全封闭式声屏障的螺纹连接副防松措施

顾人吉

(中海环境科技(上海)股份有限公司, 上海 200135)

0 引 言

在工程领域,螺纹连接副是最常见的零部件连接和固定设备之一。在声屏障工程中,结构件与预制基础之间、梁柱结构与梁柱结构之间和梁柱结构与功能屏体之间均以螺栓栓接为主要连接方式,根据不同构件的受力形式、载荷强度和位置特征的不同,应采用不同类型、不同尺寸的螺栓组。

螺纹连接副具有结构简单、安装方便、承载力强、性价比高、易于标准化、安装过程可逆、无需二次切割零构件和无需加热装配体或接触面等优点,广泛应用于各类场景中。同时,由于螺纹连接副的装卸过程可逆,在使用过程中螺栓完全要依靠张紧力和摩擦力实现自锁,存在松动失效的隐患。随着制造技术的不断发展,工业产品和工程结构都在追求更长的使用寿命和更低的全生命周期安全风险,因此螺纹紧固件防松技术得到了快速发展和广泛应用,以降低安全生产事故发生率,减少零部件连接失效造成的损失。

近年来,随着交通的不断发展,高铁、轻轨和高速公路等基础设施逐渐完善,在其影响范围内,城市居民越来越重视对敏感区域的隔声降噪要求。在此背景下,全封闭声屏障在大中型城市得到了广泛应用,取得了较好的效果。结合多年的声屏障设计和施工经验,通过观察发现,在安装声屏障过程中使用了大量螺纹连接副,螺栓用量通常能达到10万～20万副/km;在实际运行过程中发现,随着建设营运时间的增加和极端天气的出现,声屏障螺纹连接副在风振和机械振动的影响下可能会出现松动和脱落现象,进而危害下方道路或轨道上人员和设施的安全,轻则造成车体或轨道设施破损,重则引发安全事故。因此,近年来在建设全封闭式声屏障时越来越重视采用螺纹连接副防松脱技术,并在各连接节点采取能适配工作环境、兼顾成本和可靠性的防松止退措施。

1 全封闭式声屏障的螺纹连接形式

下面以浙江省某市轨交高架段的全封闭式声屏障为例进行分析。该声屏障主要由钢筋混凝土基础和预埋底座、钢立柱、钢梁、连接檩条、侧面屏体和顶面屏体组成,各模块之间多通过螺纹连接副装配固定。预埋底座与钢立柱之间和钢立柱与钢梁之间采用10.9级高强度螺栓刚性连接;钢结构与檩条和屏体之间采用8.8级不锈钢螺栓连接。

对该项目中的全封闭式声屏障螺栓用量进行统计,结果见表1。

表1 某项目中的全封闭式声屏障螺栓用量统计结果

常见的全封闭式声屏障门架结构示意图见图1。

图1 常见的全封闭式声屏障门架结构示意图

声屏障连接件除了承担屏体重量、结构自重和风压雨雪载荷以外,还需克服车辆通过时产生的结构振动和行车脉动风压,这些振动的周期和幅度均不稳定,会给声屏障的连接节点带来额外的冲击负荷,导致连接螺栓松动、变形和脱落。同时,由于声屏障多安装在汽车、火车、地铁和轻轨等交通工具的运行线路上,当零件掉落时,极有可能侵入车辆限界,引发短路,损坏线缆设备,或因高空坠落而引发事故,带来生命和财产损失。因此,必须在连接件上采取稳定、可靠、易检修的防松止退措施。

2 螺纹紧固件松动现象与防松措施

2.1 螺纹紧固件的受力形式

标准的螺纹连接副一般由带头部的外螺纹螺杆或不带头部的外螺纹螺柱、内螺纹螺母和垫片组成,通过螺杆头部和螺母支承面向被连接的零部件施加预紧力。连接副受到的载荷主要有4种,分别为平行于螺栓轴线的轴向拉力、垂直于螺栓轴线的径向剪切力(即横向载荷)、平行于螺栓轴线的轴向扭矩和垂直于螺栓轴线的径向弯矩[1]。在静定状态下,轴向拉力传递到螺母与螺杆的内外螺纹上,形成指向螺纹斜面的压力和沿螺纹斜面的分力,而沿螺纹斜面的分力、径向剪切力和轴向扭矩又被摩擦力所平衡,实现螺母的自锁紧。在螺纹不松动的情况下,整个螺纹连接副可保持内力平衡,并持续提供足够的预紧力。

