振 第 44 卷第 2 期 动 与 冲 击 JOUＲNAL OF VIBＲATION AND SHOCK Vol．44 No．2 2025 ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ 横向振动下输电塔螺栓节点松动规律试验研究 赵卫平 ，郭新锁 ，王 1 1 （ 1． 中国矿业大学（ 北京） 娜 ，徐 1 2 力学与土木工程学院，北京 2． 中国铁道科学研究院集团有限公司 3 100083； 铁道建筑研究所，北京 3． 中国电力科学研究院有限公司，北京 摘 旸 ，朱彬荣 100081； 100089） 要： 输电塔长期受到风动荷载、导线舞动荷载等振动荷载作用，导致节点螺栓松动。为研究输电塔螺栓节点 在横向振动荷载作用下的螺栓松动规律，通过光纤光栅螺栓进行了 6 组螺栓角钢搭接节点和 3 组螺栓群角钢对接连接节 点共计 32 个试件的横向振动试验，研究了荷载幅值、振动频率、螺栓预紧扭矩等参数对螺栓松动的影响，分析了螺栓在动 力荷载作用下的力学性能。结果表明： 螺栓松动在振动初始时刻预紧力缓慢下降，之后经历预紧力快速下降阶段，最后预 紧力损失速度逐渐变缓并趋于稳定； 对于角钢搭接节点和螺栓群角钢对接连接节点，随着振动幅值的增加，螺栓松动程度 增加，随着预紧扭矩的增大，螺栓松动趋势减小，振动频率对螺栓松动的影响较小； 螺栓安装间隙对搭接节点螺栓松动几 乎无影响，搭接节点远离加载端位置的螺栓更易松动，螺栓群角钢对接连接节点靠近加载端的螺栓相比中间位置的螺栓 更易松动。试验结果为工程中螺栓预紧力监测和螺栓防松设计提供参考，保证节点承载力。 关键词： 螺栓节点； 横向振动； 螺栓松动； 螺栓预紧力； 动力试验 中图分类号： TU391 文献标志码： A DOI： 10．13465 / j．cnki．jvs．2025．02．009 Experimental study on the loosening of the bolted joints of a transmission tower under transverse vibration ZHAO Weiping1 ，GUO Xinsuo1 ，WANG Na1 ，XU Yang2 ，ZHU Binrong3 （ 1． School of Mechanics and Engineering，China University of Mining and Technology （ Beijing） ，Beijing 100083，China； 2． Ｒailway Engineering Ｒesearch Institute，China Academy of Ｒailway Sciences Corporation Limited，Beijing 100081，China； 3． China Electric Power Ｒesearch Institute，Beijing 100089，China） Abstract： The transmission tower is usually subjected to vibration loads such as wind load and conductor galloping load for a long time，which leads to the loosening of joint bolts． In order to study the bolt loosening of the bolted joints of a transmission tower under transverse vibration load，the transverse vibration tests of 32 specimens including 6 groups of bolted angle steel lap joints and 3 groups of bolt group angle steel butt joints were carried out by using fiber grating bolts． The effects of load amplitude，vibration frequency and bolt preload torque on bolt loosening were studied，and the mechanical properties of the bolts under dynamic load were analyzed． The results show that the pre-tightening force in