螺栓預(yù)拉力對(duì)柔性法蘭連接節(jié)點(diǎn)剛度影響的試驗(yàn)設(shè)計(jì)

司惠禮

(神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，寧夏石嘴山 753000)

螺栓預(yù)拉力對(duì)柔性法蘭連接節(jié)點(diǎn)剛度影響的試驗(yàn)設(shè)計(jì)

司惠禮

(神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，寧夏石嘴山 753000)

通過柔性法蘭連接節(jié)點(diǎn)剛度的定義，研究了不同的螺栓預(yù)拉力在變電構(gòu)架柔性法蘭連接中的應(yīng)用，分析了并設(shè)計(jì)了高強(qiáng)螺栓與高強(qiáng)度普通螺栓對(duì)法蘭連接節(jié)點(diǎn)剛度影響的試驗(yàn)，指出了在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)所需的注意事項(xiàng).

螺栓;預(yù)拉力;柔性法蘭;剛度

目前，對(duì)于一些高度在20～70 m的輸電塔，我國一般采用角鋼塔.隨著輸送電壓的提高，輸電塔的高度要求也越來越高(一般在100 m以上).各大電力設(shè)計(jì)院一般把塔設(shè)計(jì)成鋼管塔，這是由于鋼管的風(fēng)荷載體形系數(shù)較小，截面回轉(zhuǎn)半徑大，受力性能好［1］，且鋼管塔具有承載力大、整體穩(wěn)定性好、外形美觀、使用壽命長、大量節(jié)約用地等優(yōu)點(diǎn)，而在輸電高塔中的應(yīng)用量與日俱增.在各種鋼構(gòu)件的連接中，最常用的是法蘭連接，法蘭具有安裝方便、承載力大、安全可靠等優(yōu)點(diǎn).常用的法蘭分為有加勁肋的剛性法蘭和無加勁肋的柔性法蘭，文中主要研究柔性法蘭.法蘭一般都是用高強(qiáng)螺栓連接，高強(qiáng)螺栓分為高強(qiáng)螺栓和高強(qiáng)度普通螺栓，這兩種螺栓的區(qū)別在于螺栓預(yù)拉力不同，而不同的螺栓預(yù)拉力對(duì)法蘭連接節(jié)點(diǎn)的剛度有著不同的影響.因此，高強(qiáng)螺栓［2］與高強(qiáng)度普通螺栓對(duì)柔性法蘭連接節(jié)點(diǎn)剛度的分析是有必要的.筆者通過理論分析，設(shè)計(jì)了不同的螺栓預(yù)拉力對(duì)節(jié)點(diǎn)軸向、剪切和彎曲剛度影響的相關(guān)試驗(yàn).

1 法蘭連接節(jié)點(diǎn)剛度分析

剛度從廣義上說，就是廣義力和相對(duì)應(yīng)的廣義位移的比值.法蘭連接節(jié)點(diǎn)的剛度分為軸向剛度、剪切剛度和彎曲剛度，因此有必要對(duì)這3種剛度進(jìn)行定義，并得出其相應(yīng)計(jì)算方法.

1.1 法蘭連接節(jié)點(diǎn)軸向剛度

法蘭連接節(jié)點(diǎn)軸向剛度相對(duì)應(yīng)的廣義力是軸向拉力，相對(duì)應(yīng)的廣義位移為2塊法蘭板之間的相對(duì)張開位移，此時(shí)軸向剛度可定義為

式中:EN為法蘭連接節(jié)點(diǎn)的軸向剛度;NT為軸向拉力;ΔN為兩塊法蘭板之間的相對(duì)張開位移.

1.2 法蘭連接節(jié)點(diǎn)剪切剛度

法蘭連接節(jié)點(diǎn)剪切剛度相對(duì)應(yīng)的廣義力是水平剪力，相對(duì)應(yīng)的廣義位移為2塊法蘭板之間的相對(duì)水平位移，此時(shí)剪切剛度可定義為

式中:EQ為法蘭連接節(jié)點(diǎn)的剪切剛度;Q為水平剪力;ΔQ為兩塊法蘭板之間的相對(duì)水平位移.在有限元分析模型中，ΔQ的計(jì)算可選取2塊法蘭板的內(nèi)邊緣中點(diǎn)作為參考點(diǎn)計(jì)算得出，由此根據(jù)式(2)得出節(jié)點(diǎn)的剪切剛度.

