法蘭盤厚度對剛性法蘭連接節(jié)點(diǎn)剛度影響的有限元分析

向 洋，蘇明周，楊俊芬，強(qiáng)若輝

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西西安710055)

隨著我國用電量的需求日益增加，輸送電壓也在不斷地提高，各大電力設(shè)計(jì)院在實(shí)際工程中一般把輸電線塔設(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]。在各種鋼管的連接節(jié)點(diǎn)中，法蘭連接是鋼管連接的首選形式之一，因?yàn)榉ㄌm具有安裝方便、承載力大、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。常用的法蘭分為剛性法蘭和柔性法蘭，而本文主要研究剛性法蘭，且都用10.9級的高強(qiáng)螺栓[2]連接。在滿足承載力的條件下，不同的法蘭盤材質(zhì)對應(yīng)著不同的法蘭盤厚度，雖然國內(nèi)對鋼管法蘭連接有一定的研究[3-5]，但他們幾乎都在研究法蘭的受力特點(diǎn)、螺栓的受力特點(diǎn)以及法蘭盤的設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容，而對法蘭連接節(jié)點(diǎn)剛度的研究目前國內(nèi)還是一片空白，因此，有必要通過大型有限元程序ANSYS來分析不同的法蘭盤厚度對節(jié)點(diǎn)軸向、剪切和彎曲剛度的影響。

1 有限元模型的建立

1.1 試件的設(shè)計(jì)

以某設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的典型500 kV人字柱構(gòu)架為例，構(gòu)架采用鋼管連接，其鋼管型號為?480 mm×12 mm。法蘭連接節(jié)點(diǎn)控制內(nèi)力為:N=1 500 kN，M=200 kN?m。法蘭盤的直徑為890 mm，周圍一圈采用20個(gè)10.9級高強(qiáng)螺栓連接，且加勁肋板焊接在法蘭盤上，其加勁肋的尺寸為120 mm×8 mm×200 mm，對剛性法蘭、高強(qiáng)螺栓、Q235B、Q420B材質(zhì)法蘭盤進(jìn)行組合，計(jì)算得出相應(yīng)的法蘭盤厚度和螺栓直 徑[6]，其結(jié)果見表1。

表1 法蘭盤計(jì)算結(jié)果表

1.2 單元類型的選取

由于本文分析法蘭連接節(jié)點(diǎn)的剛度，在盡可能減少模型計(jì)算時(shí)間而又不削弱計(jì)算精度的前提下，ANSYS有限元分析模型所采用的單元[7]及應(yīng)用區(qū)域見表2。

表2 有限元分析模型所采用的單元及應(yīng)用區(qū)域

1.3 摩擦面與摩擦系數(shù)

為了更好的模擬法蘭連接節(jié)點(diǎn)的受力性能，在有限元分析模型中，應(yīng)考慮螺栓與法蘭板以及法蘭板之間的摩擦作用。因此，有限元分析模型中共考慮了三個(gè)摩擦面的作用，分別是螺栓桿與螺栓孔壁摩擦、螺栓螺帽與上下法蘭板之間的摩擦、法蘭板之間的摩擦，采用接觸單元Conta174和Targel170[8]進(jìn)行模擬。

變電構(gòu)架通常采用熱浸鍍鋅進(jìn)行防腐蝕處理，此時(shí)鋼材表面的摩擦系數(shù)(抗滑移系數(shù))會有所降低。關(guān)于有限元分析模型中的摩擦系數(shù)取值，以10.9級高強(qiáng)度螺栓摩擦系數(shù)的測試結(jié)果為依據(jù)，統(tǒng)一取為0.17。

1.4 幾何模型的建立

根據(jù)剛性法蘭連接節(jié)點(diǎn)的實(shí)際尺寸以及表1的數(shù)據(jù)建模，其模型見圖1(試件1)。

圖1 試件1的有限元分析模型

1.5 荷載的施加

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，軸向剛度主要受軸向荷載的影響，通過對構(gòu)件施加豎向荷載來觀測其節(jié)點(diǎn)的荷載位移曲線，而剪切剛度和彎曲剛度可以通過對構(gòu)件先施加豎向荷載再施加水平荷載來觀測其荷載位移曲線。所以在有限元中分析中，其加載步驟共設(shè)計(jì)了3步:

第1步:單獨(dú)分級施加水平荷載到V=180 kN，然后卸載到0；

第2步:單獨(dú)分級施加軸向拉力到 N=2033 kN，然后卸載到0；

第3步:先一次性施加軸向拉力到 N=1 333 kN，然后分級施加水平荷載到V=205 kN，全部加載完畢后先卸載水平荷載到0，然后卸載軸向拉力到0。

2 有限元分析結(jié)果

2.1 法蘭盤的厚度對軸向剛度的影響

以第2荷載步，即單獨(dú)施加軸力到N=2 033 kN的情況來考察法蘭盤的厚度對剛性法蘭連接節(jié)點(diǎn)軸向剛度的影響。其法蘭連接各節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線見圖2。

