螺栓安装架（共5篇）
螺栓安装架 篇1
1 概述
螺栓球节点网架是一种新型的屋盖承重结构,属于多次超静定空间结构体系,它改变了一般平面架结构的受力状态,能够承受来自各方面的荷载。这种壳形网架,结构新颖美观,杆件规律性强,网格划一,整体性好,空间刚度大,杆件之间全部采用螺栓连接,便于安装,操作简便,受力明确。而且有利于解决比赛大厅的通风、采光,并可减少观众席区域上部空间。其中长治县综合体育馆、长治县体育训练馆网壳的安装根据其结构形式和施工的不同,均采用局部满堂脚手架高空散装法和高空单锥体提升法安装,保证了产品质量,加快了施工进度,优质高效完成了施工任务。根据以上工程施工的实际情况,遂形成本工法。
2 施工特点
1)网架结构具有重量轻、刚度大、工期短、抗震性能好等特点。2)高空散装法是一种比较快捷的施工方法;该方法可以保证网架的几何精度,避免了其他方法带来的吊装变形及网架自身变形;高空散装时由于局部推进用的液压千斤顶支承调整网架平面,保证网架节点的空间位置不致位移。3)减少费用支出:只需搭设一少部分脚手架就可以达到覆盖起步网架安装位置,节约了大量的周转材料和人力资源。4)便于安全作业,造价相对较低,提高网壳安装标准。5)网壳结构是当前空间结构中应用范围广,覆盖面积大,发展速度快的一种结构形式。
3 适用范围
1)广泛用于体育馆、展览厅、餐厅、候车室、仓库及单层多跨工业厂房等屋盖承重结构。2)在螺栓球节点网架涂装过程中,施工环境有以下要求:a.工作场地:涂装应安排在屋面板安装完成后进行,并保持环境的干燥、洁净,以防止涂层被水滴、灰尘玷污影响涂层质量。b.环境温度控制在5 ℃～38 ℃之间,防止低温、高温气候影响涂层成形。c.施工时空气湿度不得大于90%,涂刷层表面有结露时不得施工。d.涂装后4 h内严禁水淋,防止涂层出现起皮、开裂、脱落现象。
4 工艺原理
高空脚手架散装网架:即在网架安装位置下面搭设满堂或滑移脚手架为工作平台,将一根杆件、一个节点的散件在支架上总拼,或以一个网格为小拼单元在高空总拼组装。
高空单锥体提升法:在地面将网架以单锥体作为安装单元组装好,利用已安装成的网架作为受力平台,将吊装架固定在网架上,吊装到位后在高空进行拼装。
5 施工工艺流程及操作要点
5.1 施工工艺流程
1)预埋件验收:放线→验线→测量→整理记录资料;2)网架拼装:安装下弦平面网格→安装上弦倒三角锥→安装自检、互检并做出记录→网格调整、紧固→安装下弦平面网格→调整、紧固→按顺序安装完毕→安装自检并做出记录→安装支托→支座焊接→做好评定资料→报甲方(监理)验收。
5.2 施工操作要点
网架先从中间短轴线的柱点开始起步安装,以支座点为中心向两边安装两个网格,并向两侧轴推进;在推进的过程中,应注意各支座与预埋点是否发生偏移,网格尺寸是否与图纸相符,以便及时调整。网架安装步骤和过程如下:
1)节点安装顺序:先装下弦节点,再装上弦节点;2)连接下弦杆、上弦杆和腹杆使其成为局部整体网架,然后检查是否与土建预埋件轴线重合,如重合则沿长度方向继续安装,否则应立即调整;3)安装时应用木块将下弦球隔点垫平实,以防单元网架整体刚度较差使网架的挠度增大;4)安装时应严禁装错杆件、节点球,高强螺栓安装时应拧到位,禁止出现“马蹄缝”现象;5)安装过程中严格控制轴线尺寸,支座间的偏移,时刻检测网格对角线尺寸,偏差控制在±3 mm,杆件弯曲矢高控制在5.0 mm以内;6)按以上顺序安装直至起步网架安装结束;7)在地面拼装三角锥;8)用电动扒杆将三角锥提升至安装位置连接于已经成型的起步网架上,一排上弦、一排下弦往复安装支座范围内的网架杆件和节点,直至该区域内网架安装完毕;9)用8)所述方法环向安装外圈悬挑网架,直至网架安装完毕;10)网架整体成形后检查螺栓拧紧程度,对松动的部分进行复拧;11)网架安装完毕,焊接支座(焊接弹性支座时注意防火和保护橡胶垫板),找补油漆。
6 质量控制
6.1 质量控制关键点及控制方法
根据设计的技术要求,采用局部满堂脚手架、结合高空散装法进行网架安装,网架安装过程中,关键技术所在有以下几点:
1)各支座与预埋点是否发生偏移;2)网格尺寸是否与图纸相符;3)网壳架体的外形曲线及矢高如何保证。
6.2 网格尺寸与图纸相符的保证措施
1)首先熟悉图纸,并依据图纸进行有杆件的详细编号及直径大小和杆件长度的统计,并复核,以防有误。2)详细了解ϕ235B,ϕ345B及高频焊管或无缝管与E43xx,E50xx焊条或焊丝焊接后的变形收缩或膨胀数据。3)在螺栓球杆件的封板上开锥头时采用车间加工,以保证锥丝的规整、平滑及锥头在球体、杆件上的垂直度正确。4)查核高强度螺栓丝扣的完整性及每个螺栓的平直度,如有弯曲,即刻挑出不得使用。
