全封閉式聲屏障的螺紋連接副防松措施

顧人吉

(中海環境科技(上海)股份有限公司, 上海 200135)

0 引 言

在工程領域,螺紋連接副是最常見的零部件連接和固定設備之一。在聲屏障工程中,結構件與預制基礎之間、梁柱結構與梁柱結構之間和梁柱結構與功能屏體之間均以螺栓栓接為主要連接方式,根據不同構件的受力形式、載荷強度和位置特征的不同,應采用不同類型、不同尺寸的螺栓組。

螺紋連接副具有結構簡單、安裝方便、承載力強、性價比高、易于標準化、安裝過程可逆、無需二次切割零構件和無需加熱裝配體或接觸面等優點,廣泛應用于各類場景中。同時,由于螺紋連接副的裝卸過程可逆,在使用過程中螺栓完全要依靠張緊力和摩擦力實現自鎖,存在松動失效的隱患。隨著制造技術的不斷發展,工業產品和工程結構都在追求更長的使用壽命和更低的全生命周期安全風險,因此螺紋緊固件防松技術得到了快速發展和廣泛應用,以降低安全生產事故發生率,減少零部件連接失效造成的損失。

近年來,隨著交通的不斷發展,高鐵、輕軌和高速公路等基礎設施逐漸完善,在其影響范圍內,城市居民越來越重視對敏感區域的隔聲降噪要求。在此背景下,全封閉聲屏障在大中型城市得到了廣泛應用,取得了較好的效果。結合多年的聲屏障設計和施工經驗,通過觀察發現,在安裝聲屏障過程中使用了大量螺紋連接副,螺栓用量通常能達到10萬～20萬副/km;在實際運行過程中發現,隨著建設營運時間的增加和極端天氣的出現,聲屏障螺紋連接副在風振和機械振動的影響下可能會出現松動和脫落現象,進而危害下方道路或軌道上人員和設施的安全,輕則造成車體或軌道設施破損,重則引發安全事故。因此,近年來在建設全封閉式聲屏障時越來越重視采用螺紋連接副防松脫技術,并在各連接節點采取能適配工作環境、兼顧成本和可靠性的防松止退措施。

1 全封閉式聲屏障的螺紋連接形式

下面以浙江省某市軌交高架段的全封閉式聲屏障為例進行分析。該聲屏障主要由鋼筋混凝土基礎和預埋底座、鋼立柱、鋼梁、連接檁條、側面屏體和頂面屏體組成,各模塊之間多通過螺紋連接副裝配固定。預埋底座與鋼立柱之間和鋼立柱與鋼梁之間采用10.9級高強度螺栓剛性連接;鋼結構與檁條和屏體之間采用8.8級不銹鋼螺栓連接。

對該項目中的全封閉式聲屏障螺栓用量進行統計,結果見表1。

表1 某項目中的全封閉式聲屏障螺栓用量統計結果

常見的全封閉式聲屏障門架結構示意圖見圖1。

圖1 常見的全封閉式聲屏障門架結構示意圖

聲屏障連接件除了承擔屏體重量、結構自重和風壓雨雪載荷以外,還需克服車輛通過時產生的結構振動和行車脈動風壓,這些振動的周期和幅度均不穩定,會給聲屏障的連接節點帶來額外的沖擊負荷,導致連接螺栓松動、變形和脫落。同時,由于聲屏障多安裝在汽車、火車、地鐵和輕軌等交通工具的運行線路上,當零件掉落時,極有可能侵入車輛限界,引發短路,損壞線纜設備,或因高空墜落而引發事故,帶來生命和財產損失。因此,必須在連接件上采取穩定、可靠、易檢修的防松止退措施。

2 螺紋緊固件松動現象與防松措施

2.1 螺紋緊固件的受力形式

標準的螺紋連接副一般由帶頭部的外螺紋螺桿或不帶頭部的外螺紋螺柱、內螺紋螺母和墊片組成,通過螺桿頭部和螺母支承面向被連接的零部件施加預緊力。連接副受到的載荷主要有4種,分別為平行于螺栓軸線的軸向拉力、垂直于螺栓軸線的徑向剪切力(即橫向載荷)、平行于螺栓軸線的軸向扭矩和垂直于螺栓軸線的徑向彎矩[1]。在靜定狀態下,軸向拉力傳遞到螺母與螺桿的內外螺紋上,形成指向螺紋斜面的壓力和沿螺紋斜面的分力,而沿螺紋斜面的分力、徑向剪切力和軸向扭矩又被摩擦力所平衡,實現螺母的自鎖緊。在螺紋不松動的情況下,整個螺紋連接副可保持內力平衡,并持續提供足夠的預緊力。

