塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接螺栓組松動行為宏觀表征研究

馮廣奇 王忠雷 宋世軍 臧泓源

山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 濟(jì)南 250101

0 引言

隨著建筑業(yè)的飛速發(fā)展以及建筑施工現(xiàn)代化機(jī)械水平不斷地提升，塔式起重機(jī)（以下簡稱塔機(jī)）已成為建筑施工中不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備。一般QTZ63及以下塔機(jī)的塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)普遍使用高強(qiáng)螺栓連接，螺栓連接是一種非常典型的非線性結(jié)構(gòu)[1]，雖然國內(nèi)外對于螺栓連接進(jìn)行了大量研究，但主要研究針對管道等密封裝置的連接，對于邊界條件較復(fù)雜的螺栓連接相關(guān)研究仍處于起步階段。針對此類情況，在確定螺栓預(yù)緊力時僅通過一般性手冊進(jìn)行計(jì)算無法保證螺栓連接質(zhì)量[2]，而塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)螺栓連接屬于其中典型的一種，因連接螺栓失效引起的塔機(jī)傾翻事故較常見，由此可見，塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接螺栓松動行為宏觀表征研究的必要性。

相比單個螺栓預(yù)緊力變化，螺栓組所受預(yù)緊力的差異所導(dǎo)致連接部件疲勞強(qiáng)度等力學(xué)行為的差異更加明顯，螺栓組連接面的接觸類型、結(jié)合剛度等都會受到影響[3，4]。目前，螺栓檢測方法分為基于振動、機(jī)電阻抗和導(dǎo)波等三類SHM技術(shù)。基于振動型的SHM技術(shù)方法的測量誤差較大，對于螺栓松動前期松動檢測不靈敏[5]；基于電阻抗的SHM技術(shù)精度高，測量準(zhǔn)確，但測量儀器價格高昂，不適用于塔機(jī)設(shè)備的螺栓松動檢測[6]。基于導(dǎo)波的SHM 技術(shù)與前一種類似，測量結(jié)果相比振動型測量技術(shù)準(zhǔn)確，但測量設(shè)備昂貴，且對環(huán)境要求較高，同樣不適用于塔機(jī)設(shè)備的螺栓松動檢測[7]。

相比直接檢測螺栓松動狀況，螺栓松動后所引起標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢位移變化更易獲取。基于此，王勝春等[8]提出了基于小波包和支持向量機(jī)的塔機(jī)結(jié)構(gòu)健康診斷方法；宋世軍等[9]通過有限元研究了螺栓松動對于塔身的損傷，但該方式是通過改變螺栓連接處剛度進(jìn)行模擬螺栓松動過程，與實(shí)際螺栓松動行為具有一定差距。因此，本文采用有限元軟件Ansys建立兩節(jié)6010塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)螺栓連接完整參數(shù)化模型，在完成單一連接螺栓預(yù)緊力變化宏觀研究[10]基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步研究連接螺栓組預(yù)緊力變化對塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的宏觀表征影響、后期通過塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)宏觀表征定性判斷塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)損傷部位打下基礎(chǔ)。

1 螺栓組連接有限元建模

建模過程采用毫米（mm）、秒（s）、噸（t）單位制，其中主肢、斜腹桿、螺栓套等材料為Q235A，材料性能參數(shù)：彈性模量為2.00×105MPa，泊松比為0.29，密度為7.85×10-9t/mm3。連接螺栓采用10.9級的高強(qiáng)螺栓，材料性能參數(shù)：彈性模量為2.10×105MPa，泊松比為0.30，密度為7.85×10-9t/mm3，由高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力對照表得到額定預(yù)緊力為477 400 N。

通常，塔機(jī)在Ansys軟件中采用梁桿Beam 188建模（整機(jī)建模），忽略了螺栓套、螺桿、螺母等，而本文采用實(shí)體單元Solid 185（八節(jié)點(diǎn)六面體單元，具有超彈性、應(yīng)力鋼化、蠕變、大變形和大應(yīng)變能力）進(jìn)行建模，優(yōu)勢在于Solid 185對6010塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)結(jié)構(gòu)簡化較少，保留了螺栓連接結(jié)構(gòu)，其計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際。