從荷載位移曲線圖2可以看出:隨著豎向荷載的增加，兩個(gè)試件的螺栓變形都很接近，且變形都很小。而對于法蘭盤的內(nèi)、外邊緣，兩個(gè)試件都被張開且試件2的變形較試件1大。又由于內(nèi)邊緣是軸向剛度的主要監(jiān)測點(diǎn)，所以法蘭盤的厚度對連接節(jié)點(diǎn)的軸向剛度有影響，即厚度越薄其軸向剛度越小。

圖2 第2荷載步法蘭連接各節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線

2.2 法蘭盤的厚度對軸向、剪切和彎曲剛度的影響

以第1荷載步，即單獨(dú)施加水平荷載到V=180 kN的情況來考察法蘭盤的厚度對剛性法蘭連接節(jié)點(diǎn)剪切和彎曲剛度的影響。由于在水平荷載作用下，其柱頂有一定的位移，且法蘭盤也會產(chǎn)生相對錯(cuò)動(dòng)，所以還挑選了相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的位移，其荷載-位移曲線見圖3。

在水平荷載的施加過程中，無論是從螺栓變形、柱子的頂點(diǎn)位移還是法蘭盤的相對位移來看，試件1和試件2的變形都差不多。從法蘭盤的內(nèi)邊緣相對變形可分析出:法蘭盤的厚度對節(jié)點(diǎn)的彎曲剛度有影響，即試件2的彎曲剛度較試件1的小。法蘭盤的相對位移主要用來衡量連接節(jié)點(diǎn)的剪切剛度，由于試件1和試件2的法蘭盤相對位移相差甚小，所以法蘭盤的厚度對剪切剛度幾乎沒有影響。

針對第3步:先單獨(dú)施加軸力到N=1 333 kN，然后施加水平荷載到V=205 kN。其法蘭盤各節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線見圖4。

對于螺栓和柱頂位置，這兩個(gè)試件的變形都差不多；從法蘭盤的內(nèi)邊緣相對變形不難發(fā)現(xiàn):法蘭盤的厚度對軸向和彎曲剛度有一定的影響，即試件2法蘭的軸向和彎曲剛度較試件1小。由于法蘭盤的相對變形相差很小，所以法蘭盤的厚度對連接節(jié)點(diǎn)的剪切剛度幾乎沒有影響。

圖3 第1荷載步法蘭連接各節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線

3 結(jié) 論

通過ANSYS對試件結(jié)果的分析以及對以上荷載-位移曲線圖的研究，從法蘭連接節(jié)點(diǎn)的變形規(guī)律來分析法蘭盤的厚度對其節(jié)點(diǎn)剛度的影響，得出以下結(jié)論:

圖4 第3荷載步法蘭連接各節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線

(1)在對構(gòu)件的加載中，無論單獨(dú)施加豎向荷載、水平荷載還是先施加豎向荷載再施加水平荷載，螺栓的變形都很小，而法蘭內(nèi)、外邊緣的變形稍微大一些。

(2)法蘭盤的厚度對鋼管柱頂點(diǎn)位移的影響不大，即在滿足承載力且螺栓的規(guī)格、型號都一樣的條件下，法蘭盤的厚度較薄者其頂點(diǎn)位移與厚度較厚者的頂點(diǎn)位移很接近。

(3)在滿足承載力且螺栓的規(guī)格、型號都一樣的條件下，法蘭盤的厚度對剛性連接節(jié)點(diǎn)的軸向和彎曲剛度有影響，而對剪切剛度沒有影響。即厚度較厚者其連接節(jié)點(diǎn)的軸向和彎曲剛度較大，而剪切剛度厚度較厚與較薄者相當(dāng)。

[1]薛偉辰，黃永嘉，王貴年.500 kV吳淞口大跨越塔柔性法蘭原型試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑，2004，34(3):68-70.

[2]陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京:科學(xué)出版社，2001.

[3]王笑峰，何敏娟，馬人樂，等.柔性法蘭節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)分析及簡化計(jì)算方法研究[J].工業(yè)建筑，2001，31(3):56-58，61.

[4]高 湛，彭少民，劉宗輝，等.變電構(gòu)架中剛性法蘭的有限元分析[J].工業(yè)建筑，2005，33(增刊):294-297，309.

[5]鄧洪洲，傅俊濤，吳 靜.崖門大跨越輸電塔節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)報(bào)告[R].上海:同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，2002.

[6]上海市建設(shè)和交通委員會.GB 50135-2006.高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社，2006.

[7]博嘉科技.有限元分析軟件-ANSYS融會與貫通[M].北京:中國水利水電出版社，2002.

[8]黃書珍，胡仁喜，康士廷，等.ANSYS12.0土木工程有限元分析從入門到精通[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.