箱型梁连接板优化改造方案研究与实现

董海蛟

（河北港口集团秦皇岛港股份有限公司，河北秦皇岛 066000）

0 前言

秦皇岛港煤三期装船机门座架和卷扬机房平台之间的连接方式为高强螺栓连接板连接。由于卷扬机房运转产生的振动使高强螺栓发生松动，连接板摩擦副逐渐失效并发生滑移，卷扬机房平台出现下坠趋势，连接板出现变形迹象，且与主体钢结构之间出现了约1～2 mm 的缝隙，高强螺栓摩擦型连接进而变成了承压型连接。承压型连接虽承载力大，但螺栓剪切变形大，抗疲劳能力低，不适用于承受动力载荷的情况，因此该处连接板螺栓频繁出现断裂现象[1]。

高强螺栓断裂后不能简单的通过补充新螺栓达到修复目的。某一条螺栓断裂后其周边的螺栓会负担更大的载荷，新补充的螺栓无法在第一时间负担起相应的载荷，只有待其周边的螺栓出现松动或者断裂时其才开始负担相应的载荷。因此各条螺栓承载力一直处于不均匀的状况，螺栓受剪断裂情况并不能得到改善，连接板与钢结构之间摩擦副进一步失效。

1 连接板优化方案及卷扬机房顶升方案

为解决连接板摩擦副失效给人员设备安全带来的隐患，特制定了以下优化改造方案，重新对连接板的螺栓分布情况进行优化设计，增大连接板与主体钢结构的接触面积，增加了连接板高强螺栓的数量，同时将连高强接螺栓由8.8 级提升为10.9级。重新对优化后的高强螺栓受力状况进行校核。将卷扬机房平台通过工艺顶升垫架予以卸载，在无应力状态下整体更换高强螺栓及连接板，保证新更换的连接板及高强螺栓受力均匀。

优化后的连接板上下盖板结构如图1 所示。在原连接板的两侧分别增加一排高强螺栓，图中长方形虚线框内的螺栓即为新增加的高强螺栓。

图1 新连接板上下盖板结构

优化后的连接板腹板结构如图2 所示。在原连接板的两侧分别增加两列高强螺栓，并把高强螺栓布置在距离连接板形心远端位置，图中长方形虚线框内的螺栓即为新增加的高强螺栓。

图2 新连接板腹板结构（实际安装方向为垂直方向）

对卷扬机房进行顶升，保证连接板更换过程完全在无应力的状况下进行，当顶升垫架移除时，箱型梁四周连接板同时加载，达到均匀受力的状态，机房顶升示意如图3 所示。

图3 工艺顶升垫架示意

2 连接板高强螺栓强度校核

2.1 连接板螺栓受力分析

对卷扬机房建立如图4 所示，可利用虚功原理和莫尔定理对装船机卷扬机房的横梁超净定结构进行受力分析[2]，这里计算过程不再赘述。

图4 梁受力分析示意

经过计算可得：

沿X 轴方向的作用力：Nx=0 kN

沿Y 轴方向的作用力：Ny=475 kN（该力为机房总重95 t 的1/2）

沿Z 轴方向的作用力：Nz=0 kN

绕X 轴的扭矩：Mx=16 404.6 kN·mm

绕Y 轴的转矩：My=0 kN·mm

绕Z 轴的转矩：Mz=3 358 250 kN·mm（Mz=卷扬机房重力×卷扬机房重心到连接板拼接缝的垂直距离/2，其在盖板摩擦面上产生沿X 轴方向的剪切力，在腹板摩擦面上产生接近X 轴方向的剪切力，重心距离拼接缝垂直距离7070 mm）

腹板及盖板螺栓的受力方向见图5、图6。

图5 腹板连接板螺栓受力分析示意

图6 盖板连接板螺栓受力分析示意

计算Ny给予每一根腹板连接板螺栓的力[3]：

式中 n1——单侧梁腹板螺栓总数的1/2

计算弯矩Mz 给予盖板及腹板螺栓的力，Mz 在盖板以及腹板螺栓上均产生一定的剪切力，其分配比例按照下式进行计算：

式中 Mf——弯矩Mz在腹板上的分配值

If——腹板截面对于Z 轴的惯性矩

I——梁截面对于Z 轴的惯性矩

式（2）～（3）中：b1、b2、B、H、h 的基本尺寸见图7。

图7 连接板截面尺寸

联立式（1）、（2）、（3）并计算得Mf=1 465 418 kN·mm。

式中 Mg——弯矩Mz在盖板上的分配值

计算在上盖板（或下盖板）上弯矩Mz给予螺栓的总剪切力：

盖板上Mz给予单根螺栓的剪力：

式中 n2——上盖板（或下盖板）螺栓总数的1/2

因为梁的腹板连接板常采用窄拼接形式（即腹板连接板的长宽比大于3），因此在弯矩Mz作用下可只计算螺栓承受的水平力，则拼接缝一侧最外排螺栓所受的总剪切力：

式中 y1——腹板连接板最外排螺栓间距

yi——对称于梁中轴的各排螺栓间距，具体尺寸如图8 所示。

图8 腹板连接板螺栓间距

最外排螺栓数目为n3=3，则每一根螺栓所受的剪切力：

计算扭矩Mx给予盖板及腹板螺栓的力：

因为该梁的壁厚尺寸相对于梁横截面的尺寸很小，所以该梁可以按照闭口薄壁杆件自由扭转的工况进行计算，薄壁杆件横截面上因扭转产生的剪应力可按照式（4）计算[4]：

式中 τ——梁受扭时横截面上的应力

ω——横截面中线所围成的面积

σ——梁的壁厚

则扭矩Mx给予腹板螺栓的总剪力：

式中 ωf——腹板横截面面积

联立式（4）、（5）、（6）并计算得FF′=244.53 kN。

扭矩Mx给予每根腹板螺栓的剪力：

扭矩Mx给予盖板螺栓的总剪力：

式中 ωg——盖横截面面积

联立式（4）、（7）、（8）并计算得FG′=97.23 kN。

扭矩Mx给予每根盖板螺栓的剪力：

综上，盖板螺栓所受的最大剪切力：

腹板螺栓所受的最大剪切力：

2.2 盖板及腹板受力最大螺栓强度校核

根据GB 50017—2003 查得10.9 高强螺栓预拉力P=225 kN，高强螺栓摩擦型连接中，每条高强螺栓的承载力设计值为[5]：

式中 nf——传力摩擦面数，取2

μ——摩擦面的抗滑移系数（根据GB 50017—2003 取0.4）

P——高强螺栓预拉力

2.3 疲劳强度校核

由于螺栓仅存在预拉力，不存在挤压和轴向载荷，因此新方案无需校核螺栓的疲劳强度。

3 结语

新方案盖板和腹板上受力最大的螺栓载荷利用率仅为32%和24%，即使是在降低抗滑移系数（由0.4 降至0.25）及增加载荷（1.5 倍原载荷）的情况下，新方案的盖板和腹板受力最大的螺栓仅有78%和58%，较原设计的63%和90%相比，依然优于原设计方案的螺栓载荷利用率。新连接板高强螺栓数量增加，强度等级提升，连接板整体摩擦力提高，连接板摩擦副安全性能明显提高。

需要注意的是，连接板高强螺栓不宜采用全螺纹形式，即剪切面内不应留有螺纹，以免出现应力集中现象，造成螺栓抗疲劳能力下降。另外，由于Ny、Mx的叠加作用，使得内侧腹板螺栓较外侧腹板螺栓受力更大，强度校核时应选择内侧腹板的螺栓进行校核。