the process of bolt loosening decreases slowly at the initial moment of vibration，and then experiences a rapid decline stage． Finally，the loss rate of pre-tightening force gradually slows down and tends to be stable． For angle steel lap joints and bolt group angle steel butt joints，with the increase of vibration amplitude，the degree of bolt loosening increases． With the increase of preload torque，the trend of bolt loosening decreases，and the vibration frequency has little effect on bolt loosening． The bolt installation gap has little effect on the bolt loosening of the lap joint． The bolts of the lap joint far away from the loading end are more likely to loosen． The bolts of the bolt group angle steel butt joint near the loading end are more likely to loosen than the bolts in the middle position． The test results provide a reference for the bolt preload monitoring and bolt anti-loosening design in engineering to ensure the bearing capacity of joints． Key words： bolted joint； transverse vibration； bolt looseness； bolt pre-tightening force； dynamic test 基金项目： 国家自然科学基金联合基金重点项目（ U22A20244） ； 国家自 然科学基金（ 52278467） 收稿日期： 2024-05-07 修改稿收到日期： 2024-07-08 1981 年生 第一作者 赵卫平 男，博士，副教授， E-mail： zhaowp@ cumtb．edu．cn 第2期 赵卫平等： 横向振动下输电塔螺栓节点松动规律试验研究 螺栓连接作为一种最常见的构件紧固方式，具有 ［24-25］ 构发生失稳破坏 85 ，如图 1 所示。 光纤具有灵敏度 易于拆卸和维护的特点，在机械、航空制造和建筑等行 高、抗干扰性强、布置灵活的优点，随着机械设备加工 业中被 广 泛 应 用 于 两 个 及 以 上 的 结 构 构 件 间 的 连 技术进步，螺栓生产中加入光纤制成光纤光栅螺栓，逐 ［1］ 。工程中为便于螺栓安装，螺栓与螺栓孔间存在 渐应用到螺栓松动监测中。 相应的在螺栓上安装光纤 构造间隙，在振动荷载、环境因素等作用下会造成螺栓 传感装置的方式能够达到长时间、远距离监测的目的， 连接的预紧力变化致使螺栓发生松动，影响螺栓构件 光纤光栅螺栓配合解调仪的监测方式能够更好地识别 力学性能和螺栓使用寿命，螺栓连接松动的研究对于 安装位置的螺栓松动状态，能对螺栓进行高精度、高线 确保输电塔结构和组件在振动和地震灾害环境中正常 性度的波长解调测量，在高压输电线路的电磁环境下， 接 ［2-4］ 运行具有重要意义 光纤光栅传感器相比传统光纤传感器、压电材料和应 。 ［5-6］ 螺栓松动是典型的界面非线性问题 ，螺栓连接 ［26-29］ 变片在螺栓松动监测方面有更好的适用性 。 结构受力复杂、连接处边界具有时变性，连接面的接触 滑移和摩擦行为导致结构出现非线性特征，接触面在 荷载作用下发生滑移和变形。 学者们根据连接面上的 ［7］ 荷载—位移关系，提出 Iwan 模型 ［8］ 和 Valanis 模型 等 多种非线性模型说明螺栓连接结构的力学状态。Jiang ［9］ 等 在理论研究基础上发现振动作用下螺栓连接结构 ［10-12］ 松动失效机理。