6010塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接面共有8個螺栓，且上下連接套的尺寸相同，螺栓孔直徑為38 mm，螺栓桿長度為320 mm，直徑為36 mm。螺母厚度為25 mm，外徑為30 mm。使用Ansys軟件中的Solid 185單元進(jìn)行建模，模型如圖1所示。該塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的實(shí)體單元共有38 368個，節(jié)點(diǎn)61 600個，預(yù)應(yīng)力單元8個。

圖1 6010塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接模型

有限元模型采用Pretention 179命令建立螺栓預(yù)緊力單元，優(yōu)點(diǎn)在于相比其他方式更簡易，且易控制預(yù)緊單元方向。上下標(biāo)準(zhǔn)節(jié)通過螺栓進(jìn)行連接，螺栓連接結(jié)構(gòu)的摩擦接觸行為屬于典型的摩擦接觸行為，通過Targe 170和Conta 174接觸單元建立接觸對進(jìn)行模擬螺栓、連接套、螺母間的摩擦接觸行為，設(shè)定摩擦系數(shù)為0.15，利用接觸對中的接觸單元和目標(biāo)單元使非線性問題迭代收斂。

2 有限元模型載荷施加

如圖2所示，以逆時針的順序編號主肢1～4，螺栓1～8。其中主肢1、4受拉力，主肢2、3受壓力。由圖1可知，兩節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接后的連接模型，在下方標(biāo)準(zhǔn)節(jié)底部施加全約束且塔身最上方（以下簡稱塔身頂端）、最下方（下方第二節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，以下簡稱塔身底端）標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接螺栓均由數(shù)字1～8表示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)螺栓連接示意圖

塔機(jī)處于滿載工作狀態(tài)時，獲取塔身頂端、塔身底部標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢載荷，載荷數(shù)據(jù)如表1所示，該數(shù)據(jù)來源于QTZ80特種設(shè)備型式實(shí)驗(yàn)報告。由表1可知，塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢X、Y方向所受載荷與Z軸方向所受載荷相比較小。因此，本文忽略不計(jì)塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)X、Y方向所受載荷，通過對于塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)施加不同的Z向載荷模擬標(biāo)準(zhǔn)節(jié)在塔身不同位置（塔身頂端與底部）。

表1 塔身不同位置標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢載荷 N

3 數(shù)據(jù)分析

螺栓預(yù)緊力變化范圍從零到額定值，每次增加0.1倍的額定預(yù)緊力，故有

式中：F為螺栓預(yù)緊力；F0為螺栓額定預(yù)緊力；δ為預(yù)緊力系數(shù)，δ＝0、0.1、0.2、0.3、…、1。

式中：Δ為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢頂端位移，Δ0為額定預(yù)緊力引起的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)頂端位移，Δ1為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢位移差值。

如圖2所示，兩個連接螺栓預(yù)緊力同時發(fā)生變化。如表2所示，δ為橫坐標(biāo)，分別以Δ、Δ1為縱坐標(biāo)，通過分析標(biāo)準(zhǔn)節(jié)螺栓組預(yù)緊力系數(shù)（δ）從0～1共11種工況的宏觀表征（位移），得到圖3～圖8。

表2 預(yù)緊力同時變化的連接螺栓組

圖3 塔身頂端標(biāo)準(zhǔn)節(jié)不同側(cè)連接螺栓組松動主肢頂端位移變化

圖4 塔身頂端標(biāo)準(zhǔn)節(jié)同側(cè)連接螺栓組松動主肢頂端位移變化

圖5 塔身頂端標(biāo)準(zhǔn)節(jié)對側(cè)連接螺栓組松動主肢頂端位移變化

圖6 塔身頂端與底端標(biāo)準(zhǔn)節(jié)不同側(cè)連接螺栓組松動主肢頂端位移變化

圖7 塔身頂端與底端標(biāo)準(zhǔn)節(jié)不同側(cè)連接螺栓組松動主肢頂端位移變化

圖8 塔身頂端與底端標(biāo)準(zhǔn)節(jié)對側(cè)連接螺栓組松動主肢頂端位移變化

3.1 螺栓組松動對塔身頂端的靜力變形影響分析

與單螺栓松動類似，當(dāng)螺栓組預(yù)緊力發(fā)生松動后（坐標(biāo)系為圖2所示方向），標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢Y方向最大位移不超過0.1 mm，本文不進(jìn)行討論。X方向位移變化圖以δ為橫坐標(biāo),以Δ為縱坐標(biāo)進(jìn)行討論，而由于Z方向位移變化趨勢較小，故將以位移差值變化圖（即以δ為橫坐標(biāo),以Δ1為縱坐標(biāo)）展開討論。

