Проверка и определение усилия натяжения высокопрочных болтов во фрикционных соединениях ранее собранных пролетных строений

ГК «ТРАНССТРОЙПРОЕКТ»

Харламов Дмитрий Николаевич, к.т.н., Генеральный директор 

Звирь Вячеслав Иванович, Инженер-технолог 

Определяющим фактором в определении усилия натяжения высокопрочных болтов является коэффициент закручивания.

В действующем СТП-006-097 не отображены требования по применению значений коэффициента закручивания при расчете крутящего момента и не регламентированы требования по контролю усилия натяжения в ранее смонтированных металлоконструкциях и тем более в эксплуатируемых.

Практика эксплуатации болтовых соединений в стальных конструкциях мостов показывает, что коэффициент закручивания с течением времени только увеличивается, его снижения не происходит.

Высокопрочные болты во фрикционных соединениях практически не меняют своего напряженного состояния в процессе эксплуатации, которое было создано на стадии натяжения. В болте происходит лишь незначительное (около 5% ) падение растягивающих напряжений за счет их релаксации.

Основы расчета натяжения

Метод натяжения высокопрочных болтов по расчетному крутящему моменту (Mкр) с помощью калиброванных динамометрических ключей является основным в России. Рассчитывают Мкр исходя из заданного усилия натяжения Р=0,7 Rmin, где

• Rmin- предельно допустимая нагрузка для высокопрочных болтов;
• Mкр= Р·d·K3;
• d-диаметра болта;
• K3- коэффициент закручивания. За рубежом используют термин «коэффициент трения» или «коэффициент скольжения».

Входящий в расчет крутящего момента коэффициент закручивания , как правило, находится в широком диапазоне и по действующим отечественным стандартам он составляет K3=0,14-0,20- для черных болтов без покрытия и K3 = 0,11-0,20 – для болтов с защитным покрытием.

Пример расчета натяжения высокопрочных болтов

Если выполнить расчет Мкр  по нормативным технологическим стандартам СТП-006-97, то получим следующий результат.

Например, для болтов черных М22 диаметр d=22 мм усилие натяжения Р=0,7 · Rпр ,Р=0,7·32,0=22,4 тс.

Расчетный коэффициент закручивания Кз=0,175

Мкр=P·d·K3=22,4·22·0,175=84 кг · м;

С учетом 10% и 20% перенатяжения Мкр соответственно составит:

• Мкр 10% = 92,2 кг·м;
• Мкр 20%=100,8 кг·м.

Если в используемой партии болтов будут установлены в соединении болты с Кз=0,14, то усилие натяжения в них составит с учетом перенатяжения:

На примере видно, что с учетом 20% перенатяжением создаем в болтах растягивающую нагрузку, превышающую допустимую, а для болтов с защитным покрытием, где K3=0,11, эта нагрузка будет чрезмерно– разрушающей (P=41,6 тс).

Однако, если в используемой партии будут установлены болты с K3=0,20, то при номинальном расчетном крутящем моменте Мкр=84 кг·м  соответственно получим недотяжение болта в соединении P 0,2=84,0/22·0,2=19тс, что на 16% ниже расчетного усилия натяжения, что приведет к снижению несущей способности пролетного строения.

Практика применения  черных болтов показывает, что значения коэффициента закручивания возрастают во времени их работы в соединении и могут составить K3=0,22-0,23 в зависимости от срока их установки и среды эксплуатации.

Приведенный пример показывает, что определяющую роль в расчете крутящего момента играют значения коэффициента закручивания. В реальных условиях на его значения влияет большое количество факторов, поэтому фактическое значение K3 может меняться непредсказуемо.

Из приведенного примера натяжения высокопрочных болтов видно, что в действующем СТП-006-097 не отображены требования по применению значений коэффициента закручивания при расчете крутящего момента и не регламентированы требования по контролю усилия натяжения в ранее смонтированных металлоконструкциях и тем более в эксплуатируемых.

Рекомендации по использованию высокопрочных болтов исходя из натяжения

Разработчик СТП-006-097 Филиал АО ЦНИИС «НИЦ «Мосты» рекомендует при монтаже металлоконструкций использовать высокопрочные болты с узким полем допуска значения коэффициента закручивания – не более 0,04. Оптимальным является поле допуска 0,03.Например, для черных болтов с K3=0,16- 0,18. Болты с защитным покрытием с коэффициентом закручивания K3=0,14 -0,16.

Обоснование применения болтокомплектов с узким полем допуска коэффициентом закручивания не более 0,4 изложено в «Методике определения коэффициента закручивания (К_з^p) для черных болтов и с защитным покрытием», раздел 2.

Для контроля усилия натяжения высокопрочных болтов контролирующей организацией необходим своевременный контроль крутящего момента в процессе монтажа металлоконструкций и регистрация его в журналах выполнения работ по подготовке болтокомплектов, контактных поверхностей и работ по постановке болтов в соединениях, а также контроль за ведением этих журналов. Этот объем требований является необходимым и достаточным условием, обеспечивающим качество болтового фрикционного соединения.