6.3网架安装过程中应注意的问题
1)连接下弦杆、上弦杆和腹杆使其成为局部整体网架后,检查是否与土建预埋件轴线重合,如重合则沿长度方向继续安装,否则应立即调整。2)安装时应用木块将下弦球隔点垫平实,以防单元网架整体刚度较差使网架的挠度增大。3)在安装过程中,不宜将螺栓一次拧紧,需横向安装一排或两排网格条单元,进行精确测量和校正后,方可将高强螺栓全部拧紧到位,然后再继续安装。4)在安装过程中,尽量使杆件始终保持在非受剪切力状态。5)网架的安装调整,除保证网格尺寸外,还要保证杆件的高强螺栓拧紧到位,谨防出现“马蹄缝”现象,此项工作应设专人进行全面检查。6)拧紧螺栓用的扳手为专用工具,不可将扳手手柄接长或多人用力,以免力矩过大。如遇拧不进去的现象,不可强行拧入,应及时查明原因修理螺纹或更换零件。7)提升三角锥时,扒杆需固定在节点处,防止杆件受压弯曲。8)在安装起步脚手架以外的悬空网架时注意网架的变形情况,发现网架挠度超出设计挠度时,必须停止安装分析情况,处理完毕后方可继续安装。9)局部垫起或用千斤顶打起的球节点在拆除时,遵循跨中向两侧方向拆除。
7效益分析
7.1经济效益
网架结构在各种空间结构中是发展最快,应用最广的一种。螺栓球节点网架由于其不需现场焊接,施工制作方便,质量更易于保证,应用较其他节点形成更为普遍。
利用脚手架可以移动的特点,只需搭设一少部分脚手架就可以达到基本覆盖网架安装位置,节约了大量的周转材料和人力资源。同时也为施工企业增大了经济效益。国内多家体育场、体育馆都采用网架,耗钢量和造价都比较省,取得了巨大的经济效益和社会效益。
7.2技术经济分析
利用土建施工期间(混凝土梁柱保养期)网架部件尚未运输到现场的这段时间内,在场地搭设脚手架,可争取相当部分时间,以此缩短了施工工期。
7.3社会效益
根据螺栓球节点网架的特点,为保证施工工期、工程质量和降低工程成本采用了高空散装法进行网架安装。
该方法也便于质检部门到现场检查安装质量。
采用此施工技术完成的长治县综合体育馆工程及长治县体育训练馆经建设、监理及当地质量监督站验收,质量均能达到设计及施工规范要求。
摘要：简要介绍了螺栓球节点网架的特点、适用范围及工艺原理,着重阐述了大跨度壳形螺栓球节点网架施工工艺及操作要点,并提出了相应的质量控制措施和应注意事项,通过效益分析指出该技术优点,以促进其推广。
关键词：螺栓球节点网架,施工特点,施工工艺,质量控制,效益
参考文献
[1]JGJ 61-2003,网壳结构技术规程[S].
[2]GB 50205-2001,钢结构工程施工质量验收规范[S].
[3]JGJ 81-2002,建筑钢结构焊接规程[S].
[4]GB 8923-88,涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级[S].
螺栓安装架 篇2
西安地铁车辆段厂房螺栓球网架总面积约为57000m2, 其中运用库26420m2、检修库24090m2、联合车库及吹扫库2394m2、工建料棚1180.96m2。网架总重量约2000t, 其结构形式为周边下弦支承正放四角锥螺栓球钢网架, 其下部为现浇柱结构。网架深化设计为浙江大学空间结构Mst2006设计软件分析设计, 设计年限50年, 网架钢管均为Q235钢, 螺栓球为45号钢, 高强螺栓及紧固螺钉为40Cr钢。安全等级二级, 所有钢构件涂装超薄型钢结构膨胀防火涂料。
2 网架安装方案
由于安装量大, 安装精度高, 总工期120天, 为此以检修库、运用库网架安装为控制总工期的关键点, 以利用“移动网架式承重架滑移架施工技术”的高空滑移法为主, 分条或分块安装法、分块整体吊装法为辅, 采用平行作业, 立体交叉, 分段流水等施工技术措施, 缩短施工周期。
2.1 施工方法
总安装顺序:检修库 (运用库) 网架安装作业同时展开, 各库分区流水作业;工建料棚和联合车库网架安装作业穿插于两库施工空闲时段进行。
运用库总长277.3m, 总宽96.7m, 共分A, B, C, D, E, F区, 除F区屋盖结构外均为网架结构。A区跨度 (57.0m×150.0m) ;B区 (30.0m×150.0m) ;C区 (30.0m×66.7m) ;D区 (57.0m×66.7m) ;E区 (87.0m×59.3m) 。A、B区网架拼装从1向27轴, 高空滑移法安装;C区网架受排架柱拉梁影响, 采取地面分块拼装, 两台50t汽车式起重机, 分块整体吊装法安装;D区网架拼装从27向39轴, 高空滑移法安装;E区网架拼装从39向49轴, 高空滑移法安装。
