Ntb每个螺栓的剪力、承压力、拉力设计值;nv螺栓受剪面数目(单剪为1,双剪为2);d、de螺栓杆直径、螺栓干螺纹处的有效直径;t在不同受力方向中一个受力方向承压构件总厚度的较小值;fvb、fcb、ftb螺栓的抗剪、承压、抗拉强度设计值(见下表)。高强度螺栓厂强度设计值表3螺栓等级抗拉ftb(N/mm2)抗剪fvb(N/mm2)孔壁承压fcb钢材类别厚度(mm)fcb(N/mm2)8.8级400300Q235钢37010.9级500380Q345钢1651016354903550470一
8、般,一套高强度螺栓包括一件螺栓(杆)、两件螺母(双帽)和一件平垫圈,螺栓、螺母和垫圈机械尺寸和机械性能满足如下标准:紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱(GB/T 3098.12000)紧固件机械性能螺母、粗牙螺纹(GB/T 3098.22000)六角头螺栓C级(GB/T 57802000)型六角螺母C级(GB/T 61702000)平垫圈C级(GB 97.185)3.2高强度螺栓的规格选择在输电线路铁塔中,螺栓的受力状态不外乎受剪、受拉和同时受剪拉3种(对于钢杆管,螺栓还受拉弯作用),受剪拉的螺栓一般发生在挂线点、横担连接处等局部位置。对于受剪螺栓一般用在角钢塔的连接和钢管塔的插板连接中,螺栓的布
9、置数量一般不会受到剪力面的局限,所以大多数情况下均可以布置成小直径的螺栓。而受拉螺栓一般用在钢管塔的法兰连接中,螺栓的布置数量受到法兰周长的影响,所以当构件受力较大时,往往要布置较大直径的螺栓。通常,计算和选用螺栓规格时,原则上在满足受力要求和螺栓间距布置的前提下尽量采用小直径的螺栓,在满足强度要求的前提下尽量采用低级别的螺栓。对于M24及以下的高强度螺栓,螺栓厂在设备上、工艺上均比较容易做到,对于M27及以上的高强度螺栓,螺栓厂一般均需要定制,根据国家标准的要求和市场上对于圆钢原材料的难易程度,常用的大直径螺栓有M30、M36、M42、M48、M56、M64,不常用有M27、M33、M39、
10、M45、M52、M60,但是如M27、M39、M45、M52我们在不同的工程中也都有应用。3.3高强度螺栓的材质选择高强度螺栓一般用优质碳素结构钢或合金结构钢经热处理(淬火并回火)后制成。原材料圆钢的选用首先考虑的是钢材的强度因素和热处理稳定性因素,其次考虑市场采购和价格因素。原材料的合理选用将直接影响高强度螺栓的性能和热处理的效果。输电线路粗制钢强度螺栓的常用的原材料及性能、应用情况见下表:输电线路粗制钢强度螺栓常用材料性能和应用情况表4钢牌号热处理温度力学性能布氏硬度()适合用作高强度螺栓规格、级别淬火()回火()sb(MPa)ss(MPa)d5()Y()Aku2(J)45号8406006
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