1 前 言
螺栓连接是机械工程、结构工程等领域应用最广泛的节点连接方式，是紧固件连接中最基本的一种结构形式，具有便于标准化大批量生产、构造简单、成本低、安装方便、可互换等优点，在现代结构工程中被广泛应用。而螺栓的类型、受力特点、使用的环境等的不同，螺栓的重要性不同，对防松的要求也不同。历史上由于螺栓松动而造成结构破坏的事故屡见不鲜，可见螺栓防松对于保证螺栓的受力特性及对结构整体安全的重要性。螺栓松动已成为钢结构连接的一个安全隐患。分析认为，引起螺栓松动的原因很多，如，螺栓连接件的初始变形、轴向荷载的作用、横向荷载作用等。在工程实践中，也提出了很多防松措施，如准确施加预应力、采取机械措施防松、采用冲点、胶粘螺栓和螺母、使用自锁防松螺母等方法。因此，当对螺栓采取防松措施时，必须从根本上了解螺栓的各方面性能。
2 常用螺栓分类及目前的施工、防松措施
从螺栓的受力机理来看，可以将螺栓分为四种类型：普通螺栓、高耸结构中承受振动荷载的高强度普通螺栓、高强螺栓、承受拉压交变荷载的高强螺栓。普通螺栓一般直接承受拉力或者剪力，用于非重要结构构件的连接中，以往认为螺栓施工中只需拧紧即可。但目前电力系统和塔桅钢结构工程施工质量验收规程中已对“拧紧”给出了相对准确的扭矩值要求。第二种螺栓常用于高耸结构中的塔柱法兰，承受拉力，且结构承受一定的振动。第三种高强螺栓的受力为先对其施加预拉力，然后在被连接件之间的接触面上产生摩擦阻力来承受剪力或减少其预压力来受拉力。一般用于梁构件等重要的工业及民用建筑中，此种螺栓一般采用扭矩法施工，螺栓依靠螺纹之间压紧产生的摩擦力进行防松。螺栓采用高强度普通螺栓，螺栓不施加预拉力，但需拧紧，并且采用双螺母防松。第四种螺栓为承受拉压交变的螺栓，这种螺栓一般同时承受疲劳荷载，需要施加预拉力，并且对防松要求很高，常见于风力发电塔筒的连接法兰。
第一种普通螺栓的紧固力矩达到规范规定值时螺栓一般就不会松动。高耸结构中承受一定振动荷载的高强度普通螺栓防松效果良好。例如2000年落成的336m高的黑龙江电视塔塔柱未发现螺栓松动现象。桥梁结构中的高强螺栓防松效果也非常好。但是对于第四种螺栓防松效果却显示出了明显的不足。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一项重要内容，这耗费大量的人力物力。
3 承受拉压交变荷载螺栓施工、防松措施
对于第四种风力发电塔筒中承受拉压交变荷载的螺栓，同时承受疲劳荷载。传统的法兰形式为厚型锻造法兰，这种法兰的优点就是焊缝少，螺栓长，抗疲劳 性能好，法兰刚度大。然而这种法兰也有其自身的缺点：造价太高，制造耗能大，端面要铣平， 材料用量大，螺孔偏差不易处理。大量靠进口，仍有螺栓松动问题，每年都需检测维护。而且定期的维护并不能完全保证连接的可靠，高强螺栓反复紧固会引起螺纹晶相组织发生变化，由于扭矩系数的增大而达到规范规定的扭矩却达不到规范规定的预拉力。为了达到预拉力而过分加大扭矩以致螺栓在外力作用下产生塑性变形甚至断裂。一旦关键部位的螺栓因松动而失效，有可能造成巨大的损失。