检修库总长305.4m, 总宽82.4m, 共分A, B, C, D, E, F区, 除F区屋盖结构外均为网架结构, A区跨度 (28.5m×153.9m) ;B区 (45.0m×153.9m) 、C区 (120.0m×36.0m) 、D区 (66.0m×120.6m) 、E区 (19.5m×120.6m) , A、C、E区网架采取地面分块拼装, 分块起吊法, 两台50t汽车式起重机吊装;B区网架拼装从26向1轴, 高空滑移法安装;D区网架拼装从52向31轴, 高空滑移法安装。
联合车库网架跨度38.75m, 长66m, 重约48.7t。受结构拉梁施工影响, 采取地面拼装成椎体后用一台16t汽车式起重机配合安装的方法。
工建料棚网架跨度24m, 长48m, 重约30.222t。网架安装场地平坦无障碍物, 采取地面分块两块拼装, 用4台25t汽车式起重机, 分块整体吊装法安装。
2.2 劳动力及资源配置
四个安装班组, 共120人, 按工种分工序施工。6套滑移架:检修库3套, 运用库3套, 其中运用库A、B区利用检修库滑移架。
3 质量安全控制要点
3.1 前期准备
做好细化网架二次设计、方案论证及工程量确认。出厂前进行感应法探伤及压扁试验, 保证构件合格。
3.2 下部结构
控制重点:排架柱轴定位、牛腿梁、支座预埋件和螺栓安装。预埋件用两台经纬仪及钢尺按原测设方法及校核方法进行监测。浇筑牛腿梁混凝土前, 对加固好的支座预埋钢板和螺栓进行联合验收。浇筑混凝土时设专人监护网架支座预埋钢板和螺栓的位置, 按预先定好的浇筑顺序即在螺栓周围均匀下料, 保证不扰动螺栓位置。
土建测量成果的复测, 重点为周边支承网架的几何尺寸、纵横轴尺寸支座中心偏移, 必须符合设计要求。网架基座预埋件的标高及周边支承网架, 相邻支座预埋件高差必须符合验收规范要求。高差悬殊采用同材质钢板或采用型钢垫平处理。
3.3 网架滑移
滑移承重架网格为3m×3m, 平台标高低于网架下弦60cm, 根据现场情况将两侧滑道均向跨内移, 在滑移和拼装过程中, 对网架杆件内力和跨中挠度值进行验算。验算网架杆件不出现结构变形, 便可施工。正常滑移时各滑道必须同步工作。采用一侧正常行走, 一侧减速;一侧停止, 一侧慢速行走的方法纠偏。滑移时每条滑道设有专职观察员, 负责检查网架偏移、架子强度、变形或其它异常情况, 并及时向总指挥汇报。在滑道上设置醒目标记, 标明每次滑移的终点, 避免超滑。
3.4 网架拼装
拼装单元在实足尺寸大样上进行拼装或预拼装, 以便控制其尺寸偏差;在网架合拢处, 设有足够刚度的支架, 支架上装有螺旋千斤顶, 用以调整网架挠度, 使挠度值小于设计挠度值;用控制屋脊线标高的方法拼装, 从中间向两侧发展, 使误差消除在边缘上。拼装支架应通过计算确保其刚度和稳定性, 支架总沉降量小于30mm。
3.5 网架整体吊装
保证各吊点起升及下降的同步性。办法是在正式起吊前在网架四角上分别挂上一把长钢尺, 为控制四角高差不超过100mm的量具。在提升柱顶安装标高以下一段高程中, 采取每起吊1m进行一次检测, 以就高不就低办法分别逐跑头提升到统一标高, 然后再同时逐步提升。到柱顶标高以上一段高程时则采取每0.5m进行一次调整。以上办法提升时, 每次测量网架四角高差值一般都应在100mm左右, 否则重新考虑提升方案。在网架就位总拼装时, 要保证网架的任何部位与牛腿柱的净距不小于100mm, 同时防止网架在起升过程中被凸出物卡住。
3.6 网架支座落位
遵循“变形协调、卸载均衡”的原则。将通过放置在支架上的可调节点支承装置 (柱帽、千斤顶) , 多次循环微量下降来实现“荷载平衡转移, 卸载的顺序为由中间向四周, 中心对称进行。关键支撑点增设备用千斤顶, 以防应急使用。落位后要按设计要求固定安装, 并作出记录, 同时要继续检测网架挠度值, 直至全部设计荷载上满为止。
3.7 安全防护
承重架平台上弦用Φ48mm×3.5钢管加密, 水平横杆间距为0.75m, 上满铺脚手板。搭拆时, 安装人员通过立腿“逐层一解一挂”安全带爬至作业层。立腿上采用附着于立腿弦杆间的专用钢梯, 平台中采用通长安全绳 (随结构一体) 。
4 结语
通过精心组织, 合理安排工序和流水作业等综合施工技术措施, 该车辆段厂房网架安装一次成功, 结构验收全部合格, 顺利实现质量和工期目标, 对同类工程具有一定的指导意义和参考价值。
参考文献
[1]JGJ7-91, 网架结构设计与施工规程[S].
[2]GB 50205-2001, 钢结构工程施工质量验收规范[S].
[3]杜帅军.网架滑移法施工方案的编制要点[J].山西建筑, 2009, 35 (19) :144～145.
