耐候鋼高強度螺栓在中俄邊境黑河大橋上的應用

顧曉勇，魏云祥，劉洪武，劉浩然，于 強，王青峰

（1.中鐵山橋集團有限公司，河北秦皇島 066200；2.燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室，河北秦皇島 066004）

中鐵山橋集團有限公司承建的中俄跨黑龍江公路橋―黑河—布拉戈維申斯克黑龍江（阿穆爾河）大橋，作為“一帶一路”交通互聯互通建設重要工程，建成后將緩解中俄邊境運輸的緊張狀況，有利于推動雙邊區域經濟合作與發展。黑河大橋主橋采用Q420qF級耐候鋼結構，并使用10.9S 級耐候鋼高強度螺栓與之配套。該螺栓由中鐵山橋集團高強度緊固器材有限公司生產，牌號為NHL10。使用耐候橋梁鋼及耐候螺栓，耐候性匹配性良好，可避免腐蝕薄弱區的產生，減少后期維護保養節省成本，對環境保護有重要意義，并且有利于推動大型免涂裝耐候鋼橋在我國北方寒冷地區的設計與建造［1-3］。

為保證工程質量，黑龍江省公路勘察設計院聯合中鐵山橋集團有限公司和燕山大學為本工程制定了“黑河大橋耐候鋼用高強度螺栓技術條件”。該技術條件主要是在GB/T 1231—2006《鋼結構用高強度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術條件》［4］的基礎上增加了對耐候性能、耐大氣腐蝕性能以及低溫沖擊的要求。該技術條件規定螺栓的力學性能和連接性能應滿足GB/T 1231—2006 中有關10.9S 螺栓的技術要求；針對免涂裝耐候鋼高強度螺栓的特點，規定耐候指數I≥6.5，以保證耐大氣腐蝕性能；根據橋位環境溫度，提出了-60 ℃下U 型缺口沖擊功≥21 J的指標要求。據不完全統計，高強度螺栓在橋梁施工驗收后1～5年內，一般大約會發生萬分之幾的螺栓斷裂，而發生斷裂的螺栓，絕大部分是發生了延遲斷裂。為防止斷栓現象，本工程特別規定了耐候鋼螺栓材質應具有抗延遲斷裂性能，應符合“Walpole 酸性溶液中0.8 倍缺口拉伸強度加載條件下試樣保持100 h不發生斷裂”的要求［5-6］。該指標的提出可提高橋梁的安全性。

1 試驗材料與方法

NHL10螺栓的化學成分見表1，耐候指數I ＞6.5。螺栓的生產流程為：酸洗→拔鋼→車桿，倒角→熱成型→車倒角→磷化，皂化→縮中頸→滾絲→淬火→回火→磷化，浸油→復滾→成品檢驗→包裝。

表1 螺栓化學成分（質量分數） %

對M30耐候鋼高強度螺栓NHL10的機械性能、扭矩系數、抗滑移系數、抗延遲斷裂性能、耐大氣腐蝕性能進行試驗。參考ISO/FDIS 16573：2014（E）［7］，選取10.9S 級材質為35VB 的非耐候鋼高強度螺栓作為對比，采用恒載荷缺口拉伸試驗，對NHL10 進行抗延遲斷裂性能評價。試驗溶液為Walpole（濃鹽酸14.6 mL+無水乙酸鈉16.4 g+去離子水1 000 mL）緩蝕液，溶液的初始pH 值為（3.5±0.5），試驗溫度為室溫，試驗時間100 h，抗延遲斷裂試驗如見圖1所示，恒載荷缺口拉伸試樣見圖2。

圖1 抗延遲斷裂試驗示意

圖2 缺口拉伸試樣（單位：mm）

2 試驗結果及討論

2.1 NHL10螺栓的機械性能

螺栓連接副的主要機械性能見表2、表3。由表2、表3可以看出，NHL10 耐候鋼高強度螺栓力學性能及連接性能要滿足GB/T 1231—2006 及黑河大橋技術條件要求。

2.2 NHL10螺栓的扭矩系數

NHL10 螺栓在不同溫度下的扭矩系數及標準偏差見表4。可見，螺栓連接副的扭矩系數隨溫度變化不大，且沒有明顯的變化趨勢。連接副的扭矩系數平均值為0.110～0.150，扭矩系數標準偏差不大于0.010 0，滿足要求。因受環境條件的影響而導致扭矩系數發生的變化，對最終的施工質量檢查不會造成較大影響。

表2 NHL10螺栓試件機械性能

表3 NHL10螺栓組件機械性能

表4 螺栓不同溫度下扭矩系數

2.3 NHL10螺栓的抗滑移系數

NHL10 螺栓連接副經不同時間銹蝕，抗滑移系數見表5。根據技術條件，每批需進行3組試驗。抗滑移系數測試連接板見圖3，連接板材質為Q420qFNH，表面進行Sa2.5 級噴砂處理，經自然銹蝕后進行抗滑移系數測試試驗。不同銹蝕時間后銹層形貌見圖4，自然銹蝕1個月時銹層疏松，抗滑移系數略有波動；自然銹蝕3 個月后銹層趨于致密穩定，耐候鋼高強度螺栓與耐候橋梁鋼配合使用，螺栓連接副抗滑移系數大于0.55，滿足技術條件要求。