При разработке Технологических регламентов на сборку и сварку металлоконструкций пролетных строений необходимо обосновывать сроки контроля усилия натяжения (крутящего момента) высокопрочных болтов. Согласно требований СТП-006-97  п.5.7, период времени от смазки резьбы метизов до их постановки не должен превышать 10 суток – для черных болтов, сроки контроля должны соответствовать этому периоду. Для болтов с защитным покрытием требованиями изложены в СТО заводов-изготовителей высокопрочных метизов.

Методика проверки усилия натяжения высокопрочных болтов черных и с защитным покрытием за длительный период их постановки в соединение

Методика разработана с учетом требования надежности работы фрикционных соединений с учётом возможных расчетных и практических отклонений значений коэффициентов закручивания болтов.

Необходимый объем проверки усилия натяжения высокопрочных болтов на рассматриваемом объекте определяет Заказчик.

В случаях вынужденного (не согласованного с Заказчиком объема) проведения контроля усилия натяжения высокопрочных болтов после длительного времени их натяжения (более 10 суток для черных болтов) в смонтированных соединениях необходимо выполнить контроль не менее чем в трех сечениях^* по 5 болтам в каждом из узлов сечения.

Проверку усилия натяжения болтов следует проводить при температурах, соответствующих климатическому календарному периоду их натяжения при монтаже металлоконструкций пролетного строения.

Динамометрический ключ должен быть оттарирован на проектный крутящий момент в соответствии с заданным усилием в чертежах КМ. На и шкалу (стекло) индикатора нанести риску на расчетное усилие и с перенатяжением на 20% от проектного.  Для черных болтов принять расчетный коэффициент закручивания Кз=0,18, а для болтов с защитным покрытием расчетный коэффициент определять исходя из данных сертификата или СТО завода-изготовителя этих болтов. Для болтокомплектов, установленных в соединение не ранее 2016 г. принимать расчетный К₃=0,15.

Оттарированным ключом проверить фактический крутящий момент на контролируемых болтах в испытуемом соединении. На контролируемые болты предварительно нанести маркировочные метки (порядковые номера).

Если полученные значения фактического усилия натяжения находятся в интервале номинальных проектных значений и не превышают 20%, то это соединение соответствует СП 46.13330-2011 и полученные результаты испытаний распространяются на все пролетное строение. В этом случае дальнейший контроль не требуется.

Если показания стрелки индикатора превышают значения установленного крутящего момента с перенатяжением 20% или не доходят до расчетного крутящего момента-это означает, что болт недотянут. В этом случае следует нанести на стекло метки фактических крутящих моментов, соответствующих размеченным болтам и продолжить работу по контролю.

Усилие крутящего момента прикладывать только через гайку. Крутящий момент страгивания гайки не учитывается.

На тарировочном стенде определить вес груза G_min и G_max, соответствующие повороту головки ключа до нанесенных меткок на индикаторе по значениям минимального и максимального поворота ключа. Для расчета принимаются метки, превышающие перенатяжение 20% (третью метку на индикаторе), метки недотянутых болтов в расчет не принимаются.

Определить фактический крутящий момент согласно полученным значениям G_min и G_max можно по формуле:

Мкр=Мгр+Мкл= GL+ qL_к, где

• G - вес соответствующих грузов G_min и G_max , кг;
• L - расстояние от места подвеса груза на ключе до оси оправки, или болта, м;
• q - собственная масса ключа, кг;
• L_к - расстояние от центра тяжести ключа до оси оправки или болта, м.

Демонтировать намеченные болты в контролируемом соединении и определить фактический коэффициент закручивания Кф с помощью тарировочного калибратора «SKIDMORE WILHELM MZ 100». Взамен демонтированных установить новые на проектное усилие.

На период между демонтажом болтов и контролем коэффициента закручивания не допускается появление конденсата и загрязнения резьбы болтов и гаек, а временной интервал по этой операции необходимо сводить к минимуму. Состояние резьбы должно быть исходным – без дополнительной смазки.Точность оценки коэффициента закручивания - 0,01.

Фактическое усилие натяжения болтов в контролируемом- соединении рассчитываетсяисходя из полученных значений фактического крутящего момента М_крmin и М_крmax и соответствующих им коэффициентов закручивания Кф по формуле:

Р_ф=М_кр/К_фd.

Если полученные фактические значения усилия натяжения выходят за пределы номинальных проектных значений или превышают более 20%, то необходимо проверить 100% установленных высокопрочных болтов в пролетном строении.

Для расчета крутящего момента М_ф.кр приниммается среднее значение К_фрас из полученных фактических коэффициентов закручивания на калибраторе.

М_ф.кр=Р К_фрасd, где

• Р- номинальное проектное усилие натяжения, кг;
• Кф рас- определяют из полученных данных на приборе калибраторе, значения которых должны находиться в поле допуска 0,04;
• d-диаметр болта, м.

Если фактические значения выходят за поле допуска, то расчетное значение коэффициента закручивания смещают в сторону больших значений, чтобы уменьшить риски ослабления усилия натяжения.

Калибровочный ключ КМШ-1400 тарируют по Мф._кр+20%.