對于螺栓中存在的摩擦非線性問題和接觸面上的力學狀態,已有多種線性和非線性模型、理論等效模型等可用來對其進行研究,同時存在針對螺栓連接結構的物理特性試驗。為簡化模型,若不考慮徑向剪切力、軸向扭矩和彎矩的作用,可將內外螺紋沿著圓柱面展開為2個緊密接觸的斜面,其受力情況等效為圖2a中2個滑塊的受力[2],其中:F為施加的橫向載荷;Fz為軸向載荷;Fs為螺紋斜面的摩擦力;Fm為螺母支承面與墊圈之間的摩擦力;Fn為螺紋斜面對螺母的支撐力。

圖2 螺紋摩擦面受力分析圖

當旋緊螺母時,在簡化模型中,可認為滑塊A被固定,滑塊B在推力的作用下克服摩擦力和軸向載荷,沿斜面勻速直線上升。記螺紋導程角(即斜面傾角)為φ;螺紋斜面的摩擦因數μ=tanθ,其中θ為摩擦角;螺母與墊圈之間的摩擦因數為ρ。此時有

Fm=ρFz

(1)

Fs=μ·[Fzcosφ+(F-Fm)sinφ]

(2)

Fs+Fzsinφ= (F-Fm)cosφ

(3)

由此可得

F=Fztan(φ+θ) +ρFz

(4)

在螺紋連接副預緊完成之后,螺母依靠摩擦力實現自鎖,受力見圖2b。只要保持Fzsinφ小于螺紋和墊圈提供的最大靜摩擦力,螺栓連接副就能保持穩定。

當螺母被勻速旋出時,由于摩擦力的方向始終與螺母的運動方向相反,其受力見圖2c,此時有

F=Fztan(φ-θ) +ρFz

(5)

顯然,在靜載狀態下,旋出螺母所需的橫向載荷越大,螺栓越不易脫落。從理論上看,增大軸向載荷、增大螺紋與螺紋間或螺母與墊片間的摩擦因數均能改善螺栓的自鎖能力,但這會受到材料成本和力學性能的限制,因此工程上還需采取其他類型的防松脫措施。

2.2 螺紋連接副松動現象

螺紋連接副的失效形式主要包括螺桿斷裂、螺牙脫落、表面疲勞、松動和化學腐蝕等[3]。螺栓出現松動通常包括2個階段[4],其中:第一階段是材料出現塑性變形,螺紋的有效載荷變小,螺母與螺栓的相對移動很小;第二階段是螺母與螺桿沿著螺紋出現明顯的相對滑動,使得張緊力和靜摩擦力減小。此外,金屬結構損壞也會引起螺栓松動。通過進一步分析可得出引發螺栓松動失效的主要原因。

螺紋的塑性變形主要發生于橫向振動初始階段或軸向振動期間。由于螺母與螺栓接觸的前3牙螺紋承擔了60%～70%的載荷,其根部所受應力最大,因此單次載荷作用引起局部材料屈服和循環載荷作用下的棘輪效應產生,使屈服區域的塑性變形擴展,表現為材料蠕變和應力松弛。蠕變是指螺紋材料所受應力不變,而應變隨時間變化的現象;應力松弛是指螺紋材料的總應變相同,彈性形變逐漸轉為塑性變形引起應力減小的現象。塑性變形造成螺紋發生磨損變形,螺栓發生徑向收縮和軸向伸長等,進而使螺紋緊固件的張緊力減小。