表5 螺栓連接副抗滑移系數

圖3 抗滑移系數測試連接板

圖4 不同銹蝕時間后銹層形貌

2.4 NHL10螺栓的耐候性能

選擇10.9S 級材質與35VB 的非耐候鋼高強度螺栓作對比，腐蝕掛片宏觀形貌見圖5。通過測量腐蝕失重，得出腐蝕速率與年腐蝕減薄量，周期浸潤加速腐蝕試驗結果見表6。可知，NHL10 螺栓耐工業大氣腐蝕性能達到了35VB螺栓的1.5倍以上。

圖5 腐蝕掛片宏觀形貌

表6 周期浸潤加速腐蝕試驗結果

2.5 NHL10螺栓的抗延遲斷裂性能

選擇10.9S 級材質與35VB 的非耐候鋼高強度螺栓作對比，比較2 種螺栓的抗延遲斷裂性能，見表7。可見：NHL10 螺栓缺口臨界斷裂應力為1 534 MPa，缺口臨界斷裂應力比為0.81，達到相關技術要求。35VB 螺栓缺口臨界斷裂應力為1 309 MPa，缺口臨界斷裂應力比為0.62。NHL10 螺栓抗延遲斷裂性能明顯優于35VB非耐候鋼高強度螺栓。

表7 螺栓抗延遲斷裂性能

3 NHL10螺栓施擰

螺栓施擰步驟及施擰注意事項如下：

1）大六角耐候鋼高強度螺栓在施擰之前，應根據施工的溫度、環境條件進行扭矩系數試驗，將通過試驗測得的扭矩系數用于指導大六角耐候鋼高強度螺栓副的施工。

2）使用沖釘使拼接板定位，使用工具將安裝螺栓擰緊，確保拼接板面密貼，沖釘和安裝螺栓數量應滿足要求。安裝過程中，不得使用高強度螺栓代替安裝螺栓使用。

3）高強度螺栓的安裝應在結構件中心位置調整后進行，其穿入方向應以施工方便為準，并要求一致。高強度螺栓連接副組裝時，應注意螺母和墊圈的使用方向，螺母帶圓臺面的一側應朝向墊圈有倒角的一側，螺栓頭下墊圈有倒角的一側應朝向螺栓頭。

現代企業在運行發展過程，一旦出現資金缺乏的情況，便會對正常生產運作等方面造成嚴重的影響，這種情況會導致企業無法獲得利潤回報。一些企業因出現資金風險問題，而導致企業停產，從而造成企業發展狀態衰落等現象。由此可見，加強企業資金管理，在最大程度上降低資金風險的發生率，對維持企業長久穩定發展有著重大現實意義。

4）安裝高強度螺栓時嚴禁強行穿入。不能自由穿入該孔時應用鉸刀進行修正，修正前應將四周螺栓全部擰緊，嚴禁使用氣割擴孔。其擴孔數量及修正后最大孔徑應滿足相關規定要求。

5）安裝高強度螺栓時，構件的摩擦面應保持清潔、干燥，不得在雨中作業。

6）大六角頭高強度螺栓施工采用扭矩扳手，班前必須標定，其扭矩值應在施工扭矩的±5%以內，用于標定施工扳手的扭矩測試設備其相對誤差應在±3%以內［9］。施工扭矩計算式為

式中：Tc為施工扭矩或終擰扭矩，N·m；K為施工前測得的螺栓連接副扭矩系數；d為螺栓公稱直徑，mm；Pc為螺栓的施工預拉力，一般在施工要求或規范中給定，如果沒有給定其值為設計預拉力P的1.1倍。

7）初擰扭矩和復擰扭矩為終擰扭矩的40%～60%左右。初擰的順序原則上由螺栓群中央順序向外擰緊或從接頭剛度大的部位向約束小的方向擰緊。對于大節點需要進行復擰。復擰是用初擰扳手按照初擰順序重新施擰，用以確保拼接板面充分密貼。初擰或復擰后的高強度螺栓應用顏色在螺母上做標記。

8）用高強度螺栓替換安裝螺栓和沖釘，每替換1顆要對其進行初擰，并做好標記。

9）螺栓群的高強度螺栓全部初擰或復擰結束后，按照初擰順序對每顆高強螺栓進行終擰，并對完成終擰的螺栓做好標記。初擰（含復擰）和終擰一般要求在1 d內完成［10］。

10）高強度螺栓終擰結束后，要對施工扳手進行校正，確保其值在標定范圍內。對于班后校正不在范圍內的扳手所施擰的高強度螺栓要重點檢查［11-12］。

4 結論

1）耐候鋼高強度螺栓NHL10 具有優良的力學性能、連接性能，性能指標滿足10.9S級螺栓技術要求及“黑河大橋耐候鋼用高強度螺栓技術條件”要求。

2）耐候鋼高強度螺栓連接副的扭矩系數隨溫度變化不大，且沒有明顯的變化趨勢。因受環境條件的影響而導致扭矩系數發生的變化，對最終的施工質量檢查不會造成較大影響。

3）在模擬工業大氣環境條件下，耐候鋼高強度螺栓NHL10 耐候性能達到了普通高強度螺栓35VB 的1.5倍以上，并且與耐候橋梁鋼的耐候性匹配良好，可避免腐蝕薄弱區的產生。

4）耐候鋼高強度螺栓NHL10 抗延遲斷裂性能明顯優于35VB 非耐候鋼高強度螺栓，可減少螺栓斷裂情況的發生，提高橋梁的安全性。