基于材料特性解决锚栓紧固问题的应用研究

朱彦斌 ZHU Yan-bin；刘东东 LIU Dong-dong

（①中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司，郑州450007；②中国电建集团河南工程有限公司，郑州450001）

0 引言

当个别锚栓由于安装过程中预留长度不足，不能满足液压拉伸器进行张拉条件，如果采用扭矩法紧固锚栓，由于控制精度不高，将导致锚栓应力分布不均，易造成在螺纹连接部位等应力集中处形成裂纹。通过风机工程的设计实例，对立式风机中锚栓及钢筋混凝土的受力应变状态关系进行分析计算，得出上述材料的受力强度均低于其对应的屈服强度，遵从胡克定律，锚栓及其它材料的应力和应变呈现出线性的相互关系，从而提出通过伸长量法解决风机锚栓预留长度不足的紧固问题。

1 问题描述

1.1 项目概况

该大型风电场的厂址位于河南省周口市，本期安装20台2.5MW的大型风力发电机组，风机的基础为一个圆柱形台阶重力式扩展钢筋混凝土基础，单台风机混凝土方量为638m3，标号为C40，锚盘间混凝土的厚度为4400mm。风机基础如图1所示。

图1 风机基础正面剖视图

锚栓规格为M48×4800（A型），螺母厚度为38mm，螺距5mm，总数192根，安装图纸要求锚栓露出基础顶面的长度为265±1.5mm。锚栓采用高强度合金结构钢42CrMoA，等级为8.8级，屈服强度为640MPa，弹性模量为206GPa。垫片厚度为8mm，外径92mm，内径49.4mm，总面积4728.6mm2。锚盘的外径4725mm，内径3805mm，总面积6.16m2。塔筒法兰外径4625mm，内径3905mm，总面积4.83m2。采用无粘结后张法施工工艺，锚栓紧固的预拉力为680kN，超张拉系数为1.15。锚栓组件如图2所示。

图2 锚栓组件图

1.2 问题描述

由于安装质量控制不严，造成锚栓整体露出基础顶面的长度均低于设计值。其中连续34颗（塔筒内、外侧各17颗）锚栓露出长度仅为206-227mm，低于设计值38-44mm，导致液压拉伸器套扣在锚栓上的丝扣长度过短造成丝扣损坏。若不及时解决此问题，将影响该风机的正常吊装。

2 方案制定

2.1 方案分析

经与风机制造厂、锚栓加工厂、监理、吊装等相关单位共同研究，分析了锚栓达到设计预紧力后锚栓及混凝土的应变状态，以及对液压拉伸预紧法、扭矩法紧固锚栓的特点和控制误差进行分析，确定采取使用电动定值扭矩扳手紧固锚栓，通过测量螺栓露出锚板的伸长量进行控制的方案。

2.1.1 材料的应变状态

①锚栓的张拉强度

式中：Pm-单根锚栓的抗拉强度；Q0-预紧力；As-锚栓有效应力截面积1470mm2[4]。

②混凝土的抗压强度

式中：Ph-锚盘的抗压强度；N-锚盘承受的总荷载；Am-锚盘的面积。

③结果分析

根据计算结果判定，锚栓和混凝土在达到设计预紧力时均处于弹性变形阶段。

2.1.2 紧固方式的控制精度

①扭矩法。

扭矩控制方法是最常见的一种螺栓拧紧方法，它具有扭矩控制简单、直接的特点，但是由于夹紧力受摩擦系数的变化影响较大，所以当扭矩已经达到了规定的数值时，不能够确保轴向力也已经达到了规定的数值。因此，通过扭矩来控制预紧力的精度不高，其控制精度的误差约为士25%。

②液压拉伸预紧法。

使用电动液压拉伸器给锚栓施加预定拉力使之伸长，然后旋紧锚栓螺母，撤去液压拉伸器的拉力后将在锚栓产生和拉力相等的预定预紧力。由于采用该种方法紧固锚栓时，不用考虑锚栓螺帽与锚杆丝扣之间产生的摩擦力的影响,所以该种紧固锚栓的方法适用于任何尺寸的锚栓，且均匀的压紧塔筒法兰和锚栓垫片，不会出现在紧固锚栓时发生倾斜、翘曲等问题而影响锚栓紧固值的精确控制。