螺紋的相對滑動是剪切載荷、扭轉載荷和拉伸載荷共同作用下各類振動引起的微動行為的積累。通常認為螺紋對扭轉載荷比較敏感,對剪切載荷非常敏感。當螺紋受到振動的影響時,若振動方向平行于螺栓軸線,會使軸向拉力發生周期性變化,阻礙螺母旋松的摩擦力隨之減小。但是,當發生橫向振動時,在螺栓受力特性的影響下,很容易引起螺紋產生橫向位移,使鎖緊狀態下的靜摩擦因數轉變為滑移狀態下的動摩擦因數,阻礙螺母旋松的摩擦力同樣減小。經過多個振動周期之后,微動不斷積累,軸向拉力加速衰減,直至螺母完全松脫。圖3為全封閉式聲屏障連接螺栓松脫實景。

圖3 全封閉式聲屏障連接螺栓松脫實景

螺紋的金屬結構受損可能是由沖擊負荷、重復裝配、螺紋滑扣或咬死、熱膨脹和化學腐蝕等多種因素造成的。在加工和裝配螺栓過程中,材料本身不可避免地存在結構缺陷;在螺栓工作期間,會因振動而產生微動損傷,受環境因素的影響產生表面損傷。在應力的作用下,經歷裂紋萌生、裂紋發展、裂紋擴散和斷裂等4個階段[5],最終導致螺紋連接副遭到破壞。

2.3 螺紋緊固件常用防松措施類型

根據以上幾種情況,可采取相應措施避免螺紋連接副失效,延長其使用壽命:

1) 改變螺桿和螺母形狀,如優化齒厚、螺距和牙型等,進而改變螺紋的受力情況,使其工作載荷更均勻地分散到接觸面上,在保證連接副具有足夠預緊力的同時,使其局部的應力和應變減小,限制材料塑性區域的擴展;

2) 通過增大摩擦力、增加額外的結構及材料和破壞螺紋等方式,避免螺母與螺桿在工作中發生相對旋轉;

3) 根據工作環境選用機械性能和化學性能合適的螺栓材料,提升螺紋的加工精度和裝配精度,減少微動損傷,并用彈性阻尼墊層吸收沖擊能量,以避免破壞螺紋。

因此,在實際工程中,螺栓副防松止退方法可概括為摩擦式防松法、機械式防松法、破壞式防松法和結構式防松法等4種[6]。

1) 摩擦式防松法通過增大螺紋連接副之間的摩擦力減少螺母的相對滑動,是應用最廣泛的方法。由螺紋連接副的受力形式可知,螺栓松脫需克服的力矩取決于螺距、軸向載荷、受力面法向和材料的摩擦因數等。由于螺距會影響絲牙寬度和承載力,因此實際用于增大螺紋摩擦力的方式是改變螺紋齒槽的截面形狀和提供額外的摩擦力,例如采用楔形螺紋、有效力矩型鎖緊螺母和彈性墊圈等。

2) 機械式防松法通過附加的機械結構實現螺栓與螺母的限位鎖定,要求螺母與螺桿具有專門的限位結構及與之匹配的附加配件,這雖然會增加材料成本和裝配工時,但整體結構具有更強的可靠性,能給螺紋連接增加額外的保障。常見的機械式防松法有開槽/孔定位銷、加鍵防松、穿孔串聯鐵絲、嵌入鋼絲套筒、加裝止動墊片和圓螺母配合帶翅墊圈等。

2.4 兩組患者血管內皮細胞功能變化情況對比治療前，兩組 FMD、NMD、ET-1、TXB2、NO對比，差異無統計學意義（P＞0.05）；治療后，兩組 FMD、NMD、NO均明顯升高，ET-1、TXB2均明顯下降，且觀察組 FMD、NMD、NO明顯高于對照組，ET-1、TXB2明顯低于對照組，治療后組間及各組組內前后比較，差異均有統計學意義（P＜0.05）。見表4。

3) 破壞式防松法是在螺紋連接副裝配到位之后,以沖點、焊接和粘結等方式破壞內外螺紋,使螺母的裝配變成不可逆的過程。該方法的優點是可靠性強,缺點是:螺栓只能使用1次:安裝完成之后,無法重新調整扭矩和預緊力;長時間使用之后,若出現應力松弛現象,無法進行檢查維修,只能拆除更換新的連接副。該方法適用于工作載荷穩定、防松要求高和全壽命周期內無需再次拆解的部位。