Jiang 等 对材料塑性变形、局部微 动和接触面相对运动三方面松动机理进行研究，其中 横向振动作用下产生的接触面相对运动更易造成螺栓 预紧力损失，螺栓的预紧力大小是影响螺栓连接结构 ［13］ 螺栓松动的重要因素。Junker 提出横向振动引起螺 图1 栓松动的原理并设计振动试验机。 对于螺栓紧固件在 Fig．1 振动荷载作用下的动力响应多根据 GB / T 10431—2008 ［14］ 《紧固件横向振动试验方法 》 在振动试验机上对单 ［15］ 输电塔节点螺栓松动 Transmission tower node bolt loose 为此，在前人研究基础上，本文设计并制作了 9 组 通过试验 共计 32 个普通螺栓连接角钢节点，通过输电塔螺栓节 研究发现限制螺栓杆的弹性扭转可以有效防止螺栓松 点在横向振动荷载作用下的松动试验，研究了荷载幅 动。螺栓在横向荷载下，螺纹间原有的受力平衡状态 值、振动频率、预紧扭矩、节点连接形式等参数对角钢- 会被打破，随着微小变形的累积，螺母与螺纹之间发生 螺栓节点及螺栓群节点螺栓松动规律的影响，为螺栓 相对滑移，最终表现为螺栓杆与螺母的相对转动，使得 结构松动检测和维护提供了理论指导，为分析输电塔 个螺栓进行松动规律的研究。Ｒanjan 等 ［16-18］ 螺栓发生松弛 ［19-20］ 。Sakai 等 通过研究指出螺栓 自旋是螺栓松动的必要条件，并将螺栓支撑面与螺纹 接触面状态进行划分。 现有研究多为机械领域单个螺栓在试验机上的松 螺栓-角钢结构整塔的振动性能研究提供参考 。 1 试验概况 1．1 试件设计 动测试和有限元仿真手段数值分析的螺栓细部研究， 试验按照输电塔常见主材、斜材构件设计并制作 缺少输电塔螺栓连接角钢节点在横向振动荷载下的螺 了 9 组不同尺寸和连接方式的螺栓-角钢试件，试件材 ［21-23］ 。对于输电塔连接材构件 料为 Q355 钢材，螺栓间距、端距、布置方式、外包角钢 而言，多为螺栓群连接角钢形式，在沿角钢长度方向由 钢材型号等按照规范 DL / T 5442—2020《输电线路杆塔 于应力分布和传递并不完全相同，角钢在结构连接中 制图和构造规定 》 也不能像单个螺栓一样忽略钢材变形的影响，不同位 钢型号、连接方式，试件详细尺寸及布置形式，如表 1 置的螺栓在横向振动作用下受到的力也各不相同，螺 所示。试件螺栓均为 6．8 级普通六角头螺栓，具体尺寸 栓的松动程度也有所不同，在试验机上测得的单个螺 按照规范标准进行取值，M16、M20、M24 螺栓孔径分别 栓松动规律对螺栓-角钢节点螺栓的松动评价适用性有 21．5 mm 和 25．5 mm。 试件角钢对接连接 为 17．5 mm、 待进一步考究。 形式在角钢肢宽小于 125 mm 时为外包角钢连接，大于 栓力学性能的试验研究 ［30］ 进行取值，分别改变螺栓直径、角 输电塔在电流运输中处于输电系统中的高压、电 125 mm 时为角钢内包和外贴板的双包连接形式且用 磁、强风环境中，在复杂多变的环境中承受动力荷载作 9 种规格试验试件如图 2 所示。 图 2 双螺母拧紧螺栓， 用，此时对于结构螺栓松动的检测能够更好地防止结 中： 1 ～ 6 组角钢搭接节点主要为输电塔主材与斜材连 振 动 与 冲 击 86 接部位 ； 7 ～ 9 组为输电塔结构的主材部分。 表1 Tab．1 组别 2025 年第 44 卷 用扭矩控制法按照试验设计的螺栓紧固扭矩值通 过表盘式扭矩扳手 （ three line break，TLB） 表盘式扭矩 试件详细尺寸 The detailed size of the specimen 个数 试件编号 主材角钢型号 包钢形式 外贴板 扳手进行螺栓拧紧，根据规范要求 T = K·P·d （ 1） 1 2 1M16D L80×6 — — 式中： K 为扭矩系数； P 为螺栓预紧力，kN； T 为螺栓拧 2 3 2M16D L80×6 — — 紧扭矩，N·m； d 为螺纹公称直径，mm。 3 3 1M20D L80×6 — — 按照式（ 1） 对螺栓施加预紧扭矩，螺栓杆轴向的预 4 6 2M20D L80×6 — — 紧力 P 与拧紧扭矩 T 之间呈线性关系，扭矩系数 K 根 5 3 3M20D L80×6 — — 据螺纹升角、螺纹当量摩擦角、螺母支撑面摩擦因数、 6 6 1M24D L140×12 — — 螺纹中径和螺母支撑面平均直径进行近似取值。 双螺 7 3 12M20C L75×6 L80×8 — 帽螺栓拧紧时，内侧螺母安装扭矩为 100% 预紧扭矩设 8 3 16M20C L90×7 L100×8 — 计值，外侧螺母安装扭矩为 50% 预紧扭矩设计值。 