高速铁路特大桥钢桁梁高强度螺栓断裂分析及养修建议

朱素华 上海铁路局南京桥工段

高速铁路特大桥钢桁梁高强度螺栓断裂分析及养修建议

朱素华 上海铁路局南京桥工段

针对南京大胜关高速铁路特大桥钢桁梁高强度螺栓断裂现状，统计折断的相关数据、并根据不同折断位置、发生折断的时间、折断的形式等进行初步分析，为南京大胜关长江高速铁路特大桥钢桁梁的今后养护维修和研究提供参考。

高速铁路桥；高强度螺栓；折断；分析；养护

南京大胜关长江大桥属于高速铁路特大型桥梁，是世界首座六线铁路大桥，于2006年初开工，2010年12月建成通车（见图1）。大桥全长14.889 km，按六线轨道设计(京沪高铁双线设计时速300 km/h、沪蓉高铁双线设计速度250 km/h、地铁双线设计速度80 km/h)，具有体量大、荷载大、跨度大、速度高的“三大一高”世界领先水平，跨越长江的水域合建区段主桥长1 615.0 m，孔跨式样为2联（84+84）m连续钢桁梁/ （108+192+336+336+192+108）连续钢桁拱桥，主跨2×336 m连续钢桁拱为世界同类桥梁最大跨度，主桥钢梁重量约为8.2万t，主桁由三片主桁架组成，桁梁总宽41.0 m，两个336 m的中跨钢拱桁，从拱趾到拱顶总高96.18 m。正桥钢桁梁采用382万套高强度螺栓摩擦型连接，其中主桁杆件采用M30螺栓连接,桥面系和联结系构件采用M24螺栓连接,桥面U形肋和板肋的拼接采用M22螺栓连接。M24、M22高强度螺栓材质为20MnTiB，M30高栓材质为35VB。

图1 大胜关长江大桥钢桁梁桥全景图

1 高强度螺栓断裂的基本情况

大胜关长江大桥钢桁梁高强度螺栓，从2010年12月30日开通运营到2016年3月22日，共发现高强度螺栓断裂277套，而且每年都会发生高强度螺栓断裂的现象，其中M30规格高强度螺栓断裂34套，M24规格高强度螺栓断裂219套，M22规格高强度螺栓断裂24套（见表1）。

表1 大胜关长江大桥正桥 高强度螺栓折断统计表（规格及位置）

高强度螺栓发生断裂，由于受力、材质等原因影响，断裂位置不一（见图2～图6），主要有以下几种形式：①螺栓丝杆中部；②螺母与螺栓交接处；③螺栓直杆与丝口交界处；④螺栓直杆与螺栓头部交接处；⑤螺栓直杆中部。其中图3、图4、图5是大胜关长江大桥钢桁梁发现最多的断裂位置，断裂位置发生在螺栓直杆与螺栓头部交接处和螺栓直杆中部属于延迟断裂的可能性比较大。

图2 螺栓丝杆中部

图3 螺母与螺栓交接处

图4 螺栓直杆与丝口交界处

图5 螺栓直杆与螺栓头部交接处

图6 螺栓直杆中部

2 高强度螺栓断裂的原因分析

2.1 气候条件的不利影响

大胜关长江大桥钢桁梁桥位于江苏省西南部、长江的中下游，属北亚热带向中亚热带过度气候带，具有过度性、季风性、湿润性的特点。年平均雨日118.8天，相对湿度较高：1月份平均为73.7%、7月份平均为81.1%、年平均77.0%。每年的1~4月份、10~12月份昼夜温差大，这样的环境气候条件对高强度螺栓的耐侯性有很大的影响，是造成高强度螺栓断裂的原因之一。

2.2 原材质因素造成缺陷

通常，高强度螺栓材质自身缺陷会造成延迟断裂。高强螺栓的原材料中存在非金属夹杂物，冶炼和加工过程中各种介质（特别是氢）的侵入，导致在冶炼过程中，可能会存在初始缺陷，在制造过程中，也有可能产生新的制造缺陷，这些都有可能成为日后高强螺栓延迟断裂的诱因。

2.3 施工误差引起延迟断裂

为防止高强度螺栓腐蚀，目前国内通常的做法是对高强度螺栓表面进行处理，虽然可以防腐，但是在施工时需要在其表面涂抹润滑剂，易造成扭矩系数离散，导致预紧力无法控制，出现超拧问题。根据铁路钢桥高强度螺栓连接施工规定（TBJ214-92），铁路钢桥架设过程中采用定扭矩扳手进行施工扭矩控制。该法技术成熟，应用广泛，但存在施工扭矩控制不准，班前班后扭矩标定，终拧后扭矩检查复验等复杂施工工序，工人劳动强度大，施拧质量仍主要依靠人工，无法实现扭矩精准控制及记录，一旦出现超拧，将是高强螺栓延迟断裂的主因。

2.4 结构应力造成自身破坏

对于钢结构而言，连接破坏是结构破坏的最重要原因，结构应力集中等诱因会导致高强度螺栓自身破坏，主要有螺栓直接剪断；有裂纹、裂缝；螺纹、螺杆损伤；螺纹磨损严重超过配合间隙(滑扣)；表面脱碳、镀锌层脱落；锈蚀；弯曲、拉伸变形等情况。