③螺栓伸长量控制法。

由于锚栓紧固时产生的伸长量仅与施加在锚栓的应力有关，与摩擦系数、接触变形等因素的影响无关，所以通过精确测量锚杆产生的伸长量就可以得到最高的控制精度，该种方法已被广泛地应用在重要工作场合的螺栓法兰连接的预紧力控制。如果测量方法和操作步骤正确，锚栓紧固的精度误差可以控制在士5%以内。

通过以上分析，采用螺栓伸长量控制法获得的控制精度是最高的。

2.2 方案制定

锚栓承受75%和100%的预紧力时，计算出对应的扭矩M0.75和M。

锚栓承受75%和100%的预紧力时，计算出锚栓的伸长量。

第一节塔筒吊装完成后，均匀安装螺帽后测量34颗锚栓露出基础顶面的初始长度。采用电动液压定值力矩扳手紧固至扭矩M0.75，第二次测量锚栓露出基础顶面的长度，计算出伸长量。

风机吊装完成后，采用电动液压定值力矩扳手紧固至扭矩M，第三次测量锚栓露出基础顶面的长度。

2.3 理论计算

2.3.1 螺栓拧紧力矩与拧紧力关系

式中：M0.75和M-锚栓拧紧时的公称力矩；kt-力系数，与螺纹材料、表面的光洁度、润滑状态等因素有关，通常取0.1-0.3；Q0-锚栓预紧时施加的设计张力值；d-锚栓的公称直径。

2.3.2 总伸长量计算与分析

①螺栓伸长量与拧紧力关系[2]：

式中：ΔLm0.75和ΔLm-锚栓拉伸后的伸长值；Q0-锚栓预紧时施加的设计张力值；Lm-锚栓的长度；E-锚栓的弹性模量；As-锚栓的有效应力截面积。

②混凝土的压缩量。

式中：ΔLh0.75和ΔLh-混凝土压缩量；N-压力总荷载；Lh-混凝土厚度；Am-锚盘的面积；Ec-混凝土的弹性模量32.5GPa[5]。

③塔筒法兰及锚板压缩量。

式中：ΔLf0.75和ΔLf-构件压缩量；Q0-预紧力；Lf-法兰、垫片和锚盘的总厚度；Ad-锚栓垫片的面积；E-法兰的弹性模量。

④锚栓总伸长量。

2.3.3 测量方案

为确保测量的精度，使用DS03型高精密自动找平水准仪（配套铟瓦尺）。该测量器具采用数字液晶显示，最小读数为0.01mm，千米往返测量偏差≤0.3mm。测量点的位置选取锚栓顶端、塔筒法兰上平面。初始测量：第一节塔筒吊装后，对锚栓进行均匀的紧固，使螺帽紧贴垫片。第二次测量：紧固力矩达到设定的M0.75后，对伸长量测量。第三次测量：风机设备吊装完成后，紧固力矩达到设定的M后对伸长量进行测量。

2.4 方案实施

2.4.1 伸长总量对比表

通过扭矩法分别对预应力锚栓分别施加75%和100%的预紧力，分别测得对应的预应力锚栓伸长量，如表1所示。

表1 锚栓伸长量对比表

2.4.2 偏差率对比表

通过实际伸长量的平均值、最小值、最大值分别计算出相对理论计算值的偏差率，如表2所示。

表2 变差率对比表

2.4.3 结果分析

75%预紧力阶段，受混凝土密实度的不均匀性、锚盘与塔筒法兰结接触面加工精度的影响，偏差率＜±4.86%；100%预紧力阶段，受上述影响因素减小，偏差率＜±3.1%。平均值偏差率均较小，接近理论计算值。

2.4.4 注意事项

①作业前检查有关测量器具是否在检验有效期内，以及测量人员持证上岗，减少设备和人员带来的测量差。②塔筒吊装前，对锚栓的丝扣部分进行除锈并均匀涂抹油脂，减少螺母与丝扣间的摩擦力，并对锚栓进行测量编号。③塔筒吊装后，对锚栓螺母进行初紧固，减少塔筒与锚板间的空隙，减少测量误差。④由于每个锚栓的实际力系数kt并不相同，当锚栓伸长的测量偏差超过±5%时，应调整扭矩扳手的定值进行紧固力矩的调整。

3 结论

通过不同材料在应力状态下的伸长量或压缩量的理论计算，根据实测数据分析，结果表明最大偏差值满足风机锚栓紧固的控制精度要求，平均值与理论计算值较为接近，说明采用锚栓伸长量控制锚栓紧固精度的方法合理可行。