对于螺栓中存在的摩擦非线性问题和接触面上的力学状态,已有多种线性和非线性模型、理论等效模型等可用来对其进行研究,同时存在针对螺栓连接结构的物理特性试验。为简化模型,若不考虑径向剪切力、轴向扭矩和弯矩的作用,可将内外螺纹沿着圆柱面展开为2个紧密接触的斜面,其受力情况等效为图2a中2个滑块的受力[2],其中:F为施加的横向载荷;Fz为轴向载荷;Fs为螺纹斜面的摩擦力;Fm为螺母支承面与垫圈之间的摩擦力;Fn为螺纹斜面对螺母的支撑力。

图2 螺纹摩擦面受力分析图

当旋紧螺母时,在简化模型中,可认为滑块A被固定,滑块B在推力的作用下克服摩擦力和轴向载荷,沿斜面匀速直线上升。记螺纹导程角(即斜面倾角)为φ;螺纹斜面的摩擦因数μ=tanθ,其中θ为摩擦角;螺母与垫圈之间的摩擦因数为ρ。此时有

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)

在螺纹连接副预紧完成之后,螺母依靠摩擦力实现自锁,受力见图2b。只要保持Fzsinφ小于螺纹和垫圈提供的最大静摩擦力,螺栓连接副就能保持稳定。

当螺母被匀速旋出时,由于摩擦力的方向始终与螺母的运动方向相反,其受力见图2c,此时有

F=Fztan(φ-θ) +ρFz

(5)

显然,在静载状态下,旋出螺母所需的横向载荷越大,螺栓越不易脱落。从理论上看,增大轴向载荷、增大螺纹与螺纹间或螺母与垫片间的摩擦因数均能改善螺栓的自锁能力,但这会受到材料成本和力学性能的限制,因此工程上还需采取其他类型的防松脱措施。

2.2 螺纹连接副松动现象

螺纹连接副的失效形式主要包括螺杆断裂、螺牙脱落、表面疲劳、松动和化学腐蚀等[3]。螺栓出现松动通常包括2个阶段[4],其中:第一阶段是材料出现塑性变形,螺纹的有效载荷变小,螺母与螺栓的相对移动很小;第二阶段是螺母与螺杆沿着螺纹出现明显的相对滑动,使得张紧力和静摩擦力减小。此外,金属结构损坏也会引起螺栓松动。通过进一步分析可得出引发螺栓松动失效的主要原因。

螺纹的塑性变形主要发生于横向振动初始阶段或轴向振动期间。由于螺母与螺栓接触的前3牙螺纹承担了60%～70%的载荷,其根部所受应力最大,因此单次载荷作用引起局部材料屈服和循环载荷作用下的棘轮效应产生,使屈服区域的塑性变形扩展,表现为材料蠕变和应力松弛。蠕变是指螺纹材料所受应力不变,而应变随时间变化的现象;应力松弛是指螺纹材料的总应变相同,弹性形变逐渐转为塑性变形引起应力减小的现象。塑性变形造成螺纹发生磨损变形,螺栓发生径向收缩和轴向伸长等,进而使螺纹紧固件的张紧力减小。

螺纹的相对滑动是剪切载荷、扭转载荷和拉伸载荷共同作用下各类振动引起的微动行为的积累。通常认为螺纹对扭转载荷比较敏感,对剪切载荷非常敏感。当螺纹受到振动的影响时,若振动方向平行于螺栓轴线,会使轴向拉力发生周期性变化,阻碍螺母旋松的摩擦力随之减小。但是,当发生横向振动时,在螺栓受力特性的影响下,很容易引起螺纹产生横向位移,使锁紧状态下的静摩擦因数转变为滑移状态下的动摩擦因数,阻碍螺母旋松的摩擦力同样减小。经过多个振动周期之后,微动不断积累,轴向拉力加速衰减,直至螺母完全松脱。图3为全封闭式声屏障连接螺栓松脱实景。

