杨风利，李 正，张大长，朱彬荣，王旭明

(1.中国电力科学研究院，北京 100055；2.南京工业大学 土木工程学院，南京 210009)

输电线路实际运行经验表明，在持续强风或舞动作用下，输电铁塔极少发生杆件或螺栓疲劳破坏的情况，横担杆件断裂主要是由于螺栓在持续交变荷载作用下发生松脱造成的，某强舞动区500 kV输电铁塔横担节点螺栓松脱及横担损坏情况如图1所示。输电铁塔横担节点的螺栓发生松脱后，预紧力减小或消失，将无法起到连接杆件的作用，在舞动或持续风振作用下螺杆与角钢孔壁撞击，进而导致螺杆剪断或孔壁断裂，最终引起横担损坏甚至铁塔整体倒塌。

有关输电铁塔杆件风振疲劳的研究较多，而风振、舞动等动力荷载作用下螺栓连接的松脱、断裂性能研究较少。白海峰等[1]结合输电铁塔的结构和环境荷载的概率分布特征，以结构疲劳损伤和设计使用寿命为控制条件，提出了环境荷载作用下铁塔结构疲劳损伤或破坏的可靠度分析方法。瞿伟廉等[2]依据输电铁塔塔身主材法兰连接节点风致响应的特点，推导了塔身主材节点风致应变响应方差的归一化公式，通过小波变换分析实现了螺栓脱落损伤位置的有效识别。汪之松等[3]基于线性疲劳累积损伤理论，在时域和频域讨论了输电铁塔结构的风振疲劳寿命，提出了输电铁塔风振疲劳寿命的估算方法。

图1 节点螺栓松脱及横担损坏Fig.1 Loosening bolted joints and the damaged cross-arm

机械行业在螺栓防松性能方面开展了较为广泛的研究，横向振动试验和有限元仿真模拟是研究螺栓防松性能的两个重要手段。Junker[4]首先注意到横向荷载比轴向荷载更易引起螺栓松动，GB/T 10431—2008《紧固件横向振动试验方法》所采用的试验机便是由Junker试验机改进而来。Zadoks等[5]通过大量螺栓振动试验，开发了横向激励下螺栓连接自松动现象的仿真模型，探讨了螺栓自松动的影响因素并预测了螺栓自松动过程。景秀并[6]采用横向振动试验装置对双螺母紧固件进行了试验，总结出双螺母联接防松效果与螺母预紧力的关系。Jiang等[7-9]通过试验和有限元模拟揭示了横向循环载荷作用下螺栓的自松动机理，认为螺栓连接的自松动过程由材料循环塑性变形和螺母回旋导致，自松动初始状态则取决于材料的循环塑性变形。王崴等[10-11]建立了带螺纹的三维螺栓连接有限元模型，使用Newmark算法进行螺栓连接横向振动瞬态求解，分析了不同螺距和孔隙对螺栓连接横向振动自松弛的影响。

输电铁塔连接通常采用4.8级、6.8级、8.8级镀锌粗制C级承压型螺栓，可采用单螺母搭配弹簧垫片、扣紧螺母或双螺母等防松型式。目前有关输电铁塔螺栓防松性能的研究较少，杨晓辉等[12]在输电线路舞动造成的铁塔受损及其特征统计分析的基础上，对影响铁塔螺栓防松性能的各类因素进行了系统测试和分析，提出了输电铁塔螺栓连接选型及施工方法的提升措施和改进建议，认为上螺母安装扭矩取下螺母安装扭矩的50%时，普通双螺母防松型式的防松性能最佳。现有架空输电线路施工及验收规范中规定了单螺母螺栓的施工扭矩值，但对双螺母螺栓上、下螺母的扭矩值未作出规定。国内机械行业常用的螺栓安装方法是先使用80%的安装扭矩拧紧副螺母，再用 100%的安装扭矩拧紧主螺母；而国外则是先用25%～50%的安装扭矩拧紧副螺母，然后用100%的安装扭矩拧紧主螺母[13]。由于输电铁塔螺栓类型与机械行业有较大差别，加之上、下螺母安装扭矩比例尚无定论，其双螺母螺栓施工扭矩取值需要进行专门研究。此外，输电铁塔横担是空间桁架结构，在导线持续风振或舞动作用下不同位置螺栓振动幅度及松动程度有很大区别，需要通过横担横向振动试验确定易发生螺栓松脱的部位，为强风区和舞动区铁塔螺栓节点防松设计提供技术依据。