當(dāng)不同側(cè)螺栓發(fā)生松動后，隨著預(yù)緊力的不斷降低（δ從1逐漸降低直至為0），在X方向上（見圖3a）），標(biāo)準(zhǔn)節(jié)4根主肢均向X軸正半軸方向移動，其中最大位移發(fā)生在主肢3上，最大位移為2.06 mm，此時不同側(cè)螺栓處于無預(yù)緊力狀態(tài)，最小位移發(fā)生在主肢2，最小位移為2.00 mm，此時不同側(cè)螺栓處于額定預(yù)緊力狀態(tài)；從圖中可觀測到，不同側(cè)螺栓預(yù)緊力變化范圍在0～0.5倍額定預(yù)緊力時，4根主肢的位移變化較大；預(yù)緊力變化范圍在0.5倍額定預(yù)緊力到額定預(yù)緊力時，4根主肢的位移變化較小；此外，在預(yù)緊力變化范圍內(nèi)4根主肢在X方向位移變化趨勢接近。

隨著不同側(cè)螺栓預(yù)緊力的不斷降低（預(yù)緊力系數(shù)從1逐漸降低直至為0），在Z方向上（見圖3b）），主肢2、主肢3的位移差值變化趨勢接近且位移差值小于0.005 mm，位移變化趨勢較小；主肢1、主肢4的位移變化趨勢接近，位移變化最大的主肢為主肢1，最大位移差值為0.045 mm。當(dāng)不同側(cè)螺栓預(yù)緊力在0～0.7倍額定預(yù)緊力時，位移變化較大；在0.7倍額定預(yù)緊力到額定預(yù)緊力之間時，位移變化較小。

隨著同側(cè)螺栓預(yù)緊力的不斷降低，在X方向（見圖4a）標(biāo)準(zhǔn)節(jié)4根主肢均向X軸正半軸方向移動，其中最大位移發(fā)生在主肢3上，最大位移為2.16 mm，此時同側(cè)螺栓處于無預(yù)緊力狀態(tài)，最小位移發(fā)生在主肢2，最小位移為2.00 mm，同側(cè)螺栓處于額定預(yù)緊力狀態(tài)。從圖中可以看出，同側(cè)螺栓預(yù)緊力發(fā)生變化后，在預(yù)緊力變化范圍內(nèi)4根主肢在X方向位移變化與不同側(cè)螺栓預(yù)緊力變化造成的主肢位移變化趨勢相同。

隨著同側(cè)螺栓預(yù)緊力的逐漸降低，在Z方向（見圖4b）主肢2、主肢3的位移差值變化趨勢接近且位移差值小于0.005 mm，主肢1、主肢4的位移變化趨勢接近。當(dāng)同側(cè)螺栓預(yù)緊力在0～0.7倍額定預(yù)緊力時，位移變化較大；在0.7倍額定預(yù)緊力到額定預(yù)緊力之間時，位移變化較小，位移變化最大的主肢為主肢1，最大位移差值為0.049 mm。

隨著對側(cè)螺栓預(yù)緊力的逐漸降低，在X方向（見圖5a）標(biāo)準(zhǔn)節(jié)4根主肢均向X軸正半軸方向移動，其中最大位移發(fā)生在主肢3上，最大位移為2.43 mm，此時對側(cè)螺栓處于無預(yù)緊力狀態(tài)，最小位移發(fā)生在主肢2，最小位移為2.00 mm，此時對側(cè)螺栓處于額定預(yù)緊力狀態(tài)。從圖中可觀測到，對側(cè)螺栓預(yù)緊力在0.1額定預(yù)緊力倍到額定預(yù)緊力之間時，4根主肢在X方向位移變化與不同側(cè)、同側(cè)螺栓預(yù)緊力變化造成的主肢位移變化趨勢相同；對側(cè)螺栓在0～0.1倍額定預(yù)緊力時，主肢4頂端位移急劇變化，位移量超過主肢3頂端位移，位移值為2.30 mm。