图3 全封闭式声屏障连接螺栓松脱实景

螺纹的金属结构受损可能是由冲击负荷、重复装配、螺纹滑扣或咬死、热膨胀和化学腐蚀等多种因素造成的。在加工和装配螺栓过程中,材料本身不可避免地存在结构缺陷;在螺栓工作期间,会因振动而产生微动损伤,受环境因素的影响产生表面损伤。在应力的作用下,经历裂纹萌生、裂纹发展、裂纹扩散和断裂等4个阶段[5],最终导致螺纹连接副遭到破坏。

2.3 螺纹紧固件常用防松措施类型

根据以上几种情况,可采取相应措施避免螺纹连接副失效,延长其使用寿命:

1) 改变螺杆和螺母形状,如优化齿厚、螺距和牙型等,进而改变螺纹的受力情况,使其工作载荷更均匀地分散到接触面上,在保证连接副具有足够预紧力的同时,使其局部的应力和应变减小,限制材料塑性区域的扩展;

2) 通过增大摩擦力、增加额外的结构及材料和破坏螺纹等方式,避免螺母与螺杆在工作中发生相对旋转;

3) 根据工作环境选用机械性能和化学性能合适的螺栓材料,提升螺纹的加工精度和装配精度,减少微动损伤,并用弹性阻尼垫层吸收冲击能量,以避免破坏螺纹。

因此,在实际工程中,螺栓副防松止退方法可概括为摩擦式防松法、机械式防松法、破坏式防松法和结构式防松法等4种[6]。

1) 摩擦式防松法通过增大螺纹连接副之间的摩擦力减少螺母的相对滑动,是应用最广泛的方法。由螺纹连接副的受力形式可知,螺栓松脱需克服的力矩取决于螺距、轴向载荷、受力面法向和材料的摩擦因数等。由于螺距会影响丝牙宽度和承载力,因此实际用于增大螺纹摩擦力的方式是改变螺纹齿槽的截面形状和提供额外的摩擦力,例如采用楔形螺纹、有效力矩型锁紧螺母和弹性垫圈等。

2) 机械式防松法通过附加的机械结构实现螺栓与螺母的限位锁定,要求螺母与螺杆具有专门的限位结构及与之匹配的附加配件,这虽然会增加材料成本和装配工时,但整体结构具有更强的可靠性,能给螺纹连接增加额外的保障。常见的机械式防松法有开槽/孔定位销、加键防松、穿孔串联铁丝、嵌入钢丝套筒、加装止动垫片和圆螺母配合带翅垫圈等。

2.4 两组患者血管内皮细胞功能变化情况对比治疗前，两组 FMD、NMD、ET-1、TXB2、NO对比，差异无统计学意义（P＞0.05）；治疗后，两组 FMD、NMD、NO均明显升高，ET-1、TXB2均明显下降，且观察组 FMD、NMD、NO明显高于对照组，ET-1、TXB2明显低于对照组，治疗后组间及各组组内前后比较，差异均有统计学意义（P＜0.05）。见表4。

3) 破坏式防松法是在螺纹连接副装配到位之后,以冲点、焊接和粘结等方式破坏内外螺纹,使螺母的装配变成不可逆的过程。该方法的优点是可靠性强,缺点是:螺栓只能使用1次:安装完成之后,无法重新调整扭矩和预紧力;长时间使用之后,若出现应力松弛现象,无法进行检查维修,只能拆除更换新的连接副。该方法适用于工作载荷稳定、防松要求高和全寿命周期内无需再次拆解的部位。

4) 结构式防松法与机械式防松法有类似之处,但不会引入额外的配件,而是通过改变螺纹连接副本身的结构达到防松脱的目的。常见的结构式防松法有对顶双螺母、弹性螺母、齿面螺母、开槽锁紧螺母、DLP(Dynamic Locking Profile)螺纹和Step-Lock-Bolt阶锁螺栓等。