1.3 法蘭連接節(jié)點(diǎn)彎曲剛度

法蘭連接節(jié)點(diǎn)彎曲剛度相對(duì)應(yīng)的廣義力是彎矩，相對(duì)應(yīng)的廣義位移為2塊法蘭板之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角位移，此時(shí)彎曲剛度可定義為

式中:EM為法蘭連接節(jié)點(diǎn)的彎曲剛度;M為節(jié)點(diǎn)彎矩;ΔM為2塊法蘭板之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角位移。在有限元分析模型中，ΔM的計(jì)算可選取2塊法蘭板的內(nèi)邊緣中點(diǎn)作為參考點(diǎn)計(jì)算得出，由此根據(jù)式(3)得出節(jié)點(diǎn)的彎曲剛度.

1.4 相對(duì)位移的參考點(diǎn)選取

法蘭連接節(jié)點(diǎn)軸向、剪切、彎曲剛度的得出必先已知相應(yīng)的相對(duì)位移ΔN，ΔQ，ΔM.3個(gè)相對(duì)位移的計(jì)算是選取2塊法蘭板的內(nèi)邊緣中點(diǎn)作為參考點(diǎn)進(jìn)行的，同時(shí)為充分反映法蘭連接節(jié)點(diǎn)的整體性能以及考慮后續(xù)分析中各種剛度的相互影響，因此，所選取的參考點(diǎn)位于水平荷載作用面內(nèi)(即彎矩作用面內(nèi))，如圖1所示.圖中點(diǎn)1，2位于上法蘭盤，點(diǎn)3，4位于下法蘭盤.由此可見，相對(duì)位移ΔN，ΔQ，ΔM應(yīng)按下式進(jìn)行計(jì)算，

式中:下標(biāo)“V”表示豎向位移，“H”表示水平位移;d為法蘭板內(nèi)邊緣直徑.

圖1 計(jì)算相對(duì)位移的參考點(diǎn)選取位置

2 柔性法蘭試件節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

主要考慮高強(qiáng)度普通螺栓與高強(qiáng)螺栓對(duì)柔性法蘭連接節(jié)點(diǎn)剛度的影響，柔性法蘭的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，采用20個(gè)螺栓圍繞在法蘭盤上并使上下法蘭盤相連接.試件設(shè)計(jì)時(shí)，唯一不變的條件是一個(gè)試件采用高強(qiáng)度普通螺栓，一個(gè)試件采用高強(qiáng)螺栓，根據(jù)某工程提供的法蘭節(jié)點(diǎn)控制內(nèi)力M=220 kN·m，N=1 200 kN，以及由文獻(xiàn)［2］選用作試驗(yàn)的試件情況見表1.高強(qiáng)螺栓與高強(qiáng)度普通螺栓的區(qū)別在于螺栓預(yù)拉力的施加，高強(qiáng)度普通螺栓是指對(duì)螺栓施加緊固扭矩的螺栓;高強(qiáng)度螺栓是指對(duì)螺栓按照文獻(xiàn)［3］施加螺栓預(yù)拉力P的螺栓.

圖2 柔性法蘭結(jié)構(gòu)

表1 試驗(yàn)用柔性法蘭試件的情況

3 試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

3.1 荷載的施加

軸向剛度主要受軸向力的影響，因此需對(duì)構(gòu)件施加豎向荷載;剪切剛度主要受水平荷載的影響，所以需對(duì)構(gòu)件施加水平荷載;彎曲剛度主要受豎向荷載和水平荷載的共同影響，因此可以先對(duì)試件施加豎向荷載再施加水平荷載.

施加豎向荷載和水平荷載的大小需根據(jù)實(shí)際工程中法蘭節(jié)點(diǎn)的控制內(nèi)力而論，根據(jù)控制內(nèi)力驗(yàn)算法蘭連接節(jié)點(diǎn)的承載力來確定荷載的大?。?］.通常豎向荷載的施加方式包括構(gòu)件自立式和橫臥式，這就需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的具體設(shè)備條件來決定采取哪種施加方式.因此，實(shí)驗(yàn)室就必須具備對(duì)構(gòu)件施加豎向荷載和水平荷載的試驗(yàn)裝置.通常，實(shí)驗(yàn)室一般都是通過液壓千斤頂對(duì)試件施加豎向荷載，通過水平作動(dòng)器來對(duì)試件施加水平荷載.