地脚螺栓安装施工技术 篇3
1 工程概况
本工程建筑面积为41 817.33 m2, 结构形式为24 m的21连跨单层门式钢结构厂房。建筑轴线横向长为82 m, 纵向长度508 m, 在跨度方向设有4道伸缩缝, 间距为0.95 m。建筑总高为16.75 m。施工总工期为160 d。
本工程中共计242个独立基础, 其中单根柱基础162个、双柱组合基础58个、三柱组合基础18个、四柱组合4个。由于结构形式为连跨结构, 施工过程中需将整个独立基坑开挖的施工轴线以及伸缩缝轴线控制进行综合考虑。
2 施工特点及难点分析
1) 工程特点。a.原施工场地为混凝土地面, 遵照建设单位意图, 强调不大面积破除地面, 土方开挖定夺为单个基础独立开挖;b.建筑面积大, 施工现场场地不平整, 东高西低、南高北低;c.由于场地标高不统一, 1/3的独立基础能外露地面, 2/3的仍在基坑内;d.平均每个基坑挖土方量为60 m3左右, 场地有限, 堆积成山。
2) 技术难点。a.测量放线首当其冲成为难中难;b.胎具的制作。每根钢柱上设置10件地脚螺栓 (地脚螺栓使用圆钢42, 长度为1 420 mm) ;c.考虑到伸缩缝、格构柱之间纵横轴线的控制, 需将其部位地脚螺栓设置为双柱组合、三柱组合以及四柱组合;d.模板安装的精度影响地脚螺栓胎具平整度的控制。
3 技术方案的实施过程
3.1 工艺流程
基础模板安装→地脚螺栓加工→胎具制作→钢筋验收→地脚螺栓安装→混凝土浇筑→地脚螺栓校正→胎具拆除修正→反复利用。
3.2 胎具的制作
地脚螺栓胎具制作:鉴于242个基础大小不一, 骨架制作需按照基础大小进行调整, 本工程中需做胎具11种。胎具骨架采用方钢40×60×3.0焊接而成, 再利用竹面胶合板上下固定在方钢上。骨架制作时, 考虑到地脚螺栓为圆钢42 (重量16 kg/根) , 按照钢柱组合之分, 胎具最少承重10根地脚螺栓, 最多达到40条地脚螺栓。因此, 骨架方钢焊接间距随着孔距的位置进行调整焊接。随后将竹面胶合板固定在骨框架上, 再按照地脚螺栓孔距位置进行号料、制孔, 制孔模量不得大于1 mm。然后将制作好的胎具板用自攻钉固定在骨架上。
胎具板制作下料时, 应比基础表面尺寸小至少20 mm, 先利用黄金分割点画出十字线找方正, 再按照轴线间距及柱底板孔距画出螺栓孔位置, 并采用钢锯条锯出轴线控制的定位点, 然后用3 mm麻花钻钻出定位孔, 再放置磁力钻胎具上用等地脚螺栓直径的开孔器钻孔。
需注意说明, 为保证上下胎具板制孔精确, 需将两块板配钻进行, 然后将上下板放置在骨架上, 找方找正时将四角处的孔利用事先准备好的卡孔器 (如图1所示) 校正好位置后, 再将其固定在骨架上。
3.3 地脚螺栓的制安工艺
1) 地脚螺栓制作质量控制要点。地脚螺栓加工前应计算好套丝长度, 应包括上下螺母和垫板的厚度、标高调整的余量、外露丝长等;设计时应注意控制基础表面以上的预留量, 即:抗剪键高度小于底板与基础预留槽的间距;总之, 地脚螺栓总长为1 420 mm, 丝扣应为155 mm (也就是外露基础表面155 mm) 。
2) 地脚螺栓安装质量控制要点。主控项目:建筑物定位轴线允许偏差为3.0 mm, 基础上柱的定位轴线为1.0 mm, 地脚螺栓中心偏移为2.0 mm, 螺栓孔孔距中心偏移为±1.0 mm。采用二次灌浆时, 混凝土基础允许偏差:顶面标高+0.0, -3.0, 水平度L/1 000, 位置10.0 mm。
一般项目:螺栓露出长度和螺纹长度均为:0~+30 mm, 浇筑前应使地脚螺栓的螺纹受到保护。浇筑混凝土前, 应将地脚螺栓固定, 以免浇筑混凝土时下滑或上移。
3.4 安装控制要点
影响地脚螺栓安装精度的因素有:轴线控制网的测量、钢筋绑扎标高、模板安装牢固及标高控制, 现以影响因素重点分析控制:
1) 轴线、标高控制网的测量。根据现场情况采用外控法, 在站台上设立的基准线上设置桩位, 另外在对面每隔50 m设置设立一个控制点, 以便闭合轴线偏差使用。相邻跨距中心间距的测量允许偏差值为5 mm, 每个基坑四周采用全站仪布控四个控制点, 垫层、钢筋绑扎模板支设、地脚胎具的轴线控制, 均采用基坑四周的布控点进行测量。
标高设置为库房南侧的火车轨道顶面 (见图2) , 按照事先实测数据结果计算每道工序标高控制数据。
2) 钢筋支设验收。钢筋按照设计要求绑扎完毕后, 复测总标高的控制量。
3) 模板安装验收。基础模板安装共分三次支设。第一次为垫层模板;第二次支设独立基础底座;第三次支设独立基础短柱。在独立基础短柱四周钢筋上焊接水平筋, 便于控制模板标高。水平筋焊接标高应为基础短柱的底标高, 模板四周采用木龙骨及支撑固定于墙体, 并在模板内侧弹好标高控制线, 将钢筋四周与模板之间采用钢筋头顶紧, 保证钢筋笼子不因浇筑混凝土的冲击力而变形。
4) 地脚螺栓的安装。首先将所安装的地脚螺栓都摆放在钢筋笼内, 然后将胎具放置在事先调整好的模板上, 上下两人呼应将地脚螺栓穿在胎具上初步固定, 由于胎具板分为上下两块, 相应的地脚螺栓自然垂下也就能保证其垂直度的控制。地脚螺栓固定在胎具板后, 开始调整胎具板的轴线位置, 由于胎具板上有中心线, 将中心线与模板上的十字轴线相对, 并用两台经纬仪分别在纵横两道轴线控制点处监控胎具中心线与轴线的重合情况, 待胎具中心线与轴线重合后, 利用固定基础短柱模板的水平钢管将胎具用“U”型卡环固定住。然后用水平仪对预埋螺栓顶标高进行监控调整, 螺栓顶标高调整完毕后, 用扳手将上下螺丝拧紧。随后将地脚螺栓与主筋绑扎成为一体。
5) 混凝土的浇筑。浇筑混凝土前, 先将地脚螺栓外露丝扣用薄塑料膜或者塑料瓶套上进行成品保护, 以免浇筑混凝土时被污染。按照施工组织策划, 独立基础柱将一次性浇筑到设计标高;柱脚基础支撑面浇筑到设计标高下50 mm左右, 而后将接触面凿毛, 二次浇筑细石混凝土时找平, 基础短柱上平浇筑至模板弹线部位即可。待混凝土初凝前拆除地脚螺栓胎具, 随后复测地脚螺栓的位移量。在常温季节施工, 现浇完混凝土后覆盖塑料薄膜, 提高混凝土面层温度, 使混凝土能得到充分的养护。
4 安全技术措施
1) 由于基础施工在冬施期间, 模板固定在基坑壁上, 应时常关注架体与基体结构连接是否牢固, 可靠;2) 夜间浇筑混凝土时, 需设专人看管地脚螺栓胎具变化, 以及混凝土振捣情况;3) 使用点焊工具, 要严格遵守安全防护措施, 完善安全防护设备;4) 使用电动设备时, 操作者应掌握机具性能, 注意电器设备安全。
5 实施效益分析
1) 采用竹面胶合板加方钢骨架胎具, 改善了以往槽钢加钢板的做法, 减少了成本的投入, 加快了施工进度;2) 本次设计胎具简单、轻巧, 大大减少了劳动力使用;3) 浇筑混凝土时, 采取措施得当, 使胎具反复使用率较高;4) 在施工过程中, 采取有效的安全防范措施, 无事故发生, 顺利完成施工任务;5) 胎具制作精确, 使钢柱安装合格率达到100%, 得到了建设单位、监理单位对我们施工质量的一致好评。
6 结语
施工后经过全站仪的复测, 基础纵横轴线均得到有效的控制, 钢结构安装效果良好, 达到预期目的。权衡成本控制, 施工条件和劳动力的降低, 选用轻便、快捷的施工工艺, 以获得较好的技术经济效益。模板标高控制, 胎具十字线与模板中心线的控制、地脚螺栓标高的控制是地脚螺栓安装的关键工序。基于气候的影响, 经过事前的有效控制, 最终取得完美的效果。
摘要：结合工程实例, 分析了地脚螺栓安装施工的特点及难点, 根据地脚螺栓的施工工艺流程, 阐述了其制作安装控制要点, 并提出了施工过程中的安全措施, 旨在提高地脚螺栓安装的精密度。
关键词：地脚螺栓,胎具,质量控制,安全技术
参考文献
[1]中国钢结构协会.建筑钢结构施工手册[M].北京:中国计划出版社, 2002.
[2]李执夏.浅谈工业设备地脚螺栓安装技术[J].化工管理, 2015 (3) :90.