本文考虑变化上、下螺母扭矩比例，通过开展“上、下螺母相同”、“上螺母厚、下螺母薄”、“上螺母薄、下螺母厚”三种型式输电铁塔双螺母螺栓的横向振动试验，得到各个工况下双螺母螺栓的预紧力时程曲线，提出输电铁塔双螺母螺栓上、下螺母的最优扭矩比例。进行输电铁塔横担在舞动工况下的横向振动试验，对比单螺母螺栓和双螺母螺栓的防松性能，确定螺栓松动顺序和松动位置的分布规律。研究结果对于提高强风区和舞动区输电铁塔螺栓防松性能、保证输电线路安全运行具有重要意义。

1 螺栓节点横向振动试验

1.1 试验概况

为验证输电铁塔双螺母螺栓的防松效果，确定双螺母螺栓上、下螺母的扭矩比例优化取值，在机械工业通用零部件质量监督检测中心分别进行了采用单螺母、双螺母的螺栓横向振动试验，试验依据为GB/T 10431—2008《紧固件横向振动试验方法》，该标准中推荐的试验频率为12.5 Hz，考虑到输电铁塔螺栓节点的实际振动频率相对较小，结合试验机试验能力确定本次横向振动试验的加载频率为8 Hz。采用单螺母、双螺母的螺栓试验工况见表1。每种试验工况包含3～5个样本，振动持续时间4 min。单螺母初始扭矩标准值为100 N·m，安装双螺母螺栓时先拧下螺母、再拧上螺母。双螺母是输电铁塔螺栓最常用的防松型式，包括“上、下螺母相同”、“上螺母厚、下螺母薄”、“上螺母薄、下螺母厚”三类，三类双螺母螺栓试样装配如图2所示，螺栓在横向振动过程中的预紧力可以通过安装在连接板下部的压力传感器测得。图中Mt和Mb分别为上螺母和下螺母的安装扭矩，F为双母螺栓安装完成后的螺栓预紧力。

受加工工艺、表面粗糙度等因素影响，同一强度等级(批次)螺栓、施加相同初始扭矩时，螺栓初始预紧力也可能有较大差异，因而无法直接采用振动过程中的预紧力来评价螺栓的防松性能。下面将采用振动4 min后的“残余预紧力百分比”这一无量纲指标来评价螺栓的防松性能，“残余预紧力百分比”即残余预紧力占初始预紧力的百分比，用αF表示。

1.2 试验结果分析

螺栓横向振动试验在安布内科振动试验机上完成，试验过程中采集了螺栓样本的预紧力时程曲线。单螺母螺栓5个样本、间隔30 s的预紧力测试值见表2，当振动时间达到120 s时，其中3个试验样本的预紧力接近0值，即螺栓处于或接近完全松脱状态。单螺母螺栓单个样本预紧力及预紧力残余百分比时程曲线如图3所示。

图2 双螺母螺栓安装型式说明Fig.2 Instruction on the installation of double-nut bolt

表1 试验工况说明Tab.1 Illustration on the test cases

表2 单螺母螺栓预紧力试验值Tab.2 Experimental pretensions of single-nut bolted joints kN

图3 单螺母螺栓预紧力及残余预紧力百分比时程曲线Fig.3 Time histories of the pretensions and the residual pretension percentages of single-nut bolted joints