3.2 荷載﹑應(yīng)變和位移的觀測

水平荷載通過水平作動(dòng)器自動(dòng)記錄其大小;豎向荷載通過液壓千斤頂來施加，需要人為地讀取并采集其數(shù)據(jù).

由于鋼管上各個(gè)位置的應(yīng)變不同，且試驗(yàn)主要研究節(jié)點(diǎn)剛度，因此需要對(duì)鋼管的主要位置進(jìn)行應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集.對(duì)中間法蘭盤以上﹑以下的鋼管在平行于水平荷載的方向上布置一對(duì)應(yīng)變片，然后在垂直于水平荷載的方向上布置一對(duì)應(yīng)變片.當(dāng)然應(yīng)變片布置的數(shù)量不是越多越好，而是要根據(jù)具體的試驗(yàn)操作在主要部位(如鋼管的上﹑下中間部位)布置應(yīng)變片，而次要部位則可根據(jù)試驗(yàn)操作的難易程度來布置應(yīng)變片.

法蘭盤的受力特點(diǎn)為:在豎向荷載的作用下，法蘭盤的內(nèi)﹑外邊緣都被張開;在水平荷載的作用下，西側(cè)法蘭盤被張開，而東側(cè)法蘭盤被頂緊，螺栓有的被伸長，有的被壓縮.因此，根據(jù)這一特點(diǎn)以及前面圖1相對(duì)位移位置的選取，把百分表布置在法蘭盤的內(nèi)﹑外邊緣處以及螺栓的頂面處.由于法蘭盤上螺栓的數(shù)量較多，不可能每個(gè)螺栓頂面處都布置百分表，根據(jù)荷載的施加方向把百分表布置在平行于水平荷載和垂直于水平荷載方向的螺栓上.同時(shí)，在施加水平荷載的過程中，由于上﹑下法蘭盤有相對(duì)錯(cuò)動(dòng)的可能，還需在法蘭盤側(cè)面邊緣上布置位移計(jì).最后鋼管柱子的頂部水平位移是變電構(gòu)架中非常重要的參考依據(jù)，因此還需要在柱頂東側(cè)法蘭盤上布置位移計(jì).在水平荷載的施加過程中，平行于水平方向的節(jié)點(diǎn)有較大的位移，所以在其相應(yīng)的位置布置位移計(jì)而不是百分表.

4 試驗(yàn)的加載及處理設(shè)計(jì)

4.1 試驗(yàn)加載前的準(zhǔn)備工作

試件準(zhǔn)備好以后，試件1由于采用高強(qiáng)螺栓，所以在試件加載之前，需要對(duì)試件1的螺栓按規(guī)范施加扭矩，其扭矩大小根據(jù)T=KdP［3］進(jìn)行計(jì)算.其中K為扭矩系數(shù)，P為高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力，d為螺栓的直徑.試件2采用高強(qiáng)度普通螺栓，只需施加緊固扭矩即可(其扭矩大小可以根據(jù)一個(gè)普通工人使用普通的扳手所能施加的扭矩來近似確定).

4.2 試驗(yàn)加載

試驗(yàn)正式加載之前，需對(duì)試件進(jìn)行豎向荷載和水平荷載的預(yù)加載，目的是為了使構(gòu)件各部位接觸良好，荷載與變形的關(guān)系趨于穩(wěn)定.預(yù)加載的同時(shí)需檢查各個(gè)位置應(yīng)變﹑位移計(jì)和百分表的讀數(shù)是否正確，以及螺栓是否有松動(dòng)的情況，如果螺栓有松動(dòng)，則需要對(duì)螺栓重新施加相應(yīng)的扭矩.

試驗(yàn)正式加載的步驟:先對(duì)試件施加豎向荷載然后卸載為零，再施加水平荷載后卸載為零.需注意，豎向荷載和水平荷載并不是一次性加載至最大值，而是一級(jí)一級(jí)地加載.最后對(duì)試件先施加豎向荷載再施加水平荷載來考慮螺栓預(yù)拉力對(duì)連接節(jié)點(diǎn)彎曲剛度的影響.

在整個(gè)荷載的施加過程中，需時(shí)刻注意螺栓的松動(dòng)情況以及位移計(jì)和百分表的讀數(shù)是否存在較大的偏差，如果存在較大偏差則需要檢查校對(duì)相應(yīng)的儀器［5］.