4) 結構式防松法與機械式防松法有類似之處,但不會引入額外的配件,而是通過改變螺紋連接副本身的結構達到防松脫的目的。常見的結構式防松法有對頂雙螺母、彈性螺母、齒面螺母、開槽鎖緊螺母、DLP(Dynamic Locking Profile)螺紋和Step-Lock-Bolt階鎖螺栓等。

3 螺栓防松措施在全封閉聲屏障中的應用

3.1 柱底板螺栓的防松措施

聲屏障鋼結構的柱底板采用10.9級或10.9級以上的高強度螺紋桿固定于預埋底座上,預埋底座的螺桿和錨筋在鋼筋混凝土基礎施工時即行澆筑。

聲屏障鋼柱底板的受力形式以壓力為主,同時受到扭力和彎曲力的作用。壓力的來源包括鋼結構梁和柱的自重,以及掛載于鋼結構上的檁條和聲屏障屏體的重力,在雨雪天氣下還要考慮環境載荷。扭力和彎曲力是由各類環境因素引起的,主要包括路面不均勻沉降或熱脹冷縮引起的柱體位置偏移、自然風場作用于屏體上產生的風載荷、過往車輛引起的結構振動和脈動風壓等。因此,柱底板與預埋底座之間的螺栓組是整個全封閉式聲屏障中結構載荷最大的部件,適宜采用對頂雙螺母結構固定。

對頂雙螺母是一種常用的螺栓防松結構(見圖4a),由螺桿、墊圈、下螺母和上螺母組成。在施工過程中:先安裝下螺母,旋緊至其施擰扭矩達到設計扭矩的80%;隨后固定下螺母并安裝上螺母,旋緊至其施擰扭矩達到設計緊固扭矩的100%,使上下螺母相互對頂。上下螺母安裝完成之后與螺桿之間的相對關系見圖4b,通過墊圈、下螺母和上螺母彼此對頂,并雙向咬緊螺桿絲牙,使得每個摩擦面都能獲得額外的摩擦力和預緊力,從而取得更好的防松動效果。

圖4 對頂雙螺母結構示意圖

值得注意的是,在采用對頂雙螺母防松措施時,最好采用2枚標準螺母;根據GB/T 3098.2—2015《緊固件機械性能 螺母》[7]的意見,若要采用薄螺母作為鎖緊螺母,必須搭配1枚標準螺母或高螺母,安裝時,應先將薄螺母擰緊,再將標準螺母或高螺母擰在薄螺母上方。薄螺母不能單獨應用于抗脫扣的場合。

3.2 梁-柱連接節點螺栓的防松措施

全封閉式聲屏障的支撐結構通常分為柱和梁2部分,分別采用對應尺寸的H型鋼加工,由尺寸在M16以上、性能等級為10.9S的摩擦型高強度螺栓組連接。

根據聲屏障跨度和屏體設計形式的不同,聲屏障的主梁結構有時可能被分為2～3段,而梁-柱連接節點有多種布置方式。在工作環境下,這些連接節點需承擔鋼梁自重和功能性屏體的重量,并吸收屏體產生的各種振動沖擊,受力形式包括壓力、拉力、彎曲力、剪切力和扭力,因此工作載荷及其波動幅度較大。

圖5為雙疊自鎖緊墊圈使用模型示意圖。在螺母M與裝配件N之間嵌入了2片帶有雙面棘齒的墊圈O和P,二者結構相同,翻轉180°之后彼此嚙合。在連接界面M與O和N與P之間,墊圈加工出1組指向螺紋旋緊方向的細齒;在連接界面O與P之間加工出1組指向螺紋旋出方向且斜面更平緩的寬齒,要求這組寬齒的斜面傾角大于螺栓螺紋的導程角。

圖5 雙疊自鎖緊墊圈使用模型示意圖

由于棘齒沿2個方向的摩擦因數不對稱,當螺紋連接副受到沖擊振動時,螺母M向右(旋松方向)移動會帶動墊圈O同向滑移,而墊圈P會在棘齒的阻礙下與裝配件N保持相對靜止;同時,因螺紋導程角小于O-P界面斜角,當轉動相同角度時,螺母M對應的軸向位移小于墊圈O,二者會始終保持緊貼。因此,振動只會在連接界面O與P之間產生空隙。當振動消失時,墊圈O和墊圈P會在軸向載荷的作用下自動產生回轉力矩,并利用界面M與O和N與P之間的棘齒帶動螺母自緊,從而起到防松的作用。若有必要,還可使用碟形或楔形墊圈,利用墊圈的彈性變形獲得額外的預緊力。