表3 双螺母螺栓预紧力试验值Tab.3 Experimental pretensions of double-nut bolted joints kN

普通双螺母螺栓12个工况、间隔30 s预紧力测试值见表2，当振动时间达到4 min时，12个工况共38个试验样本的残余预紧力百分比均值为42.50%，与表1对比可知，采用普通双螺母螺栓比单螺母螺栓可以提高螺栓残余预紧力百分比约4.3倍。以预紧力残余百分比40%为界限，双螺母螺栓相对单螺母螺栓可延长松动时间2倍以上。由表2可知，对于“上、下螺母相同”(工况2-1～工况2-4)、“上螺母厚、下螺母薄”(工况2-5～工况2-8)、“上螺母薄、下螺母厚”(工况2-9～工况2-12)三种类型的普通双螺母型式，扭矩比例为“下螺母25%、上螺母100%”时，三种类型普通双螺母振动4 min后残余预紧力最大，振动4 min后残余预紧力百分比分别为66.3%、40.29%和52.10%。由表2可知，三种类型普通双螺母型式扭矩比例取“下螺母25%、上螺母100%”与取“下螺母100%、上螺母100%”相比，振动4 min后的预紧力残余百分比分别提高40.5%、40.8%和91.9%。

“上、下螺母相同”、“上螺母厚、下螺母薄”、“上螺母薄、下螺母厚”工况样本预紧力均值Fave及预紧力残余百分比均值αF-ave的时程曲线如图4～图6所示。可以看出，当扭矩比例取“下螺母25%、上螺母100%”时(工况2-4、工况2-8和工况2-12)，三种类型双螺母螺栓的残余预紧力百分比时程曲线衰减最为缓慢，且振动4 min后的残余预紧力百分比最大。

图4 “上、下螺母相同”螺栓预紧力及残余预紧力百分比时程曲线Fig.4 Time histories of the pretensions and the residual pretension percentages of the bolted joints with two equivalent nuts

图5 “上螺母厚、下螺母薄”螺栓预紧力及残余预紧力百分比时程曲线Fig.5 Time histories of the pretensions and the residual pretension percentages of the bolted joints with top thick nut and bottom thin nut

图6 “上螺母薄、下螺母厚”螺栓预紧力及残余预紧力百分比时程曲线Fig.6 Time histories of the pretensions and the residual pretensionpercentages of the bolted joints with top thin nut and bottom thick nut

2 输电铁塔横担横向振动真型试验

2.1 试验概况

以发生舞动破坏的某500 kV耐张塔横担为试验对象，开展舞动工况下单、双螺母两种连接型式的反复加载对比试验，导线舞动频率0.1 Hz，基于驻波法计算得到导线舞动时的纵向不平衡张力幅值为120 kN[14]，采用正弦波形式加载；垂直方向恒载15 kN，采用配重法加载。舞动工况下横担加载情况见图7，横担中螺栓预紧力传感器布置及编号如图8所示。由于导线舞动机理较为复杂，且舞动强度与风、覆冰、结构参数等因素相关，实际舞动荷载可能与本文计算值有一定差异，以下试验所得螺栓松动的加载次数主要用于双螺母和单螺母防松性能的对比。

图7 横担加载照片Fig.7 Photo of the experimental cross arm

图8 预紧力传感器布置Fig.8 Distribution of the pretension sensors

2.2 试验结果分析

(1)单螺母螺栓振动试验

在纵向不平衡张力幅值为120 kN的舞动荷载作用下，横担部分杆件连接螺栓逐渐松动，端部水平位移逐渐增大，位移幅值变化情况如表4所示，加载至240次时，横担端部位移增加了72.45%，部分构件连接螺栓已经完全松动。舞动荷载作用下，几乎所有出现松动的螺栓均位于横担下平面，横担下平面典型构件编号和相应位置螺栓发生松脱时的加载次数如图9所示，其中A、B为横担下平面主材，C～F为横担下平面斜材，G、H为横担下平面挂点处斜材，I、J为横担下平面辅助材，K为横担下平面挂点处水平材。图中序号“①～⑥”表示试验中螺栓松脱的先后顺序，序号后的数字为该螺栓松脱时的荷载循环加载次数，横担下平面其余构件连接螺栓在加载结束时均未发现明显的松脱。斜材G与挂点板连接螺栓、挂点处斜材H与杆件K连接螺栓的松脱照片见图10。导线舞动不平衡张力作用下横担上平面及侧面杆件受力较小，杆件轴向荷载小于其与螺母之间的摩擦力，螺栓不会发生往复移动，因而横担上平面和左右两侧面各杆件的连接螺栓均未发生松动现象。

