大跨越鋼管塔內(nèi)外雙圈法蘭節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)形式的研究

大跨越鋼管塔內(nèi)外雙圈法蘭節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)形式的研究

近年來，輸電塔結(jié)構(gòu)日益建模，結(jié)構(gòu)負(fù)荷也在增加。在輸電鐵塔選型上,采用鋼管塔在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上具有明顯的優(yōu)勢目前,針對內(nèi)外法蘭的相關(guān)研究成果相對較少。鄧洪洲等對內(nèi)外法蘭進(jìn)行軸拉、軸壓靜力試驗(yàn),得到了外、內(nèi)圈螺栓軸拉力比值并進(jìn)行了有限元參數(shù)分析,建議設(shè)計(jì)時(shí)外、內(nèi)圈拉力比值統(tǒng)一取1.01試驗(yàn)總結(jié)1.1內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)受力特性本文以某大跨越工程為背景,其原型法蘭主管內(nèi)部填充混凝土,一定程度上提高主管承載力,保證主管不屈服。為了反映實(shí)際結(jié)構(gòu)中法蘭節(jié)點(diǎn)的受力特點(diǎn),在主管保持彈性的前提下,重點(diǎn)研究內(nèi)外雙圈法蘭純彎受力過程中的外、內(nèi)螺栓受力特性及中和軸、旋轉(zhuǎn)軸位置。因此,基于“強(qiáng)主管,弱螺栓”的設(shè)計(jì)理念,對原型法蘭進(jìn)行縮尺。試件各部分尺寸參數(shù)如表1所示。1.2法蘭節(jié)點(diǎn)彎試驗(yàn)加載內(nèi)外雙圈法蘭抗彎承載力的試驗(yàn)裝置如圖2所示,純彎試驗(yàn)采用4點(diǎn)加載方式,使法蘭節(jié)點(diǎn)處于純彎段。千斤頂加載端作用于分配梁,并將力傳至距主管端1/3管長的兩對稱位置處,從而將壓力轉(zhuǎn)化為彎矩。1.3試驗(yàn)研究內(nèi)容本文進(jìn)行了法蘭的純彎模型試驗(yàn),通過布置應(yīng)變及位移測點(diǎn),對法蘭的張開量、螺栓拉力、中和軸及旋轉(zhuǎn)軸位置進(jìn)行了試驗(yàn)研究。測點(diǎn)布置如圖3所示,圖中測點(diǎn)1~3的位移對應(yīng)張開量1~3;同時(shí),利用有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值分析,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證,為內(nèi)外法蘭的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。2內(nèi)部和外部法的抗彎性能2.1施加扭矩及加大適用按照實(shí)際工程要求,試驗(yàn)前通過扭矩扳手給高強(qiáng)螺栓施加規(guī)定的預(yù)緊力,對M16螺栓施加扭矩為110N·m;在正式加載之前需進(jìn)行預(yù)加載,加載到10%設(shè)計(jì)荷載后停止3min,檢查加載及測試系統(tǒng)是否正常;正式加載采用力控制,分級加載至螺栓破壞。每級荷載均檢測并記錄各位置應(yīng)變值和位移情況,考察法蘭連接節(jié)點(diǎn)的變形特征。2.2法蘭節(jié)點(diǎn)的抗彎承載力法蘭板張開量-彎矩關(guān)系曲線如圖4所示,隨著純彎荷載的增大,受拉區(qū)左右法蘭板間逐漸張開;最大受力螺栓處(張開量3)發(fā)展迅速,張開現(xiàn)象明顯;而法蘭截面中心線處(張開量1)發(fā)展緩慢。隨著彎矩的繼續(xù)增大,加載臨近結(jié)束時(shí),最大受力螺栓處張開量達(dá)到2.1mm,螺栓發(fā)生頸縮破壞,繼而整個(gè)法蘭節(jié)點(diǎn)發(fā)生失效破壞。內(nèi)外法蘭破壞模式如圖5所示,說明了螺栓是影響法蘭節(jié)點(diǎn)抗彎承載力的主要因素;法蘭板、肋板及焊縫均未發(fā)生明顯的變形。3試驗(yàn)結(jié)果3.1鋼管測點(diǎn)應(yīng)變試驗(yàn)測得鋼管及加勁肋的應(yīng)變發(fā)展。鋼管應(yīng)變隨著荷載增大的變化曲線如圖6所示,當(dāng)荷載較小時(shí),鋼管截面應(yīng)變基本呈線性增長趨勢;在彎矩達(dá)到423kN·m時(shí),法蘭中心線位置處的鋼管測點(diǎn)S1和S8的應(yīng)變由壓應(yīng)變轉(zhuǎn)為拉應(yīng)變。