Значение поля рассеивания коэффициента закручивания высокопрочных болтокомплектов

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

ООО «ПСК ТРАНССТРОЙПРОЕКТ»

Звирь Вячеслав Иванович, Инженер-технолог

ООО «ПСК ТРАНССТРОЙПРОЕКТ»

Сергеев Алексей Анатольевич, Генеральный директор
ООО «НИЦ Мосты» 

Коэффициент закручивания К - определяющая характеристика высокопрочных болтокомплектов, зависящая от геометрических параметров болта и гайки, а также от коэффициентов трения по резьбе и опорной поверхности гайки ( или головки ) по шайбе. 

Коэффициент закручивания определяется опытным путем исходя из известного крутящего момента М, приложенного к гайке и полученного в процессе испытание усилия в болте Р.

K=M/P*d-  безразмерная величина. 

Величину крутящего момента М определяют предварительно по этой же формуле, но применяют Кр - расчетный коэффициент закручивания, принятый из ранее испытанных болтокомплекатов по их среднему значению. Таким образом коэффициент закручивания Фигурирует во всех формулах при расчете усилия натяжения болта. 

Значения коэффициента закручивания регламентируют только в технических условиях ГОСТ Р 53664 при производстве болтокомплектов и он может составлять от 0,13 до 0,20 в зависимости от состояния поверхности болтокомплектов

В нормативных документах 90-х годов был установлен средний показатель К3 = 0,175 обоснованный тем, что производители высокопрочных болтокомплектов поставляли изделия без защитного покрытия и при их смазке. Разброс значений не превышал 

К =0.15 - 0.19

В нормах проектирования стальных мостовых конструкций регламентировано усилие натяжение, которое должно соответствовать 

P = Rbh * Abh * m

где Rbh - расчетное сопротивление высокопрочного болта и должно быть на уровне 0,7Rbun - (70%) от наименьшего сопротивления разрыву болта, Rbh = 0,7Rbun.

Abh - чистое сечение болта, m =0,95 коэффициент. учитывающий работу болта исходя из условия его натяжения по крутящему моменту, т.е. учитывает коэффициент закручивания, ослабляющий усилие натяжения, т.е.

P = 0.7Rbun * Abh * 0.95  (8.2, 8.106СП35.13330.2011)

Исходя из расчетного усилия Р=22,5 тс для болта диаметром d=22(мм) рассмотрим реальную картину работы высокопрочных болтов в зависимости от значений коэффициента закручивания, изготовленных с полем рассеивания K = 0,15-0,18. В данном примере применим расчетный К3=0,17. Крутящий момент М=22,5*0,022*0.17=85 кгс*м. При натяжении по крутящему моменту Мкр=85 кгс*м допускаем перенатяжение болтов на 10% и 20%.

По значениям коэффициента закручивания от 0.15 до 0,18 рассчитаем фактическое усилие натяжение болтов при расчетном крутящем моменте Мкр= 85 кгс*м

P=85/0.022*(0.15/0/18) (Кгс);

P0.15=25.7 тс

P0.16=24.1 тс

P0.17=22,7 тс

P0.18=21.5 тс

На рисунке 1 графически показаны зоны работы болтов диаметром 22 мм в зависимости от величины коэффициента закручивания.

Линия А-Б указывает на крайние минимальные значения усилия натяжения  высокопрочных болтов в зависимости от разброса показателей коэффициента закручивания в пределах от К=0,15 до К=0,18 с крутящим моментов М=85 кгс*м.

Верхняя точка А указывает на то, что во фрикционном соединении возможна постановка болтов с усилием натяжения P=21,4 тс с учетом коэффициента запаса 5% (m=0.95) при расчетном Р=22,5 тс.

Верхняя точка Д показывает, что усилие натяжения P=21,4 тс возможно в болтах с фактическим коэффициентом закручивания К=0,197 , но при перенатяжении по крутящему моменту на 10%. Линия С-Д соответствует крутящему моменту М=93,5 кгс*м.

Нижняя точка С показывает, что в случае перенатяжения болтов по крутящему моменту на 10% , фактическое усилие в болтах может составить Р=27,7 тс при коэффициенте закручивания К=0,15. Однако , если будет установлен в этом соединение болтокомплект с К=0,13 , то болт может разрушиться.

Болт также может разрушиться , если крутящий момент будет превышен на 20% т.е. Мкр=85 кгс*м+20%=102 кгс*м (см. Точку Е)

На практике имели место случай, когда завод-поставщик определял коэффициент закручивания болтокомплектов без смазки, а на строительной площадке эти болтокомплекты готовили по инструкции СТП 006-91 смазывая их в растворе бензина. В результате коэффициент закручивания снижался с К=0,16 до К=0,12 и как правило, болты разрушались.Фактическое усилие натяжения при коэффициенте закручивания К=0,12 составило от Р=31,7 тс до Р=38 тс при разрушительном усилии Р=30 тс

Данный случай был выявлен при строительстве в 2014г. путепровода на 34 км автомобильной дороги А-103 Щелковского моссе (с подъездами к г. Щелково и Звездному городку) Московской области

Из приведенного на графике расчета усиления натяжения болтов в зависимости от  значений коэффициента закручивания видно, что обеспечивается запас прочности болта в 12% при перенатяжении его на 10%. Этот запас действителен во фрикционных соединениях с контактными поверхностями, очищенными пескоструйным или дробеструйным способами без защитного покрытия. Если контактные поверхности покрыты защитными фрикционными грунтовками типа ЦВЭС или ЦВЭС +ЦВЭС-А ,то в расчет усилия натяжения болтов вводят коэффициент перенатяжения соответственно 1,1 или 1,15 учитывающий дальнейшую релаксацию усилия натяжения , т.е.

Мкр = 1,1(1,15) p* d * К3 (кгс*м)

Таким образом, болты, затянутые по завышенному крутящему моменту в процессе монтажа металлоконструкций до момента релаксации могут не выдержать такой нагрузки и разрушиться.

Выводы:

• Для обеспечения надежности работы фрикционного соединения на высокопрочных болтах предусмотрено ограничение поля разброса значений коэффициента закручивания болтокомплектов в проекте нового ГОСТ“Болты,гайки,шайбы высокопрочные и болтокомплекты из них для контролируемого натяжения конструкционные”
• Ограничить крутящий момент перенатяжения болтов Мкр не более 10%. При этом в процессе контроля усилия натяжения болтов возможно увеличение крутящего момента в начале сдвига гайки до 20%. Эта норма не является браковочным признаком.
• Во фрикционных соединениях с защитными контактными поверхностями  ЦВЭС +ЦВЭС-А , а также другими видами защитных покрытий , влекущими релаксацию усилий натяжения ограничить толщину покрытия ,  для того чтобы снизить величину этой релаксации.
• Во фрикционных соединениях с защитным покрытием контактных поверхностей установить мониторинг релаксации усилия натяжения на период их сборки.
• При расчете крутящего момента Мкр принимать за расчетный коэффициент закручивания предпоследний показатель наибольших значений. Например, по данным сертификата завода поставщика коэффициент закручивания составляет от 0.15 до 0,18 , в этом случае принимать расчетный К3 = 0,17.

Также вас могут заинтересовать следующие статьи:

• Проверка и определение усилия натяжения высокопрочных болтов во фрикционных соединениях ранее собранных пролетных строений
• Применение монтажных разъемных соединений на высокопрочных болтах
• Технологии строительства мостов
• Материалы в строительстве мостов