表4 横担端部位移幅值(单螺母螺栓)Tab.4 Displacement amplitudes at the cross arm end with single-nut bolts

图9 舞动工况作用下横担下平面螺栓松动顺序分布Fig.9 The loosening order of the bolted joints at the bottom plane of the cross arm under galloping load

图10 典型螺栓松脱照片Fig.10 Photos of the typical loosening bolts

横担下平面斜材-挂点板连接螺栓预紧力变化曲线如图11所示，试验加载至140次时，横担下平面斜材H与挂点板连接螺栓M20-3预紧力由20.62 kN降至0kN，最先松脱；加载至160次时，斜材H另一端连接螺栓M20-1松脱，预紧力由20.71 kN降至0 kN；加载至180次时，斜材E与挂点板连接螺栓M20-7松脱，预紧力由20.28 kN降至0 kN；斜材F与加载端挂点板连接螺栓M20-8未完全松脱，加载结束时预紧力由20.25 kN下降至13.04 kN，下降幅度为35.58%。

图11 单螺母螺栓预紧力曲线Fig.11 Time histories of the pretensions on the single-nut bolts

(2)双螺母螺栓振动试验

将横担下平面主材、斜材的连接螺栓均改为双螺母型式。由“单螺母型式”振动试验可知，横担下平面辅助材、侧面和上平面杆件连接螺栓受舞动工况影响较小，所以这部分螺栓仍采用单螺母型式。舞动工况下“双螺母型式”位移幅值变化情况如表5所示，加载至1 200次时，横担端部位移增加了62.89%，部分杆件连接的螺栓已经完全松动。

横担下平面斜材-挂点板连接螺栓的预紧力变化情况如图12所示，试验加载至600次时，螺栓M20-3预紧力由20.40 kN降至0 kN，最先松脱；斜材H另一端螺栓M20-1未松脱，加载结束时预紧力下降了约4%。加载至700次时，斜材E与挂点板连接螺栓M20-7松脱，预紧力由20.81 kN降至0 kN；斜材F与加载端挂点板连接螺栓M20-8几乎未松动，预紧力由20.62 kN降至19.29 kN，下降幅度约6.5%。对比图11可知，采用双螺母螺栓后，横担下平面螺栓节点防松性能显著提高，螺栓发生松动时的舞动不平衡张力加载次数增加了近3倍。

表5 横担端部位移幅值(双螺母螺栓)Tab.5 Displacement amplitudes at the cross arm end with double-nut bolts

图12 双螺母螺栓预紧力曲线Fig.12 Time histories of the pretensions on the double-nut bolts

3 结 论

本文通过开展输电铁塔螺栓节点和足尺横担模型的横向振动试验研究，提出了双螺母螺栓上、下螺母安装扭矩比例的优化值，确定了铁塔横担螺栓松动顺序和松动位置分布规律。主要结论如下：

(1)下螺母安装扭矩取上螺母安装扭矩的25%时，普通双螺母的防松性能最佳。对于“上下螺母相同”、“上螺母厚、下螺母薄”、“上螺母薄、下螺母厚”三种普通双螺母型式，扭矩比例为“下螺母25%、上螺母100%”时，三种类型双螺母振动4 min后的残余预紧力最大，与扭矩比例取“下螺母100%、上螺母100%”相比，振动4 min后的预紧力残余百分比分别提高40.5%、40.8%和91.9%。

(2)导线舞动不平衡张力作用下，输电铁塔横担上平面和两个侧面连接螺栓基本不发生松脱，横担下平面是螺栓易发生松动的薄弱环节，其中下平面主材与固定端连接螺栓、横担端部挂点处杆件连接螺栓的松脱现象最为严重，建议设计时进一步提高横担主材及下平面斜材连接螺栓的防松性能。

参 考 文 献

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