法蘭的中和軸和旋轉(zhuǎn)軸位置關(guān)系如圖7所示,鑒于法蘭截面滿足平截面假定,由鋼管應(yīng)變所確定的法蘭中和軸離中心線的高度如圖8所示(中心線上方為正,下方為負(fù)),隨著彎矩的增大,中和軸位置逐漸偏向法蘭板受壓區(qū),位置略高于中心線,離截面中心線的距離約為外鋼管半徑的15%,即0.15R,與文獻(xiàn)3.2螺母畸變和傳力特性3.2.1螺栓受力分析法蘭受拉區(qū)內(nèi)外螺栓測點(diǎn)應(yīng)變-彎矩曲線如圖9、圖10所示,加載過程中螺栓應(yīng)變發(fā)展較為迅速,螺栓兩側(cè)應(yīng)變值不一致,說明螺栓不僅受到拉力,還受到附加彎矩的作用。如最大受力外螺栓測點(diǎn)B13和B14為同一顆螺栓上對稱的兩測點(diǎn),B14為靠近鋼管壁測點(diǎn),B13為遠(yuǎn)離鋼管壁測點(diǎn)。前者應(yīng)變值大于后者,說明螺栓不僅受到拉力,還受到附加彎矩的作用。另外,外側(cè)螺栓應(yīng)變發(fā)展比內(nèi)側(cè)螺栓應(yīng)變發(fā)展快且距法蘭中心線越遠(yuǎn),拉區(qū)螺栓的拉應(yīng)變越大,拉力越大。加載結(jié)束后,螺栓拉應(yīng)變超過其極限應(yīng)變,這與試驗(yàn)加載結(jié)束后螺栓發(fā)生明顯的頸縮變形一致。3.2.2螺栓到旋轉(zhuǎn)軸位置距離k針對傳統(tǒng)剛性法蘭,現(xiàn)行規(guī)范螺栓群繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn),最大受力螺栓的拉力由對旋轉(zhuǎn)軸的力矩平衡求解而得:式中:N外圈螺栓到旋轉(zhuǎn)軸位置距離滿足:其中k式中:k因此有:式中:N為法蘭所受的軸力;y由式(3)解一元二次方程可求得y純彎試驗(yàn)得到的旋轉(zhuǎn)軸位置如表2所示,試驗(yàn)得到的旋轉(zhuǎn)軸位置位于偏離管中心0.62R附近處(R為主管半徑)。4法氏連接代理的模擬分析4.1模型建立及約束利用ANSYS軟件對內(nèi)外雙圈法蘭SC-W-1的純彎特性進(jìn)行非線性模擬,法蘭建模的單元選取如表3所示。焊接部分采用節(jié)點(diǎn)黏結(jié)方法使節(jié)點(diǎn)位移滿足協(xié)調(diào)關(guān)系;材料的本構(gòu)關(guān)系按材性試驗(yàn)結(jié)果選取。模型的約束及加載情況為:鋼管下端為固端約束,與鋼管上端相連的MPC梁交點(diǎn)施加Y向轉(zhuǎn)角模擬純彎荷載。鑒于模型幾何對稱、受力對稱特性,建立1/2模型,模型對稱面施加環(huán)向?qū)ΨQ約束。法蘭的有限元分析模型如圖12所示。4.2受拉區(qū)法蘭板旋轉(zhuǎn)軸位置內(nèi)外法蘭整體vonMises應(yīng)力分布如圖13a所示,螺栓應(yīng)力水平高,發(fā)生頸縮,而主管及法蘭板應(yīng)力水平較低,與試驗(yàn)結(jié)果一致。法蘭板間的接觸狀態(tài)如圖13b所示,受拉區(qū)法蘭板完全分離。兩法蘭板的接觸壓力分布如圖13c所示,受拉側(cè)法蘭板無接觸壓力;這與試驗(yàn)時(shí)測得法蘭板受拉區(qū)已完全張開現(xiàn)象一致。模擬分析得到的旋轉(zhuǎn)軸位置如表4所示,與表2比較可知:試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果得到的螺栓拉力與旋轉(zhuǎn)軸位置均接近,驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性。兩者得到的旋轉(zhuǎn)軸位置均位于偏離管中心0.6R附近處,略小于《規(guī)定》建議的0.8R。因此,當(dāng)以最大受力螺栓屈服作為彎矩承載力設(shè)計(jì)選用條件時(shí),簡單套用《規(guī)定》建議旋轉(zhuǎn)軸位置,使得計(jì)算承載力偏大,偏于危險(xiǎn)。5螺栓安裝的安全性分析基于上述試驗(yàn)研究和非線性有限元模擬分析,可以得到如下主要結(jié)論:1)內(nèi)外法蘭純彎試驗(yàn)的破壞模式為螺栓頸縮破壞,法蘭的抗彎承載力主要由螺栓受拉承擔(dān)。試驗(yàn)結(jié)果表明,螺栓達(dá)到設(shè)計(jì)承載力后,還有繼續(xù)承擔(dān)荷載的能力,有一定的安全裕度。2)通過鋼管應(yīng)變推算出法蘭受彎時(shí)的中和軸位置,大致處于高于法蘭中心線鋼管半徑的15%處。法蘭在彈性階段時(shí),中和軸位