分析认为导致螺栓松动的原因有以下三点：一是螺栓防腐蚀方法，一般采用涂达克罗防腐，但是这样会导致螺栓扭矩系数不合格。因此工程中再采用涂二硫化钼来降低扭矩系数。但是这样做会使螺栓螺纹摩擦系数减半，螺栓自锁能力降低；二是这种螺栓一般采用扭矩法施工，由于扭矩法是通过拧紧给螺栓施加预拉力，这一过程中螺栓发生扭转变形，其内部存了扭矩，当施工完成撤除外扭矩后，螺栓内将储存一部分的扭转弹性势能，也就是反弹扭矩。三是在风荷载作用下，背风面螺栓的拉力减少，螺纹表面上压力减小，阻止螺栓松动的摩擦力矩小于反弹扭矩后，螺栓会产生松动。当螺栓产生松动后，高强螺栓变成了普通螺栓，在风荷载作用下，螺栓的疲劳应力幅会显著提高，螺栓的应力幅抵抗全部外力弯矩作用。而紧固状态高强螺栓的拉力公式为：
图1 螺栓受力示意图(螺栓防松措施)
由此可见，当 面积很小时，螺杆的拉力就会增大。传统的厚型法兰板表面并非全接触，在最初安装时保证边缘接触（图2a）。当塔筒受弯时，受拉侧的法兰板边缘脱开后（图2b）螺栓的拉力由P 变成(a+b)P/b ，受力按柔性法兰见GB50135-2006《高耸结构设计规范》5.9.4条。同普通螺栓。因此疲劳应力幅增大。
图2 厚型法兰受力示意(螺栓防松措施)
为了避免法兰变成“柔性法兰”而使螺栓拉力增大一倍，故把法兰构造成外密和内松动形状（如图2a），但这又使得法兰基础面Ac减少，所以疲劳应力幅增大。特别是螺栓松动以后，疲劳应力幅增大。螺栓长时间承受疲劳荷载之后会发生逐个断裂。图3、图5为螺栓断裂后的图片。因此有效解决螺栓的松动问题是非常必要的。
图3 厚型法兰塔筒螺栓断裂后整体倒塌图片(螺栓防松措施)
图4 断裂在塔筒平台上的螺栓
图5 螺栓断裂图(螺栓防松措施)
4 新型施工及防松措施
针对拉压交变荷载作用下的法兰螺栓，必须从根本上消除使螺栓产生松动的内因。目前用于风力发电塔筒内的反向平衡法兰可以有效地解决这一问题。反向平衡法兰和一般刚性法兰与加劲板的连接关系相反，加劲板在前，法兰板在后，不增加大法兰板厚度即可增加螺栓长度，从而方便螺栓施加预紧力和控制预紧力的大小。 反向平衡法兰在加劲板的钢管向心侧加设的一段“平衡面”，设计时合理调节平衡面大小和力臂长度，可减小螺栓预紧力对管壁的弯矩作用，使得加劲板和筒壁的焊缝只承受剪力。从而减小加劲板和筒壁之间焊缝的受力，减小筒壁环向拉力。此种法兰螺栓之所以能够防松原因首先是这种螺栓的螺杆比传统的锻造法兰的螺杆增长了50%，存储了更多的弹性应变能防松；其次此种螺栓采用直接张拉法施工，因此不存在产生松动的内因——反弹扭矩；最后，此种法兰由于不施加扭矩，因此不必测扭矩系数，不用涂二硫化钼，因此螺纹的摩擦系数与传统的锻造法兰螺栓相比加倍。
图6 反向平衡法兰示意图
图7 反向平衡法兰现场图片(螺栓防松措施)
首台采用反向平衡法兰的风机塔筒到目前已经运行了三年半的时间，对螺栓进行检测时，未发现螺栓松动问题。同时，经现场应力实测表明，在相同时段内同一风速条件下，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，螺栓的应力波动相比也较小。说明在螺栓受轴向荷载作用下，方向平衡法兰具有更好的防松性能及抗疲劳性能。
5 结 论
本文分析了四种常用螺栓的受力机理，针对不同类型的螺栓，应采取不同的防松措施。重点分析了承受拉压交变荷载作用的风机塔筒法兰螺栓，分析了使螺栓产生松动的原因，并且对比了新老法兰的螺栓防松性能。提出新型塔筒法兰——反向平衡法兰具有很好的防松性能，为设计及施工人员提供参考。
参考文献
[1] 马人乐，黄冬平，风力发电事故分析及规避，特种结构，2010
[2] 孔祥伟，孙瑞瑞，王宗瑜，高强螺栓松动原因分析，山西建筑，2009
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