В процессе проверки высокопрочных болтов зановопротарированным ключом ослабленные болты дотягивают до Мф._Кр.

Перетянутые болты, превышающие 20% Мф.кр, удаляют и устанавливают новые.

Допустимое количество болтов, не соответствующее нормам усилия натяжения или не установленных, которые можно оставить в соединении необходимо согласовать с проектной организацией.

Наличие краски или ржавчины на поверхности болтокомплектов не искажают контролируемые показатели, предварительная очистка не требуется. За многолетнюю практику обследования высокопрочных болтов в стальных конструкциях мостов не выявлено следов коррозии и загрязнений контактных поверхностей резьбы болтов и гаек. В процессе контроля болтов гайка смещается в сторону чистой поверхности резьбы.

Методика определения расчетного коэффициента закручивания(К_з^p) для черных и с защитным покрытием высокопрочных болтов.

При сборке фрикционных соединений на высокопрочных болтах стальных пролетных строений перед технической службой строительной организации ставится задача рассчитать крутящий момент натяжения болтов М_КР.

В проектной документации должны быть основные расчетно-конструктивные и технологические параметры:

• коэффициент трения по контактным поверхностям в соединении µ;
• диаметр высокопрочного болта;
• расчетное усилие натяжения каждого высокопрочного болта Р.

От завода-поставщика высокопрочного крепежа поступают сертификаты качества на болтокомплекты с указанием коэффициента закручивания на каждую конкретную партию болтов К_З.

Из вышеприведенных данных технической службе необходимо определить расчетный крутящий момент М_КР=P·d·К_з^p, где

• М_КР- расчетный крутящий момент , приложенный к гайке (кгс*м);
• Р- нормативное усилие натяжения болта (даны в проектной документации);
• d- диаметр болта (задан в проектной документации);
• К_з^p- расчетный коэффициент закручивания, который необходимо определить.

Для определения расчетного коэффициента закручивания К_з^p необходимо руководствоваться данными сертификатов качества заводов-поставщиков метизов.

Значение К_з^p оценивается как среднеарифметическое в диапазоне максимальных и минимальных значений для всех партий болтов, указанных в Сертификатах.

Диапазон отклонений этих значений должен составлять не более 0,04, т.е. разница К_з^p −К_min≤0,02 и К_max− К_з^p ≤0,02. Эта разница в 0,02 составляет не более 15% .

Верхний интервал отклонений между максимальными и расчетными значениями К_max− К_з^p компенсируют расчетные коэффициенты m_bhи m, принятые в формулах расчета усилия натяжения и количества болтов, по СП 35.13330-2011 (Актуализированный СНиП 2.05.03-84).

m_bh=0,95-учитывает условия работы высокопрочного болта при контроле натяжения по крутящему моменту в формуле (8.106, СП 35.13330-2011) Р= R_bh·А_bh·m_bh,

m=0,9-учитывает условия работы болта в пролетном строении в формуле (8.107, СП 35.13330-2011) n=N/m·Qbh·ns  при расчете количества болтов в соединении.

Нижний интервал отклонений между расчетным и минимальными значениями К_з^p − К_min регламентируется расчетным коэффициентом К=0,7 , т.е. R_bh=0,7·Rmin (8.14 СП 35.13330-2011 )– определяющим допустимое временное сопротивление относительно минимального значения временного сопротивления болта.

Предусмотренный в расчетах запас прочности в 30% перераспределяется:

• на повышение крутящего момента при постановке в соединении с учетом перенатяжения болта на 10%
• 15% - на допустимое отклонение фактического коэффициента закручивания от расчетных значений в сторону минимального значения, (К_з^p − К_min).

Пример определения расчетного коэффициента закручивания К_з^p

Для «черных» болтов М22 К_з^p определяют по данным Сертификатов завода-изготовителя как среднее арифметическое коэффициентов закручивания поставленных партий высокопрочных болтов, при условии, что были заказаны высокопрочные болтокомплекты  в диапазоне К= 0,16-0,19.

Следует дополнить, что при заключении контракта на поставку высокопрочного крепежа заказчик обязан согласовать с поставщиком диапазон К_з для всех поставляемых партий с предельным отклонением не более 0,04 (оптимальным- 0,03).

Те партии болтов, в которых значения К_звыходят за принятые предельные отклонения,к постановке в соединения не допускаются.

В данном примере расчетным коэффициентом закручивания принят К_з^p =0,175.

В случаях применения высокопрочных болтокомплектов с защитным цинк-ламельным покрытием, расчетный коэффициент закручивания составит К_з^p =0,15 из условия поставки в диапазоне К_з=0,13-0,17.

Целесообразно дополнительно проверять фактический К_з от каждой партии после их подготовки до постановки в соединение в лаборатории строительной организации. Для этого использовать тарировочный калибратор «SKIDMORE WILHELM  MZ 100». Инструкция по применению этого калибратора прилагается при поставке.

Также вас могут заинтересовать следующие статьи:

• Применение монтажных разъемных соединений на высокопрочных болтах
• Технологии строительства мостов
• Материалы в строительстве мостов