螺栓安装架 篇4
安装边螺栓联接结构是航空发动机各机匣之间连接中普遍采用的一种连接方式,强度和可靠性关系到整个结构的安全和寿命,而重量又关系到整个发动机的减重效果,影响到发动机的性能。因此,在航空发动机机匣安装边螺栓联接的结构设计中,必须综合考虑强度、可靠性、密封性和质量的关系,努力寻求新的结构设计方法,以实现其结构的几何最优化。
作为一种重要的承力连接方式,螺栓联接结构设计受到国内外研究者的重视。陈永林[1]、纪冬梅[2]、徐梓斌[3]在解析分析的基础上,应用可靠性、紧密性理论和优化设计方法对螺栓联接结构进行了优化设计。陈学前[4]将螺栓连接结构简化成一个质量、弹簧、阻尼系统,对动载荷条件下螺栓的预紧力和螺栓个数进行优化设计。由于以上研究均采用解析方法求解,误差较大,而又缺少相应的数值模拟和验证,其优化结果缺乏足够的精度。螺栓联接结构较复杂,其接触又属于非线性约束问题。采用有限元法可以很好地解决非线性接触问题,实现对螺栓联接结构的数值模拟。
在传统的航空发动机机匣结构设计中,大多采用传统的经验公式进行校核。这种方法虽然在一定程度上保证了结构的强度和稳定性,也存在一定的使用裕度,往往很难保证结构的最优化,这就造成了一些浪费或使用上的不便。因此,实现其结构的优化设计是重要的研究内容。
现基于解决约束优化问题的最优化方法——内点罚函数法[5],确定安装边螺栓联接结构的几何最优尺寸。根据航空发动机设计手册[6,7],建立在满足强度、可靠性、密封性和装配工艺等条件下结构优化的数学模型,利用Matlab语言编写优化程序,以安装边螺栓联接结构质量最小化为优化目标,对其结构进行优化设计。利用APDL语言对其进行有限元建模和应力场分析,验证其优化结果的可行性,以实现对其结构的有效优化和减重。
1 安装边螺栓联接结构优化设计模型
1.1 安装边螺栓联接结构设计模型
某型号航空发动机压气机机匣安装边螺栓联接结构,如图1所示,对其结构作如下简化和假设:(1)忽略机匣上的的凹槽或孔穴、焊接结构对机匣的影响。(2)将机匣简化为薄壁圆筒结构。(3)根据圣维南原理,考虑长度为
机匣采用横向安装边(法兰边)螺栓联接结构时,在装配中要求螺栓具有足够的拧紧力矩。当机匣受轴向拉力作用时,使安装边螺孔中心线至安装边外缘的配合接触面不分离。对机匣安装边螺栓联接结构进行强度设计时,其简化模型如图2所示。
1.2 优化设计变量
根据设计要求,选取图2所示安装边螺栓连接结构中的螺栓直径d、螺栓孔中心线到安装边外缘的距离a、安装边螺栓孔中心线到机匣筒体中面半径的距离b、安装边厚度t和螺栓的数量n等作为优化设计变量。
x=[x1,x2,x3,x4,x5]T=[n,d,a,b,t]T。
1.3 优化目标函数
根据设计要求和材料属性,以安装边螺栓联接结构质量最小化的原则来建立目标函数。其质量可近似地表示为:
式(1)中:R中为机匣筒体的中面半径;R内为机匣筒体的内半径。
目标函数为:f(x)=Mmin。
1.4 约束条件
(1)螺栓的扳手空间约束。为了保证拆装螺栓的方便,应有足够的扳手空间,螺栓间距要求:S≥3d。即:
(2)安装边密封性约束。安装边接触端面设计必须具有足够的气密性,保证接触面贴合良好。因为机匣内流道气体压力逐级增加,要求的气密性也愈高,螺栓间距要求:S≈(3×8)d。
(3)螺栓固定截面A-A的弯曲应力约束条件为:σA-A≤0.6σb。即:
式(4)中:η为考虑安装边与机匣壳体弹性连接使弯矩减小的系数。机匣总轴向力P=F+4M/2R中;F为机匣的轴向力;M为弯矩。
(4)机匣安装边转接处平均截面B-B上的弯曲应力约束为:σB-B≤0.6σb。即:
式(5)中:scp为安装边转接处的平均壁厚。
(5)安装边载荷修正后,螺栓承受的拉伸应力约束为:σmax≤[σ]。即:
式(6)中:PΣ为螺栓承受的最大载荷;[σ]为螺栓的许用应力;PΣ=P0+KCF2;d1≈0.85d;P0为螺栓预紧力;KC为刚性系数;F2为根据平衡条件修正的螺栓载荷,
(6)在螺栓孔的圆周截面上引起的弯曲应力约束为:σ弯≤[σ]。即:
式(7)中:T张为单位圆周上机匣最大张力;S为螺栓间距;T张
(7)螺栓的可靠性约束。承受变载荷的螺栓联接主要失效形式是螺栓杆部的疲劳断裂,应力幅和应力集中是导致螺栓疲劳断裂的主要原因,因此要保证其有足够可靠性。航空发动机结构零部件的可靠度要求达到:R≥0.999 9。即:
式(8)中:ZR为与可靠度相关的可靠性指数;σal为螺栓的极限应力幅均值;Sσal为螺栓极限应力幅标准离差;Sσa为螺栓工作应力幅标准离差;σa为螺栓工作应力幅均值;σal=σ-1lkmkuε/kσ;
2 实例分析
如图2所示的安装边螺栓联接结构,参考文献[6],确定如下参数:安装边和螺栓均选用1Cr17Ni2材料,密度为7.75 g/cm3,强度极限、屈服极限、许用应力和光滑试件抗拉疲劳极限强度均值分别为840 MPa、690 MPa、460 MPa和352 MPa。机匣安装边承受的主要载荷为:轴向载荷、弯矩分别为95 720 N、2 550 N·m。机匣筒体中面半径、内半径分别为293 mm、292 mm;安装边转接处的平均壁厚为3 mm。要求连接可靠度R≥0.999 9,对应的可靠性指数为3.73。各系数的参考值:km、ku、Cal、Cσa、KC、kσ、ε分别为1.25、1、0.07、0.05、0.3、4.8和1。