通 9 3 24M20C L140×12 L125×10 10×115 过试验机在被固定两角钢间对左侧角钢施加图 4 的 6 6 mm； 12M20 注： 80×6 表示主材角钢肢宽、肢厚分别为 80 mm、 表示总数为 12 个的 M20 螺栓； D 和 C 分别为角钢连接形式为 角钢搭接和角钢对接连接。 种交变正弦横向位移荷载。 图4 Fig．4 1．3 加载示意图 Loading diagram 试验工况 试验过程主要改变螺栓预紧扭矩 、荷载幅值 、荷 图2 Fig．2 试验试件 载施加频率等 参 数 ，除 A-1 工 况 用 力 控 制 的 方 式 施 Test specimen 0．50 倍、 0．75 倍屈服荷载 f y 外，其余工况均 加 0．25 倍、 试验装置与加载制度 为位移控制进行试验； A-4 工况改变螺栓安装位置情况 试验在加载反力架上进行，左侧连接动态伺服作 分别为中间间隙 D mid 、最大间隙 D max ，不同安装间隙示 动器控制施加横向正弦振动荷载，不同尺寸螺栓节点 意如图 5 所示，试验时对不同节点变化参数进行控制， 试件通过不同规格 U 型 连 接 件 固 定 在 反 力 架 右 侧 ， 试验工况及变化参数如表 2 所示，根据试验分组确定 光纤光栅 螺 栓 安 装 在 靠 近 伺 服 作 动 器 一 端 的 角 钢 单一变量对照组如图 6 所示。 1．2 上 ，用 WinMCS V1．0 系统的动 态 控 制 方 式 对 试 件 施 加动力荷载 ，试验加载装置及加载反力架组成 ，如图 3 所示 。 图5 Fig．5 1．4 螺栓安装间隙 Bolt installation gap 试验测量方案 试验用光纤光栅螺栓完成对螺栓松动的监测，定 图3 Fig．3 试验加载装置 制图 7（ a） 中 4 种样式的螺栓，在螺栓轴心打孔的孔深 Test loading device 位置布置光纤光栅传感装置，连接图 7（ b） 的智性科技 第2期 赵卫平等： 横向振动下输电塔螺栓节点松动规律试验研究 87 南通有限公司的 ZX-FP-M04-3 型号光纤光栅解调仪， 使用 ZXSensor 系统首先设置系统全局变量后确定设备 数据采集频率和测量通道，选择波长对应的测量类型 为“荷载类”。在采集系统中观察波长和物理量的变化 并进行记录，将系统测得的预紧力作为衡量螺栓松动 的标志量，得出预紧力下降曲线，光纤光栅螺栓打孔尺 寸及测量装置，如图 7 所示。 表2 试验工况 Tab．2 Test scheme 工况 频率 / Hz 幅值 / mm 预紧扭矩 / （ N·m） A-1 1．0 — 80 A-2 1．0 0．2 /0．5 /0．8 80 A-3 1．0 0．5 80 /100 /120 A-4 1．0 0．5 80 B-4 1．0 0．2 /0．5 /0．8 80 图7 Fig．7 试验测量设备 Test measuring equipment A-5 1．0 0．2 /0．5 /0．8 80 A-6 1．0 0．2 /0．5 /0．8 250 试验开始前用光纤光栅解调仪对螺栓的预紧力进 B-6 0．5 /1．0 /3．0 0．5 250 行标定以确保试验过程得到准确的预紧力值。 连接光 A-7 1．0 0．5 80 /100 /120 纤光栅螺栓后，结合表 2 中螺栓紧固设计值进行标定， A-8 0．5 /1．0 /10．0 0．5 100 使用扭矩扳手在 30 ～ 110 N·m 内每隔 10 N·m 逐级 A-9 1．0 0．2 /0．5 /0．8 100 施加预紧扭矩，首先进行温度补偿系数的设定 pm = （ λ t － λ 'r ） b / a （ 2） 式中： pm 为温补值，nm； λ 'r 为温补初值波长，nm； λ t 为测量的温度补偿波长，nm； a 为温度补偿光栅温度灵 敏度系数； b 为应变光栅温度系数。 F = （ λ － λ0 ） / M （ 3） 式中： F 为螺栓的预紧力，kN； λ 0 为录入温度补偿值 后的测力光栅测量的初始波长，nm； λ 为测力光栅测 量的实时波长，nm； M 为测力一次项系数，nm / kN。 选择数据采集形式为“温补类 ”，根据式 （ 2） 得到 温补值 pm，点击“修改”录入系统后改变测量类型为“荷 根据式（ 3） 得到螺栓预紧力 F 与波长 λ 的拟合关 载类”， 图6 Fig．6 单一变量对照组 系， 如图 8 所示。根据判定系数可确定光纤光栅螺栓的 Single variable control group F-λ 曲线具有良好的拟合性， 基本呈线性关系。 图8 Fig．8 三种类型螺栓标定曲线 Three types of bolt calibration curve 振 动 与 冲 击 88 2 试验结果分析 2．