输电铁塔螺栓松动揭秘：横向振动下预紧力衰减规律与防松新方案

螺栓松动的两阶段衰减规律

研究表明，螺栓预紧力衰减过程可分为两个明显阶段：

快速下降阶段：持续时间较短，主要由连接结构的塑性变形引起。这一阶段预紧力迅速下降，持续时间较短。

平稳下降阶段：持续时间较长，主要由啮合螺纹的磨损导致。该阶段预紧力缓慢下降并伴有轻微波动，直至螺栓完全松脱，这一阶段持续时间较长。

图1 螺栓松脱特性曲线

三大因素影响对输电铁塔螺栓防松性能的影响

振动频率：频率越低，螺栓越容易松脱。当频率为3.0Hz时，平稳下降阶段的残余预紧力百分比仅为30%，而在4.0Hz以上时，残余预紧力百分比可保持在45%左右。

图2 不同频率试验结果分析

振动频率越高,导致镀锌层脱落和螺纹磨损越快,产生的热量进一步加速镀锌层氧化,填充啮合螺纹接触面,间接增大了接触面的摩擦因数。

此时，螺母相对于螺杆无明显相对转动，接触螺纹之间的微动磨损使得预紧力衰减变慢。根据频率对螺栓松动的影响规律,在实际工程中,低频振动处应采用更强的防松措施。

振幅大小：振幅越大，松动风险越高。振幅从2.5mm增加至4.0mm时，螺栓可承受的振动次数从1600次降至1200次，残余预紧力百分比从40%降至20%。

图3 不同振幅试验结果分析

随着振幅的增加,横向振动过程中剪切板对连接螺栓产生的撞击力增加，导致连接螺栓的弯曲变形增大。弯曲变形恢复力释放越多，预紧力降低越快,残余预紧力越小。

此外，在螺栓弯曲过程中,螺纹啮合区挤压力也随之增加,第一圈螺纹表面容易发生疲劳磨损。在横向振动不断的累积中,螺纹发生显著的损伤,导致螺栓的松动增加。

由此可见,在输电塔的螺栓连接中,减小振幅有利于提高防松性能。从设计层面考虑,可提高装配精度以减小螺栓孔隙,从而减小连接螺栓的相互错动。

扭矩值：扭矩对预紧力的影响最为显著。扭矩为100N·m时，螺栓振动次数可达2500次；而当扭矩降至40N·m时，振动次数减少约52%，残余预紧力百分比降低57%。

图4 不同扭矩试验结果

扭矩对预紧力的影响是显著的，可以看出初始预紧力随着扭矩的增加而增加。

因此，连接螺栓的整体刚度是更大的，较高的扭矩更容易阻碍连接件之间的相对运动以减缓连接螺栓的松动。

此外，预紧力的增加使得螺纹区域紧密结合,在横向振动过程中,螺纹啮合区域的摩擦功减小,螺栓松动程度降低,螺纹损坏减少。

由此可见,GB 50233-2014《110 kV~750 kV 架空输电线路施工及验收规范》中规定的 80 N/m 扭矩具有一定的防松效果,但仍有提升空间,在输电塔连接螺栓的建造和运维复紧中，若以扭矩作为控制准则，可将6.8级M16螺栓扭矩拧至 100 N/m。

螺纹应力分布不均匀带来隐患

图5 螺纹区应力分布情况

预紧力衰减规律：

1.总体下降趋势：预紧力的衰减呈现非线性特征。在首次循环中，由于螺栓从静止状态进入振动状态，预紧力下降幅度最大。在后续的循环中，预紧力缓慢下降，下降曲线呈线性发展趋势。

图6 螺栓预紧力下降曲线

2.初始预紧力的影响：

首次循环：当初始预紧力较小时，螺杆与螺纹均处于弹性阶段，循环后预紧力下降较小。随着初始预紧力增加并超过0.5倍屈服紧固轴力（0.5Fy）时，螺纹牙根处会产生塑性变形，导致首次循环的预紧力下降值显著增大。

后续循环：在随后的循环中，存在一个最优的初始预紧力范围。当初始预紧力小于0.5Fy时，增大预紧力可以减缓单次循环内的预紧力下降值。然而，当初始预紧力超过0.5Fy后，继续增大预紧力反而会因材料承受更高平均应力的循环荷载而加速塑性变形的累积，不再能有效减缓预紧力的下降速度。

3.核心结论与建议：基于模拟分析，该节得出结论：为了获得最佳的防松脱能力，建议对铁塔螺栓施加0.5倍至0.6倍屈服紧固轴力的预紧力，这比规范中扭矩控制法产生的预紧力（约0.3-0.4Fy）更高，防松效果更好。

防松性能提升的建议

图7 输入扭矩与预紧获得量的关系

传统扭矩法拧紧，输入的扭矩大部分都耗散在螺栓端面以及螺纹副之间的摩擦消耗，最终作用在轴力方向的预紧力仅占10%左右，由于各接触面摩擦系数的差异，输入相同的扭矩值最终获得的预紧力差异也会较大。

基于预紧力控制法螺栓拧紧可以精准监测预紧力状态，保证安装质量，提高防松性能。

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图8 不同安装方法预紧力获得的情况