将上述已知数据代入公式(1)～式(8)中,得到:
2.1 目标函数
2.2 约束条件
2.3 计算结果
借助于MATLAB软件,采用内点惩罚函数法进行优化运算,选取初值为:X0=[40,8,9,13,4]T,递减系数为0.45,经过10次迭代运算,得到最优解:
圆整标准化后,得到该结构的最优化方案,与所参考型号发动机的原设计方案结果相比较,如表1所示。
与原设计方案相比,同样在满足强度、密封性和可靠性的条件下,优化几何参数后的安装边螺栓联接结构质量下降了16.6%,说明该结构优化设计的效果是明显的。
3 螺栓联接结构的接触分析及有限元验证
螺栓联接的接触问题属于非线性约束问题,在研究过程中要综合考虑材料和结构的非线性、各部件间的相互作用(如:预紧和摩擦等)以及联接结构的强度和紧密型等。
现以优化前、后螺栓联接结构的几何参数为参考,利用ANSYS软件中的参数化设计语言(APDL)对机匣安装边螺栓联接结构进行参数化有限元模型和计算[8],并对优化前、后的结构进行应力场分析,以验证优化结果的可行性。
3.1 螺栓联接结构的有限元建模及接触分析
由于螺栓联接结构周期对称,利用其对称性,分别选取整个结构的1/56、1/36来建立优化前、后的有限元模型。其中,筒体采用带止口结构定位,其长度要考虑圣维南原理的影响。机匣及安装边、螺栓和螺母等均采用SOLID45单元,其参数化有限元模型如图3所示,采用体网格扫掠方式对结构进行网格划分。
上、下安装边之间的接触以及螺栓、螺母与安装边之间的接触均采用面-面接触单元TARGE170和CONTA174来描述。其中,接触面之间的相对滑动摩擦系数取0.3;不考虑螺母和螺栓间的摩擦副问题。
3.2 施加边界条件及强度计算
在边界条件处理上,将扇形端面施加面对称约束,约束这两个面上节点的周向位移。同时,在下安装边底部施加轴向固定约束。
安装边螺栓联接结构所受的载荷包括螺栓的预紧载荷和机匣筒体的轴向载荷。预紧载荷是给螺栓联接结构施加的预紧力,采用ANSYS中的螺栓预紧单元PRETS179给螺栓施加指定的预紧载荷,大小为4 167 N。同时,在上安装边筒体上端面施加相应的的轴向力。
在预紧力和轴向载荷的作用下,优化前、后螺栓联接结构的等效应力图如图4、图5所示。
3.3 结果分析
图4(b)显示了优化后的机匣安装边螺栓联接结构在螺栓预紧至4 167 N时,施加轴向载荷为2 020 N后的变形及应力强度分布情况。图中螺栓与上、下安装边接触位置是联接结构系统中应力强度最大的地方,该点的应力强度约为270.957 MPa。而在筒体与安装边的转角处,由于几何不连续性造成的边缘应力也相当大,达到121 MPa。同时,安装边贴合处有从内向外的张开趋势。
从图4、图5可以看出,优化后的螺栓联接结构最大等效应力为270.957 MPa,质量为1 969 g,而原模型在相同的边界条件下的最大等效应力为273.829 MPa,质量为2 360 g,即优化后的最大等效应力降低了1%,质量降低了16.6%。同时,从等效应力云图可以看出,优化前、后安装边及螺栓所受的最大等效应力均小于材料的最大许用应力,其结构均满足强度要求。虽然优化后结构的强度变化不大,但其几何尺寸有了明显的改善,减重效果明显。这说明该结构的综合性能得到了显著的提高,优化结果是可行的。
4 结论
本文基于内点惩罚函数法,建立机匣安装边螺栓联接结构优化设计的数学模型,结合MATLAB编程实现优化运算,获得该结构的最优几何参数。采用APDL语言对优化前、后的安装边螺栓联接结构进行有限元建模和应力场分析。优化运算和数值计算结果表明,在相同的边界条件下,在保证强度、可靠性和密封性的同时,优化后的结构质量比原结构的质量下降了16.6%,减重效果明显,也验证了优化结果的可行性。
将最优化方法和有限元法相结合起来,可以很好地实现机匣安装边螺栓联接结构的优化设计和数值模拟,减少了由于传统经验公式校核带来的误差,降低了结构设计参量的裕度,保证了结构的强度和可靠性,减轻了重量,为以后航空发动机机匣结构设计和优化提供了参考依据。这种将优化方法和有限元相结合的方法可应用于工程实践中。
参考文献
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螺栓安装架 篇5
由于高速动车组结构的特殊性, 动车组主要的大型电器设备 (如主变压器、牵引变流器、制动控制装置等) 均采用螺栓连接方式吊挂安装在车底。为保证这些大型设备间安装的可靠性, 对其所使用的螺栓均有严格的扭矩要求。螺栓若紧固扭矩不足, 会造成设备与安装梁间有相对位移, 造成螺栓受变应力而拉断;若预紧扭矩过大, 则螺栓螺纹会由弹性变形发展成塑性变形, 甚至超出螺栓的许用应力而使螺栓拧断。因此确定合适的螺栓扭矩值, 保证螺栓有足够的连接强度, 是动车组设备安装可靠的关键。
1 螺栓扭矩计算