3 螺栓防松措施在全封闭声屏障中的应用

3.1 柱底板螺栓的防松措施

声屏障钢结构的柱底板采用10.9级或10.9级以上的高强度螺纹杆固定于预埋底座上,预埋底座的螺杆和锚筋在钢筋混凝土基础施工时即行浇筑。

声屏障钢柱底板的受力形式以压力为主,同时受到扭力和弯曲力的作用。压力的来源包括钢结构梁和柱的自重,以及挂载于钢结构上的檩条和声屏障屏体的重力,在雨雪天气下还要考虑环境载荷。扭力和弯曲力是由各类环境因素引起的,主要包括路面不均匀沉降或热胀冷缩引起的柱体位置偏移、自然风场作用于屏体上产生的风载荷、过往车辆引起的结构振动和脉动风压等。因此,柱底板与预埋底座之间的螺栓组是整个全封闭式声屏障中结构载荷最大的部件,适宜采用对顶双螺母结构固定。

对顶双螺母是一种常用的螺栓防松结构(见图4a),由螺杆、垫圈、下螺母和上螺母组成。在施工过程中:先安装下螺母,旋紧至其施拧扭矩达到设计扭矩的80%;随后固定下螺母并安装上螺母,旋紧至其施拧扭矩达到设计紧固扭矩的100%,使上下螺母相互对顶。上下螺母安装完成之后与螺杆之间的相对关系见图4b,通过垫圈、下螺母和上螺母彼此对顶,并双向咬紧螺杆丝牙,使得每个摩擦面都能获得额外的摩擦力和预紧力,从而取得更好的防松动效果。

图4 对顶双螺母结构示意图

值得注意的是,在采用对顶双螺母防松措施时,最好采用2枚标准螺母;根据GB/T 3098.2—2015《紧固件机械性能 螺母》[7]的意见,若要采用薄螺母作为锁紧螺母,必须搭配1枚标准螺母或高螺母,安装时,应先将薄螺母拧紧,再将标准螺母或高螺母拧在薄螺母上方。薄螺母不能单独应用于抗脱扣的场合。

3.2 梁-柱连接节点螺栓的防松措施

全封闭式声屏障的支撑结构通常分为柱和梁2部分,分别采用对应尺寸的H型钢加工,由尺寸在M16以上、性能等级为10.9S的摩擦型高强度螺栓组连接。

根据声屏障跨度和屏体设计形式的不同,声屏障的主梁结构有时可能被分为2～3段,而梁-柱连接节点有多种布置方式。在工作环境下,这些连接节点需承担钢梁自重和功能性屏体的重量,并吸收屏体产生的各种振动冲击,受力形式包括压力、拉力、弯曲力、剪切力和扭力,因此工作载荷及其波动幅度较大。

图5为双叠自锁紧垫圈使用模型示意图。在螺母M与装配件N之间嵌入了2片带有双面棘齿的垫圈O和P,二者结构相同,翻转180°之后彼此啮合。在连接界面M与O和N与P之间,垫圈加工出1组指向螺纹旋紧方向的细齿;在连接界面O与P之间加工出1组指向螺纹旋出方向且斜面更平缓的宽齿,要求这组宽齿的斜面倾角大于螺栓螺纹的导程角。

图5 双叠自锁紧垫圈使用模型示意图

由于棘齿沿2个方向的摩擦因数不对称,当螺纹连接副受到冲击振动时,螺母M向右(旋松方向)移动会带动垫圈O同向滑移,而垫圈P会在棘齿的阻碍下与装配件N保持相对静止;同时,因螺纹导程角小于O-P界面斜角,当转动相同角度时,螺母M对应的轴向位移小于垫圈O,二者会始终保持紧贴。因此,振动只会在连接界面O与P之间产生空隙。当振动消失时,垫圈O和垫圈P会在轴向载荷的作用下自动产生回转力矩,并利用界面M与O和N与P之间的棘齿带动螺母自紧,从而起到防松的作用。若有必要,还可使用碟形或楔形垫圈,利用垫圈的弹性变形获得额外的预紧力。