1 试验现象及预紧力变化曲线 2025 年第 44 卷 为了更直观分析横向荷载作用下螺栓预紧力的变 化情况，在螺母与螺杆的同一侧画垂直于角钢平面的 直线，通过直线位置观察螺母与螺杆的相对转动情况， 以工况 A-3-100 N·m 和工况 B-4-0．5 mm 为例观察试 验前后标记的直线位置的变化，如图 9 所示，螺栓的松 图 10 动主要表现为螺纹受损、螺栓杆的转动和螺母的相对 Fig．10 转动。 典型预紧力变化曲线 Typical bolt pre-tightening force change curve 角钢搭接节点螺栓松动规律 2．2 2．2．1 加载方式的影响 搭接节点螺栓预紧力变化曲线如图 11 所示，采用 力控制的方式对工况 A-1 节点进行试验，从图 11（ a） 可 知，节点施加的横向振动荷载越大，螺栓 松 动 程 度 越 大。随着振动次数的增加，螺栓预紧力逐渐下降，最后 趋于稳定。力荷载为 0． 75f y 时，振动次数在 150 次以 内，螺栓预紧力快速下降，此时由于荷载值过大，螺栓 帽与螺母相对角钢平面发生滑移，螺栓杆螺纹与螺栓 孔壁高频多次挤压传递剪力，如图 12 所示，之后光纤 光栅传感器适应荷载变化后预紧力出现小幅度上升最 图9 Fig．9 后变化趋于稳定，剩余预紧力百分比为 45．4%。 试验前后对比 输电塔杆件在承受轴向荷载作用时，螺栓作为受 Comparison before and after test 采用光纤光栅解调仪采集定制光纤光栅螺栓的数 据，观察数据变化，根据记录的数据分析对比螺栓节点 的螺栓松动程度。在足够使螺栓发生一定程度松动的 前提下，考虑螺栓正常工作和伺服作动器施加荷载的准 确性，保持相同工况的振动次数一致并控制在 1 000 ～ 2 000 次。根据式（ 4） 中螺栓剩余预紧力 P s 与初始预紧 力 P 比值 k 说明螺栓的预紧力变化情况。 k = Ps / P （ 4） 式中： k 为螺栓剩余预紧力与初始预紧力比值； P s 为 试验过程中的螺栓剩余预紧力，kN。 绘制试验节点振动次数与预紧力变化曲线，对松 剪构件，横向振动荷载使螺栓动态受剪，造 成 螺 栓 松 动，螺栓松动和螺栓杆与孔壁的挤压会使输电塔连接 节点刚度退化。螺栓松动使得螺栓与角钢之间的夹紧 力下降，此时较小的位移荷载就会让连接面发生滑移 错动，在高频率加载下螺栓杆与螺栓孔内壁频繁接触， 致使螺纹受损和角钢变形，进一步降低连接材性能，工 况 A-1 螺栓杆与螺母的相对转动如图 13 所示，主要表 现为螺栓杆的相对转动，螺母并无明显转动，随着力荷 载的增加螺母与螺栓杆相对转动角度也逐渐增大 。 2．2．2 预紧扭矩的影响 由图 11（ b） 可知，预紧扭矩对节点失效影响较大， 动前期数据进行局部放大，松动后期数据进行信号平 当预紧扭矩较小时，螺栓预紧力下降速度快，松动程度 滑处理。 螺栓预紧力变化曲线如图 13 和图 14 所示。 较大。相同振动幅值下，随着预紧扭矩增加，螺母向螺 在振动荷载作用下螺栓节点并不会损失所有预紧力， 栓头方向移动，螺栓头与螺母对角钢接触面间的压紧 而是在振动开始后一定振动次数内预紧力急剧下降， 力增加，螺纹啮合面间相对滑移较小，螺栓松动程度降 当损失一定预紧力后，随着振动次数增加，螺栓杆与螺 低，预紧力下降速度变缓。 初始扭矩大的螺栓，需要更 母发生相对转动，预紧力下降速度变缓慢，直到最后趋 多的振动次数才能让螺栓轴向力达到一个临界值，此 于稳定。与 Jiang 等提出的典型预紧力变化曲线并不 时螺栓进入预紧力保持相对稳定状态，在试验振动次 完全相 同，如 图 10 所 示，螺 栓 的 预 紧 力 并 没 有 完 全 数范围内并没有使得节点螺栓完全松动，螺栓预紧力 损失。 并没有完全损失为零。 第2期 赵卫平等： 横向振动下输电塔螺栓节点松动规律试验研究 图 11 Fig．11 2．2．3 89 角钢搭接节点预紧力变化曲线 The change curve of pre-tightening force of angel steel lap joint 螺栓安装间隙的影响 预紧力分别为 68．4%、64．0%，相差不足 5．0%。 在初始 工况 A-4 节点螺栓安装在不同螺孔间隙时预紧力 扭矩和振动幅值不变、荷载幅值较小的情况下，螺栓安 变化见图 11（ c） ，振动次数较少时，预紧力减小程度和 装间隙对螺栓松动程度影响不大，同种安装间隙情况 降低的路径趋势各不相同，振动次数达到 400 次后预 下螺栓 1 的松动程度大于螺栓 2 的松动程度。 紧力变化趋于稳定。 对比试验结束后中间间隙 D mid 和 2．2．