3 高强度螺栓缺失对接头传力性能的影响

作为连接部位的重要传力部件，高强螺栓的断裂会导致连接接头滑移，甚至主体结构失稳破坏。栓接接头在承受外力时，每排螺栓所传递的外力与全部螺栓所传递的总外力之比称为传力比。

南京大胜关长江大桥钢桁梁桥桁架节点板高强度螺栓的排列形式为长列多排高强度螺栓接头，其承载性能、各栓传力比复杂，长列多排高强度螺栓接头在轴力作用下各排传力比接近马鞍型分布，第一排和最末一排螺栓传力比最大，中间螺栓传力比较小，由两边向中间递减。螺栓缺失后对其相邻的两排螺栓影响很大，对其余各排螺栓的传力比影响不明显，说明螺栓缺失只对局部范围内的螺栓有影响，但若传力比较大的螺栓排缺失数量达到一定程度后，极易使剩余螺栓传力比超过其抗剪承载力而出现剪切破坏（见图7）。

图7 螺栓缺失状态下各排螺栓的传力比示意图

综上所述，高强度螺栓发生折断后，传力比滑移会产生应力重分布导致高栓受力不均，从而加剧高强度螺栓的折断速度，形成恶性循环，

4 高强度螺断裂养修建议

高强度螺断裂原因复杂，受影响的因素很多，为减少高强度螺栓的断裂或发生断裂的情况下，确保运营的高速铁路钢桁梁桥设备状态良好，重点是做好以下几方面工作。

4.1 改善高强度螺栓原材料性能

南京大胜关长江大桥钢桁梁桥使用的高强度螺栓是材质20MnTiB与35VB两种。20MnTiB栓淬火控制要求较高，导致其加工与施拧难以控制在其有效载荷范围，从统计的数据中，可以看到，发生折断的20MnTiB高强度螺栓占断裂总数的87%，所以尽量采用35VB材质的高强度螺栓连接副或其他性能更好的高强度螺栓连接副。

4.2 加强日常养修作业管理

《高速铁路桥隧建筑物修理规则（试行）》（TG/GW 114-2011）第5.2.1条规定，钢桁梁桥每季检查一遍，南京大胜关长江大桥钢桁梁桥目前实行的是每月检查一遍，目的是缩短检查周期，加大高强度螺栓的检查频率，尽早发现断裂的高强度螺栓，并及时补充更换，保持该节点高强度螺栓的处于正常的受力状态。

更换高强度螺栓的关键是控制好扭矩，高强度螺栓的施工预拉力应符合设计要求，欠拧值或超拧值均不应超过规定值的10%。高强度螺栓的初拧值应根据试验确定，一般取终拧值的40%～70%。更换过的螺栓在检验之后，均应涂上与桥梁结构显著不同的颜色，并记入桥梁记录簿，注明其数量和位置。更换螺栓后，应对其所有相邻而未更换的螺栓加以敲击，检查是否受到损伤。

高强度螺栓更换，对于大型节点，同时更换的数量不得超过该节点螺栓总数的8%，对于螺栓数少的节点则要逐个更换。在一个连接处（或节点）少量更换的螺栓、螺母及垫圈的材质、规格、强度等级应与原桥上使用者相同，不准混用。

温度与湿度对扭矩系数影响很大，雨天、大雾天不得进行高强度螺栓施拧作业。高强度螺栓拧紧后，为防止雨水及潮湿空气侵入板缝，节点板束四周的裂缝均应腻缝封闭。高强度螺栓、螺母和垫圈的外露部分均应进行涂装防锈处理。

4.3 原始资料的收集

南京大胜关长江大桥钢桁梁桥 6、7、8号墩顶与支座连接位置钢桁梁节点及部分钢桁梁上部平弦节点，靠近江面最近、结构受力复杂，是高强度螺栓断裂比较集中的节点位置，特别是7#墩是2×336 m连续钢桁拱固定支座位置，高强度螺栓断裂数量已达51个，要继续做好相关资料的收集工作，积累高强度螺栓断裂及补装的原始数据，为今后的设备养修和科研提供数据支持。

5 结束语

南京大胜关长江大桥主桥属于钢桁梁结构，高强度螺栓发生断裂的原因比较复杂，存在着现场收集的数据因检查不到位等原因还不全面，部分折断的高强度螺栓因作业人员无法到达所处位置仍未补装，养修中补装的高强度螺栓无法与原桥材质、规格、强度等级保持一致，补装时现场扭矩系数确定困难，定扭矩带响扳手的施工扭矩控制不准、班前班后标定无法保证等现实问题，为确保钢桁梁的设备状态良好，需要尽早完善设备设施，改善养修作业条件。

[1]GB-T 1228-2006.钢结构用高强度大六角头螺栓[s].

[2]TBJ 214-92铁路钢桥高强度螺栓连接施工规定[s].

[3]TG/GW 114-2011.高速铁路桥隧建筑物修理规则（试行）[s].

[4]李运生.王慧佳.张彦玲.钢桁梁高强度螺栓连接的节点板局部受力性能分析[J]石家庄铁道大学学报.2013.9.

[5]张德莹.王慧佳..李运生.摩擦型高强度螺栓传力性能及缺失的非线性分析[J].广西大学学报.2015（2）.10~1.

[6]京沪高速铁路南京大胜关长江大桥技术论文集[M].北京：中国铁道出版社.2009.

责任编辑：许耀元

来稿日期：2016-12-12