3.3 梁柱-檩条连接节点及屏体固定件的螺栓防松止退措施

全封闭式声屏障应在平行排布的门型梁柱支撑结构之间设置横向的檩条结构,并间隔设置斜向的拉索或斜撑,使多组梁柱支撑结构形成刚性连接,增强全封闭式声屏障在水平方向的抗拉和抗剪能力。用于连接声屏障梁柱与檩条节点的螺栓需承载的预紧力相对较小,在设计中对其材料强度的要求可适当降低,但因其安装位置较高,且位于交通工具运行区正上方,在安装时主要应当避免的是螺母大幅度松退,甚至完全脱落。

声屏障屏体是用于吸收、反射和抵消噪声能量的部件。以某市轨交线路的全封闭声屏障屏体为例,其侧面吸声屏体采用双面穿孔铝板和48K离心玻璃棉设计,透明隔声屏体采用铝合金框架和夹胶玻璃设计,顶部隔声屏体采用聚碳酸酯板设计。相比钢结构梁柱,屏体材料的密度和屈服强度较小,热膨胀系数[8]和受风面积较大,更易产生振动和变形。

综合考虑以上特点,对于应用在声屏障梁柱-檩条连接节点和屏体固定件上的螺栓而言,需在更小的轴向载荷下具有足够的锁紧力矩,具备可靠的阻尼振动性能,且有额外的防脱落措施。

在实践中,常用尼龙嵌件自锁螺母[9]达到防松效果。图6为尼龙嵌件自锁螺母螺检组,其内圈镶嵌有尼龙弹性环,当将其旋紧时,尾部尼龙嵌体随着螺母滑动,套在螺杆外螺纹上;在螺母使用寿命期内,受预紧力持续挤压的影响,尼龙环会轻微变形,抱死螺纹丝牙并增大金属之间的摩擦因数,形成有效锁紧力矩,同时利用自身弹性吸收多余的冲击能量,起到阻尼振动的效果;当螺母受冲击振动和有松动倾向时,受螺纹结构的机械特性的影响,嵌体内的尼龙材料会与螺纹缝隙面发生摩擦,使螺母逆转所需的力矩急剧增大,起到止退的效果。

图6 尼龙嵌件自锁螺母螺栓组

尼龙嵌件能提升螺母的可靠性,但因檩条连接节点和屏体固定件所处位置较高,检修频次会受到限制。为防止在2次维护之间的时段内发生螺母脱落事故,可采用机械式防松法,在螺母外端面加工出槽口,并配合开口销(即六角开槽螺母),在螺母松动的情况下达到防脱落的目的。图7为配有开口销的开槽螺母螺栓组。在安装之前,根据机械设备或工程结构的设计尺寸,在螺栓的对应位置钻出细孔;在螺母施拧到位之后,调整螺母的槽口,使其与细孔对准,用尺寸合适的开口销贯穿细孔,使螺母只能在很小的角度内旋动。采用该方法锁止的连接副的预紧力只会在小范围内波动,即便因其他原因导致螺母松脱、滑扣,也几乎不可能出现螺母掉落的风险。

图7 配有开口销的开槽螺母螺栓组

4 结 语

随着城市化进程的不断加快,交通基础设施建设的不断完善,人们对生活环境的要求日益提高,城市公路和铁路声屏障的应用越来越广泛。全封闭式声屏障因具有包覆面积大和降噪效果好等优点得到了广泛关注,但与之对应的是较高的成本和较大的施工难度。针对全封闭式声屏障的结构特点,在设计和施工过程中,应考虑采用适当的措施避免螺纹连接副松动失效,从而降低声屏障运行期间发生事故的风险。根据某城市多条轨交线路全封闭式声屏障的运行情况,在采用上述螺栓防松止退措施之后,连接件松动和脱落等事件的发生率大幅下降,实用效果得到了各方的认可,适合推广使用。