4 振动幅值的影响 2 的剩余预紧力， 最大间隙 D max 安装时相同位置螺栓 1、 对图 11（ d） ～ 图 11（ k） 中变化位移幅值的工况进 螺栓 1 剩余预紧力分别为 57．1%、55．0%，螺栓 2 剩余 行整理，得到试验结束后螺栓剩余预紧力变化比值，如 振 动 与 冲 击 90 表 3 所示。由表 3 可知： 在振动频率和预紧扭矩相同 2025 年第 44 卷 几乎无影响，这与 Junker 的试验结果相吻合。 的情况下，对同组试件进行横向比较，振动幅值对螺栓 表3 松动程度影响较大，幅值越大，螺栓预紧力下降速度越 Tab．3 快，下降程度越大； 单个螺栓的松动程度大于多个螺栓 的松动程度，相同工况下远离加载端位置的螺栓松动 程度大于靠近加载端位置的螺栓松动程度 ，即螺栓 1 的松动程度大于螺栓 2 和螺栓 3 的松动程度，并随着 距离靠近加载端越近，螺栓预紧力下降程度逐渐减小； 对比工况 B-4 和 A-5，当节点螺栓数量增加时，节点螺 栓预紧力松动情况有一定程度减小 。 工况 A-2 B-4 A-5 A-6 试验结束后螺栓预紧力比值 Bolt pre-tightening force ratio aftertest 单位： mm 螺栓位置 加载幅值 0．2 0．5 0．8 螺栓 1 0．78 0．72 0．51 螺栓 2 0．90 0．80 0．69 螺栓 1 0．78 0．58 0．43 螺栓 2 0．92 0．68 0．57 螺栓 1 0．64 0．62 0．52 螺栓 2 0．67 0．64 0．61 螺栓 3 0．81 0．74 0．73 — 0．68 0．45 0．31 螺栓群角钢对接节点螺栓松动规律 2．3 工程中输电塔主材节点用外包角钢通过多个螺栓 进行连接，承受复杂多样的荷载，螺栓要在长期服役中 受各种荷载作用才能出现明显松动现象。 进行两组单 包钢和一组双包钢螺栓群节点横向振动试验，进一步 探究输电塔主材节点螺栓松动规律，螺栓群角钢对接 节点预紧力变化曲线如图 14 所示。 三组试验中螺栓 图 12 螺栓滑移示意图 Fig．12 Bolt slip diagram 预紧力下降程度都较小，在相同条件下分别改变荷载 振动幅值、振动频率和施加在螺栓上的预紧扭矩，节点 预紧力变化曲线经历三阶段，首先是预紧力几乎不下 降，在微动磨损后失去足够预紧力后开始缓慢下降，之 后曲线斜率平缓，预紧力下降速度变慢，直至最后预紧 力保持稳定不再下降，与 Jiang 等提出的典型的预紧力 下降曲线 Stage 1 阶段相近，并没有螺栓完全松动的部 分，可见在一定振动次数范围内，螺栓群角钢对接节点 螺栓预紧力保持性能更佳。 2．3．1 预紧扭矩的影响 根据试验结果得到表 4 中螺栓剩余预紧力变化情 况，结合图 14（ a） ～ 图 14（ c） 中节点形式和曲线，节点 螺栓数目较多且角钢单包，荷载作用下螺栓并无较大 松动，节点中间位置的 1 ～ 4 号螺栓预紧力损失程度不 足 10%； 靠近加载端的 5 号、6 号螺栓的松动程度相对 图 13 Fig．13 A-1 工况螺栓相对转动图 The relative rotation of the bolt in A-1 condition 较大，初始扭矩大的节点 5 号、6 号位置螺栓松动程度 相对较小，但是对中间位置螺栓的影响不太明显 。 2．3．2 2．2．5 振动频率的影响 振动频率的影响 确定荷载幅值 0．5 mm，对节点螺栓施加 100 N·m 分析工况 B-6 试验结果见图 11（ l） ，在 0．5 ～ 3．0 Hz 的初始扭矩，分别改变荷载施加频率，得到试验后螺栓 的振动频率范围内，加载前期螺栓预紧力下降曲线并 预紧力如表 5 所示，观察图 14（ d） ～ 图 14（ f） ，振动次数 无规律，随着振动次数的增加，节点螺栓预紧力逐渐接 50 次以内时节点螺栓预紧力损失不足 10%，之后螺栓 0．5 Hz、 1．0 Hz 和 3．0 Hz 节点螺栓剩余 近，试验结束后， 预紧力小幅度下降，中间位置 1 ～ 4 号螺栓松动程度不 46% 和 45%，相差较小。 对比工况 预紧力分别为 50%、 超过 10%，靠近加载端位置的 5 ～ 8 号螺栓松动程度较 A-6 中位移荷 载 为 0． 5 mm 时 ，荷 载 施 加 频 率 为 1． 0 大，但是在此振动次数内不同振动频率下螺栓松动程 Hz，螺栓剩余预紧力为 45%，可知振动频率对螺栓松动 度相差不大。 第2期 赵卫平等： 横向振动下输电塔螺栓节点松动规律试验研究 图 14 Fig．