4.3 試驗(yàn)加載完的后處理工作

試驗(yàn)加載完之后，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，畫出這兩個(gè)試件典型節(jié)點(diǎn)(主要是法蘭盤內(nèi)邊緣節(jié)點(diǎn)和法蘭盤相對(duì)錯(cuò)動(dòng)節(jié)點(diǎn))的相應(yīng)荷載－位移曲線圖.后處理的主要工作是對(duì)比試件1和試件2相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的曲線圖，在單獨(dú)施加同一豎向荷載﹑水平荷載以及先施加豎向荷載再施加水平荷載的情況下，比較試件1和試件2的法蘭盤內(nèi)邊緣相對(duì)變形以及法蘭盤的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)(因?yàn)閮?nèi)邊緣的相對(duì)變形主要計(jì)算節(jié)點(diǎn)的軸向和彎曲剛度，法蘭盤的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)主要計(jì)算節(jié)點(diǎn)的剪切剛度).在滿足承載力且保證螺栓的直徑、法蘭盤的厚度和材質(zhì)一樣條件下，比較哪個(gè)試件的軸向﹑剪切和彎曲剛度較大.根據(jù)測試結(jié)果可了解，高強(qiáng)螺栓和高強(qiáng)度普通螺栓對(duì)柔性法蘭連接節(jié)點(diǎn)剛度的影響.

5 結(jié)語

通過法蘭連接節(jié)點(diǎn)剛度的定義以及從理論上設(shè)計(jì)螺栓預(yù)拉力對(duì)柔性法蘭連接節(jié)點(diǎn)剛度影響的試驗(yàn)，得出以下結(jié)論.

1)在對(duì)數(shù)據(jù)處理時(shí)，如果試件在施加水平荷載的時(shí)候，構(gòu)件出現(xiàn)了整體扭曲(即構(gòu)件的下部低端由于沒有可靠的固定而出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn))的情況，建議試件最后的水平位移應(yīng)扣除由于整體扭曲所引起的位移.

2)對(duì)柔性法蘭連接節(jié)點(diǎn)剛度分析時(shí)，剛度主要位移監(jiān)測點(diǎn)在于法蘭盤內(nèi)邊緣的相對(duì)變形和法蘭盤的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，因此對(duì)數(shù)據(jù)處理時(shí)應(yīng)注意試驗(yàn)中所測的是上﹑下法蘭盤各自的位移，而對(duì)結(jié)果分析需要相對(duì)位移，所以還需畫出法蘭盤的相對(duì)荷載－位移曲線圖.

3)試驗(yàn)中唯一改變的條件是螺栓的種類，而其它條件(如法蘭連接節(jié)點(diǎn)的控制內(nèi)力﹑法蘭盤的厚度﹑鋼材的種類﹑法蘭盤與鋼管的焊角尺寸以及螺栓的直徑等)都必須保持一致，目的是為了更好地對(duì)比螺栓預(yù)拉力對(duì)變電構(gòu)架柔性法蘭連接節(jié)點(diǎn)剛度的影響.同時(shí)，還應(yīng)該考慮焊縫所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對(duì)節(jié)點(diǎn)剛度的影響.

［1］陳亦，馬星，王肇民.無肋法蘭盤節(jié)點(diǎn)的研究與應(yīng)用［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2002(5):15 －18.

［2］上海市建設(shè)和交通委員會(huì).GB50135—2006高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2007.

［3］中華人民共和國建設(shè)部.GB50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2003.

［4］王熾欣，王浩.柔性法蘭連接點(diǎn)研究初探［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2009，24(10):10 －15.

［5］陳學(xué)前，杜強(qiáng)，馮加權(quán).螺栓連接非線性振動(dòng)特性研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2009，28(7):196 －199.

Influence of Bolt Pretension on the Rigidity of Flexible Flange Joints

SI Hui-li
(Company of Shenhua Ningxia Coal Industry Group Co.Ltd.，Shizuishan 753000，China)

By defining the rigidity of the flexible flange joints，an application of different bolt pretension to the flexible flange joints in power-transformed frames was theoretically studied，and a test is designed to analyze the influence of high strength bolt and ordinary bolt used to the flexible flange joints.At last，some precautions required in the experimental design are pointed out.

bolt;pretension;flexible flange;rigidity

1002－5634(2012)03－0078－04

2012－02－10

司惠禮(1982—)，男，寧夏石嘴山人，助理工程師，主要從事工程管理方面的研究.

(責(zé)任編輯:杜明俠)