3.3 梁柱-檁條連接節點及屏體固定件的螺栓防松止退措施

全封閉式聲屏障應在平行排布的門型梁柱支撐結構之間設置橫向的檁條結構,并間隔設置斜向的拉索或斜撐,使多組梁柱支撐結構形成剛性連接,增強全封閉式聲屏障在水平方向的抗拉和抗剪能力。用于連接聲屏障梁柱與檁條節點的螺栓需承載的預緊力相對較小,在設計中對其材料強度的要求可適當降低,但因其安裝位置較高,且位于交通工具運行區正上方,在安裝時主要應當避免的是螺母大幅度松退,甚至完全脫落。

聲屏障屏體是用于吸收、反射和抵消噪聲能量的部件。以某市軌交線路的全封閉聲屏障屏體為例,其側面吸聲屏體采用雙面穿孔鋁板和48K離心玻璃棉設計,透明隔聲屏體采用鋁合金框架和夾膠玻璃設計,頂部隔聲屏體采用聚碳酸酯板設計。相比鋼結構梁柱,屏體材料的密度和屈服強度較小,熱膨脹系數[8]和受風面積較大,更易產生振動和變形。

綜合考慮以上特點,對于應用在聲屏障梁柱-檁條連接節點和屏體固定件上的螺栓而言,需在更小的軸向載荷下具有足夠的鎖緊力矩,具備可靠的阻尼振動性能,且有額外的防脫落措施。

在實踐中,常用尼龍嵌件自鎖螺母[9]達到防松效果。圖6為尼龍嵌件自鎖螺母螺檢組,其內圈鑲嵌有尼龍彈性環,當將其旋緊時,尾部尼龍嵌體隨著螺母滑動,套在螺桿外螺紋上;在螺母使用壽命期內,受預緊力持續擠壓的影響,尼龍環會輕微變形,抱死螺紋絲牙并增大金屬之間的摩擦因數,形成有效鎖緊力矩,同時利用自身彈性吸收多余的沖擊能量,起到阻尼振動的效果;當螺母受沖擊振動和有松動傾向時,受螺紋結構的機械特性的影響,嵌體內的尼龍材料會與螺紋縫隙面發生摩擦,使螺母逆轉所需的力矩急劇增大,起到止退的效果。

圖6 尼龍嵌件自鎖螺母螺栓組

尼龍嵌件能提升螺母的可靠性,但因檁條連接節點和屏體固定件所處位置較高,檢修頻次會受到限制。為防止在2次維護之間的時段內發生螺母脫落事故,可采用機械式防松法,在螺母外端面加工出槽口,并配合開口銷(即六角開槽螺母),在螺母松動的情況下達到防脫落的目的。圖7為配有開口銷的開槽螺母螺栓組。在安裝之前,根據機械設備或工程結構的設計尺寸,在螺栓的對應位置鉆出細孔;在螺母施擰到位之后,調整螺母的槽口,使其與細孔對準,用尺寸合適的開口銷貫穿細孔,使螺母只能在很小的角度內旋動。采用該方法鎖止的連接副的預緊力只會在小范圍內波動,即便因其他原因導致螺母松脫、滑扣,也幾乎不可能出現螺母掉落的風險。

圖7 配有開口銷的開槽螺母螺栓組

4 結 語

隨著城市化進程的不斷加快,交通基礎設施建設的不斷完善,人們對生活環境的要求日益提高,城市公路和鐵路聲屏障的應用越來越廣泛。全封閉式聲屏障因具有包覆面積大和降噪效果好等優點得到了廣泛關注,但與之對應的是較高的成本和較大的施工難度。針對全封閉式聲屏障的結構特點,在設計和施工過程中,應考慮采用適當的措施避免螺紋連接副松動失效,從而降低聲屏障運行期間發生事故的風險。根據某城市多條軌交線路全封閉式聲屏障的運行情況,在采用上述螺栓防松止退措施之后,連接件松動和脫落等事件的發生率大幅下降,實用效果得到了各方的認可,適合推廣使用。