14 螺栓群连接节点预紧力变化曲线 The change curve of pre-tightening force of bolt group connection joints A-7 工况试验后螺栓预紧力比值 后传递到钢板与垫片和螺母间产生摩擦，由于位移荷 Bolt pre-tightening force ratio after A-7 condition 载幅值较小，试件整体性好，刚度、强度较高，三种工况 表4 Tab．4 工况 A-7 螺栓 1 螺栓 2 螺栓 3 螺栓 4 螺栓 5 螺栓 6 80 N·m 0．95 0．94 0．92 0．90 0．87 0．77 100 N·m 0．94 0．91 0．87 0．90 0．82 0．78 120 N·m 0．93 0．88 0．91 0．89 0．87 0．90 下振动 1 200 次后节点所有的螺栓松动程度在 10% 左 右，螺栓的预紧力并没有产生很大损失，这说明位移荷 载作用产生的能量被构件微小位移所消耗 。 表6 表5 Tab．5 91 Tab．6 A-8 工况试验后螺栓预紧力比值 A-9 工况试验后螺栓预紧力比值 Bolt pre-tightening force ratio after A-9 condition Bolt pre-tightening force ratio after A-8 condition 工况 A-9 螺栓 1 螺栓 2 螺栓 3 螺栓 4 螺栓 5 螺栓 6 螺栓编号 0．2 mm 0．94 0．93 0．96 0．92 0．91 0．91 工况 A-8 1 2 3 4 5 6 7 8 0．5 mm 0．97 0．99 0．94 0．97 0．91 0．89 0．5 Hz 0．93 0．98 0．96 0．93 0．92 0．91 0．88 0．86 0．8 mm 0．94 0．92 0．92 0．93 0．90 0．88 1．0 Hz 0．94 0．96 0．94 0．90 0．88 0．84 0．83 0．85 10．0 Hz 0．93 0．93 0．95 0．93 0．87 0．92 0．95 0．90 2．3．3 振动幅值的影响 在试件安装和拆卸过程中可以发现，安装两个螺 母增加了螺纹处的摩擦以及螺栓轴向力，对两个螺母 进行拧松时，其中外侧的螺母松动程度很大，十分容易 根据图 14（ g） ～ 图 14（ i） 中的曲线得到节点试验后 拧松，靠近外包钢板的螺栓几乎不松动，试件中间部分 的预紧力比值，如表 6 所示。 当节点螺栓为双螺母拧 的螺栓的外侧螺母几乎无松动，在一定振动幅值下螺 紧时，节点的摩擦力首先在角钢试件间的相对滑动之 栓双螺母的连接形式 ［31］ 能够更大程度上减少螺栓预紧 振 动 与 冲 击 92 力的损失，位移幅值大的节点螺栓松动程度相对较大 。 对比图 14（ b） 、图 14（ e） 和图 14（ h） 中各种加载条 件都相同的情况下，改变节点形式、增加螺栓数量等能 够减小螺栓预紧力的损失，双包角钢节点螺栓预紧力 保持程度更佳，但在工程实际中要考虑节点的形式和 整塔的装配和受力性能以及经济效益 。 分析图 14 中各组工况螺栓预紧力变化曲线，与搭 接节点相同的是，振动幅值和螺栓预紧力对螺栓松动 2025 年第 44 卷 detection of steel grid structures using piezoceramic transducers［J］． International Journal of Distributed Sensor Networks，2018， 14（ 2） ： 1-10． ［3 ］ 李嘉祥，张超，程金鹏，等． 输电塔螺栓搭接节点滞回性能 42（ 22） ： 10-18． 试验研究［J］． 振动与冲击，2023， LI Jiaxiang， ZHANG Chao， CHENG Jinpeng， et al． Experimental study on the hysteretic performance of bolted lap joints of a transmission tower［J］． Journal of Vibration and Shock，2023， 42（ 22） ： 10-18． 影响较大，减小振动幅值和加大螺栓预紧力都会减小 ［4 ］ YOKOYAMA T，OLSSON M，IZUMI S，et al． Investigation 螺栓松动程度，在 0．5 ～ 10．0 Hz 内，振动频率对螺栓松 into the self-loosening behavior of bolted joint subjected to 动的影响程度较小，与搭接节点不同的是螺栓群节点 rotational loading［J］． Engineering Failure Analysis，2012， 靠近加载端位置的螺栓松动程度大于远离加载端位置 23： 35-43． 