螺栓联接的扭矩计算, 主要是根据联接的类型、联接的装配情况 (是否预紧) 和受载状态等条件, 确定螺栓的受力, 然后按相应的强度条件计算螺栓可用的紧固扭矩范围值。
动车组车下设备安装方式为螺栓紧固吊挂, 排除因安装不良等原因造成的其他外力因素, 实际螺栓受力为轴向静载荷, 即设备的重量。设备安装时, 先用液压小车等起重设备将要安装的设备托起到安装高度, 安装螺栓, 推开起重设备, 再紧固螺栓。
对螺栓在此过程中的受力状态进行分析如图1、图2所示。在移开起重设备前, 即螺栓还未承受设备重量时, 给螺栓施加一定的预紧力FP, 设备与安装梁的接合面受螺栓施加的压力FP作用, 螺栓只受预紧力作用;移去起重设备后, 在轴向承重载荷FC的作用下, 两接合面有分离趋势, 该处压力由FP减为FP′, 称为残余预紧力, 并同时也作用于螺栓。
由分析可知, 螺栓所受总拉力F0应为轴向承重载荷FC与残余预紧力FP′之和, 即:F0=FC+FP′。 (1)
其中:F0为螺栓所受轴向总载荷, N;FC为螺栓所受轴向承重载荷, N;FP为预紧力, N;FP′为残余预紧力, N;λ为相对刚度 (查表获得, 金属为0.2~0.3) ;K0为残余预紧力系数 (轴向静载荷一般连接为0.2~0.6, 重要连接为1.5~1.8) ;G为设备总重量, N;n为螺栓个数。
在施工中常用扭力扳手对螺栓进行紧固。为便于施工中的应用, 将上述螺栓所用预紧力换算成扭矩值, 即:
其中:K为扭矩系数, 目前施工规范中规定扭矩系数K=0.11~0.15, 标准偏差≤0.01;D为螺栓公称直径, mm。
理论分析和使用实践证明, 适当选用较大的预紧力对螺栓联接的可靠性和螺栓的疲劳强度都是有利的, 但过大的预紧力会导致螺栓和联接的尺寸增大, 实际生产中可根据产品要求和实践选择经验数据值。一般受轴向工作载荷作用的钢螺栓的预紧力可参考表1的数值确定。对于重要联接和有特殊要求的螺栓, 则应根据其使用实践确定, 并在装配图或安装作业指导书中标注出, 以便安装时进行控制。
k N
2 螺栓强度校核
螺栓联接的强度校核, 主要是根据前面计算出的螺栓施加的载荷值, 按相应的强度条件计算螺栓危险截面的应力值, 计算螺栓所受的应力值是否在强度安全范围内。
式中:d1为螺栓小径, mm, 可查表获得;σS为螺栓屈服强度, MPa, 可查表获得;SS为安全系数, 可查表2;[σ]为许用应力。
因此, 要使螺栓的强度满足要求, 应保证σ≤[σ]。这是个比较大的范围。在实际生产施工中, 为了充分发挥螺栓的工作能力, 保证紧固的可靠性, 通常可根据各类设备的使用要求, 使螺栓紧固后的应力达到以下值:对于一般机械, σ= (0.5~0.7) σS;对于钢结构高强度螺栓, σ= (0.75~0.85) σS;对于航天航空紧固件, σ≈0.35σS。
在动车组中, 由于结构的特殊性, 为了满足安装的需求, 在国标紧固件不适合使用时, 常需要部分自行设计的特殊紧固件。在这些非标准紧固件构成的联接中, 除了要按上述校核螺栓的强度外, 还需要校核螺纹牙的强度。
螺纹牙破坏多为发生剪切和挤压弯曲破坏。螺杆受轴向载荷F0, 螺杆与螺母的旋合圈数为z, 假设螺纹各圈所受应力平均分布, 则每圈螺纹所承受的载荷为F0/z, 作用于螺纹中径圈上。则可得:
其中:Mσ为螺纹所受弯曲力, N, , h为螺纹牙的工作高度, mm;Sσ为螺纹部分螺栓截面积, mm2, Sσ=πd1b2/6;d1为螺栓小径, mm;b为螺纹牙根的宽度, mm, b=x P, P为螺距, x为宽度系数, 普通螺纹x=0.87, 梯形螺纹x=0.65, 锯齿螺纹x=0.74, 矩形螺纹x=0.5。
而实际中螺纹的受力分布是相当不均匀的。在开始的3圈螺纹承受了大部分的轴向力, 约为总拉伸力的60%, 而第1圈则承受了总力的25%~30%左右, 从第l圈到第5圈承受了总拉伸力的80%, 到第10圈时负荷趋于零。这就是经常发现在螺纹第1圈处容易断裂的原因。因此在计算螺纹的应力时, 必须考虑螺纹各圈载荷不均的因素, 将平均分布应力除以载荷不均系数KZ来弥补螺纹在前3圈负荷的不均匀性。上述螺纹受力应为:
KZ可按表3取值。表中d为螺纹公称直径。
由式 (11) 、式 (12) 可得, 若设计螺纹满足强度要求, 则需满足:τ≤[τ], σb≤[σb]。
其中:[τ]为许用切应力, MPa;[σb]为许用弯曲应力, MPa。
3 结语
通过螺栓受力及扭矩的计算, 求得设备螺栓安装时的最佳受力扭矩, 便于螺栓紧固及强度校核工作的顺利进行, 能够有效保证螺纹连接的安全性能, 提高动车组设备安装的可靠性, 降低事故的发生。
摘要：为了保证设备安装的可靠性, 对动车组设备安装用的螺栓预紧有非常严格的扭力要求。较详细地计算和研究了动车组设备安装中螺栓螺纹联接的预紧方法、螺栓强度的核算、预紧力的控制等, 为螺栓连接强度的校核提供了理论依据。
关键词：预紧力,扭矩系数,轴向静载荷
参考文献
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