隨著對側(cè)螺栓預(yù)緊力的逐漸降低，在Z方向（見圖5b）對側(cè)螺栓0～0.3倍額定預(yù)緊力時，4根主肢位移變化較大，其中主肢4位移變化最大，最大位移差值為0.45 mm，預(yù)緊力在0.3倍額定預(yù)緊力到額定預(yù)緊力之間，4根主肢頂端位移變化較小。主肢1和主肢3位移變化趨勢接近，主肢2位移變化最小，最小位移差值為-0.02 mm；標(biāo)準(zhǔn)節(jié)4根主肢最大位移發(fā)生在主肢2，最大位移為-1.37 mm，對側(cè)螺栓處于無預(yù)緊力狀態(tài)，最小位移發(fā)生在主肢1和主肢4上，最小位移為0.59 mm，此時對側(cè)螺栓處于額定預(yù)緊力狀態(tài)。

對比分析螺栓組松動對塔身頂端的靜力變形影響：經(jīng)對比分析不同側(cè)、同側(cè)連接螺栓組預(yù)緊力變化后造成的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢X與Z兩個方向的位移變化趨勢接近；對側(cè)連接螺栓組預(yù)緊力變化后，在0.1倍額定預(yù)緊力到額定預(yù)緊力之間，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢X與Z兩個方向的位移變化趨勢與不同側(cè)、同側(cè)螺栓預(yù)緊力變化造成的主肢位移變化趨勢相同。在0～0.1倍預(yù)緊力時，在X方向?qū)?cè)連接螺栓組預(yù)緊力變化引起主肢4位移變化相比不同側(cè)、同側(cè)連接螺栓組預(yù)緊力變化造成的主肢位移變化更明顯。

3.2 螺栓松動對塔身頂端和底端的靜力變形對比

對比分析塔身頂端和底端標(biāo)準(zhǔn)節(jié)螺栓組預(yù)緊力變化所造成的主肢位移變化：在X、Z方向上標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢位移變化趨勢相同。在X方向，塔身頂端標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢位移比塔身底端標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢位移大；在Z方向，不同側(cè)、同側(cè)連接螺栓組預(yù)緊力變化時，塔身頂端標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢1、4頂端位移變化要比塔身底端主肢頂端位移變化要大，塔身頂端與底端標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢2、3頂端位移差值均小于0.005 mm；對側(cè)螺栓預(yù)緊力變化所造成的主肢位移變化，塔身頂端與底端主肢1、主肢2、主肢3位移相比主肢4位移變化小，塔身頂端主肢4相比塔身底端主肢4位移差值要大。

4 結(jié)論

1）在同一工況下 在X方向連接螺栓組預(yù)緊力低于0.5額定預(yù)緊力時，塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢頂端位移變化較明顯（其中對側(cè)連接螺栓組松動所造成的影響最大）。

在Z方向 不同側(cè)、同側(cè)連接螺栓組預(yù)緊力發(fā)生變化后，受拉主肢（主肢1、4）比受壓主肢（主肢2、3）頂端位移變化較大；對側(cè)連接螺栓組預(yù)緊力發(fā)生變化后，對側(cè)連接螺栓組所在主肢（主肢4）位移變化最為顯著，當(dāng)對側(cè)連接螺栓組低于0.5倍額定預(yù)緊力時，對側(cè)連接螺栓組所在主肢頂端位移變化最為明顯（位移值增大），即此時該主肢（主肢4）的剛度變小；任意一組連接螺栓組預(yù)緊力在0.5倍額定預(yù)緊力到額定預(yù)緊力之間時，塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢位移無明顯變化，即標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢剛度基本不變。

2）在不同工況下 連接螺栓組預(yù)緊力變化對塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢頂端位移的影響與主肢受拉力大小有關(guān)，具體表現(xiàn)為：任意一組連接螺栓組預(yù)緊力發(fā)生變化，塔身頂端標(biāo)準(zhǔn)節(jié)受拉側(cè)主肢比塔身底端標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢位移要大。