的螺栓松动程度，螺栓松动程度由靠近加载端到远离 testing for the prediction of damping in joints［J］． Engineering 加载端逐渐减小。 3 结 ［5 ］ DUＲAND J， NEＲON D， LADEVEZE P， et al． Virtual Computations，2010， 27（ 5） ： 621-644． 论 ［6 ］ SADATI S，NOBAＲI A S，NAＲAGHI T． Identificarion of a 本文以输电塔螺栓搭接节点和螺栓群连接节点为 研究对象，进行横向荷载作用下的振动试验，通过光纤 nonlinear joint in an elastic structure using optimum equivalent linear frequency response function ［J］． Acta Mechanica，2012， 233（ 7） ： 1507-1516． 光栅螺栓测得的波长变化，分析研究振动幅值、螺栓预 ［7 ］ ＲAJAEI M， AHMADIAN H． Development of generalized 紧力、振动频率等因素对螺栓松动的影响，总结螺栓连 Iwan model to simulate frictional contacts with variable normal 接结构松动规律。主要结论如下： loads［J］． Applied Mathematical Modelling，2014，38 （ 15 / （ 1） 光纤光栅螺栓在进行螺栓松动监测时，更能 够清晰地通过波长变化来判断螺栓预紧力的变化，根 16） ： 4006-4018． ［8 ］ ABAD J，MEDEL F J，FＲANCO J M． Determination of Valanis model parameters in a bolted lap joint： Experimental 据波长时程变化曲线监测螺栓松动状态 。 （ 2） 试验振动次数在 1 000 次左右时，搭接节点螺 栓预紧力损失多在 30% ～ 60%，主材角钢单包节点螺栓 预紧力损失不足 25%，双包角钢节点螺栓预紧力损失 在 10% 左右，输电塔主材与斜材搭接处螺栓相比主材 节点螺栓更易松动。 and numerical analyses of frictional dissipation ［J ］． International Journal of Mechanical Sciences，2014，89（ 1） ： 289-298． ［9 ］ JIANG Y，ZHANG M，LEE C H． A study of early stage selfloosening of bolted joints［J］． Journal of Mechanical Design， 2003， 125（ 3） ： 518-526． （ 3） 在振动荷载足以使试件产生松动时，预紧力 ［10］ JIANG Y，ZHANG M，PAＲK T W，et al． An experimental 越小、振动幅值越大，螺栓节点预紧力下降幅度越大， study of self-loosening of bolted joints ［J］． Journal of 松动现象越明显，振动频率在一定范围内对螺栓松动 Mechanical Design，2004（ 5） ： 173-178． 影响程度较小，螺栓安装位置对螺栓松动程度影响较 ［11］ CHEN J W，WANG H H，YU Y，et al． Loosening of bolted 小，对工程中螺母不转而螺杆转动的情况不易察觉，应 connections under transverse loading in timber structures［J］． 重点关注。 Forests，2020， 11（ 8） ： 816-832． （ 4） 在横向振动荷载作用下，螺栓搭接节点远离 加载端位置的螺栓比靠近加载端位置的螺栓更易发生 松动，螺栓群连接节点靠近加载端位置的螺栓松动程 度相比远离加载端位置的螺栓松动程度更大，在实际 工程中要注意相应节点位置螺栓的松动检测 。 modelling［J］． Engineering Failure Analysis， 2021，127： 1-12． ［13］ JUNKEＲ G H． Criteria for self-loosening 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