緊固力矩下變電構(gòu)架法蘭螺栓原型試驗(yàn)研究與有限元分析

魏珍中，劉建秋，商文念，劉 勇，李 林

（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013）

0 引言

變電構(gòu)架梁、人字柱和地線柱之間的連接一般采用法蘭連接，螺栓安裝過程中需要施加一定的緊固力矩，文獻(xiàn)［1］規(guī)定了常規(guī)變電構(gòu)架法蘭螺栓的緊固力矩，預(yù)緊的目的在于增強(qiáng)連接的可靠性和緊密性，防止受載后被連接件間出現(xiàn)縫隙或相對(duì)滑移［2］，傳統(tǒng)計(jì)算理論［3-4］近似假定螺栓群在彎矩作用下繞固定的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，螺栓偏離旋轉(zhuǎn)軸越遠(yuǎn)，變形越大。文獻(xiàn)［5-6］對(duì)法蘭螺栓采用ANSYS軟件進(jìn)行了有限元分析，對(duì)500 kV變電構(gòu)架中法蘭螺栓在拉彎荷載作用下的應(yīng)力分布和變形特點(diǎn)進(jìn)行非線性數(shù)值分析，螺栓采用實(shí)體單元模擬，單元數(shù)量較多。文獻(xiàn)［7］指出螺栓預(yù)拉力對(duì)柔性法蘭連接法蘭剛度有影響，會(huì)影響法蘭螺栓的受力，探討了試驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路。上述文獻(xiàn)都未考慮螺栓的緊固力矩，當(dāng)前針對(duì)緊固力矩下變電構(gòu)架法蘭螺栓受力性能特點(diǎn)并沒有相關(guān)試驗(yàn)研究，因此需要采用新的計(jì)算方法進(jìn)行有效和精確分析，并通過原型試驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算的正確性，以便為優(yōu)化構(gòu)架法蘭細(xì)部提供依據(jù)，提高構(gòu)架法蘭螺栓設(shè)計(jì)的安全性和合理性。

1 變電構(gòu)架法蘭螺栓原型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

選取某500 kV變電站的220 kV屋外鋼管構(gòu)架法蘭為研究對(duì)象，通過構(gòu)架節(jié)點(diǎn)原型試驗(yàn)，模擬工程實(shí)際工況組合下的構(gòu)架內(nèi)力加載，開展構(gòu)架法蘭螺栓受力狀態(tài)的研究。

試驗(yàn)采用1∶1比例的原型柱頭，見圖 1，總重3.6 t，所用材質(zhì)為Q345B鋼材，焊條類型為E50型，螺栓為8.8級(jí)，底部與地面鋼板焊接。為完成試驗(yàn)加載并使得模型符合荷載工況下的受力特點(diǎn)，避免加載位置處的應(yīng)力集中及變形過大，采取了兩種措施：一是在加載的左右梁端和地線柱端鋼管截面內(nèi)部分別焊接了3道橫向加強(qiáng)板，板厚10 mm；二是在加載點(diǎn)處設(shè)置鋼箱梁或鋼板作為墊板，首先承受千斤頂傳來的集中力，再通過鋼板將荷載傳遞至局部平面，以加載點(diǎn)距應(yīng)力關(guān)注點(diǎn)的長(zhǎng)度為截面高度的2～3倍以上來確定外伸鋼管梁尺寸，滿足端部鋼管截面受力后的平截面假定，避免應(yīng)力集中下局部變形過大的情況。

圖1 構(gòu)架節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)

1.2 試驗(yàn)方法

如圖2所示，在左右外伸梁法蘭連接處（左編號(hào)1，2兩個(gè)壓力傳感器，右編號(hào)4，5兩個(gè)壓力傳感器）及地線柱（編號(hào)3壓力傳感器）法蘭連接處，分別設(shè)置壓力傳感器，測(cè)量螺栓的受力狀態(tài)。

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》［8］采用扭矩扳手對(duì)螺栓施加緊固力，螺紋聯(lián)結(jié)的擰緊力矩計(jì)算公式為

式中：T為擰緊力矩；K為擰緊力矩系數(shù)，K在0.1～0.3范圍內(nèi)變動(dòng)；F0為預(yù)緊力，碳素鋼螺栓F0＝（0.6～0.7）σsAs，合金鋼螺栓 F0＝（0.5～0.6）σsAs，σs為螺栓材料的屈服點(diǎn)，As為螺栓公稱應(yīng)力截面積；d為螺紋公稱直徑。

近似按照 T＝0.2（0.5σsAs）d 進(jìn)行施加緊固力矩，螺栓的緊固力矩計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)［1］基本相同。

試驗(yàn)工況選擇220 kV鋼管構(gòu)架整體大風(fēng)單側(cè)工況進(jìn)行加載。根據(jù)工況下的各桿件單元的局部坐標(biāo)系下的內(nèi)力（彎矩、剪力、軸力等），各桿件單元的局部坐標(biāo)系以及結(jié)構(gòu)的整體坐標(biāo)系關(guān)系，將內(nèi)力值（彎矩）轉(zhuǎn)換到整體坐標(biāo)系上來；隨后通過力的平衡（彎矩平衡）進(jìn)行校驗(yàn)；最后根據(jù)與構(gòu)架節(jié)點(diǎn)相連各桿件的桿端彎矩（整體坐標(biāo)系下）及梁、地線柱加載點(diǎn)距構(gòu)架節(jié)點(diǎn)中心的距離，確定梁 （地線柱）端的荷載。

圖2 螺栓壓力傳感器布置實(shí)景

構(gòu)架節(jié)點(diǎn)處與實(shí)際整體模型產(chǎn)生的內(nèi)力基本相當(dāng)，可以通過對(duì)梁端和地線柱端施加集中荷載以實(shí)現(xiàn)對(duì)中心點(diǎn)彎矩的等效。在考慮彎矩等效的基礎(chǔ)上，對(duì)剪力值進(jìn)行校核有一定偏差，但由于剪力值相對(duì)較小且偏差值在可接受的范圍，因此該模型能基本反映構(gòu)架節(jié)點(diǎn)的主要受力特點(diǎn)。

對(duì)構(gòu)架節(jié)點(diǎn)模型設(shè)置5個(gè)加載點(diǎn)，分別在左右梁端水平方向（左梁Fl和右梁F4）和豎向加載點(diǎn)（左梁F2和右梁F5），地線柱水平加載點(diǎn)（F3），加載值見表1。

表1 構(gòu)架節(jié)點(diǎn)模型荷載點(diǎn)的加載值 kN

加載初始階段，調(diào)整所有螺栓的緊固力矩為310 N·m（8.8級(jí) M20在緊固力矩為 310 N·m，折合緊固力為77.5 kN，扭轉(zhuǎn)系數(shù)為0.2，先把5個(gè)傳感器的應(yīng)變歸零，采取5個(gè)加載點(diǎn)分階段同時(shí)加載的方式，每分鐘加載5～7 kN，進(jìn)行4階段加載，每階段穩(wěn)定5 min，盡可能消除應(yīng)變率的影響，模擬靜力加載。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)際試驗(yàn)過程中，由于5個(gè)加載點(diǎn)受荷載后，會(huì)產(chǎn)生相互影響，精確使得各加載點(diǎn)的荷載與設(shè)計(jì)荷載完全相同難度較大，故在實(shí)施過程中，按各級(jí)加載階段值的5%控制誤差，在模擬計(jì)算中以各加載點(diǎn)實(shí)際受荷為準(zhǔn)。

梁（地線柱）端荷載與對(duì)應(yīng)的1～5號(hào)壓力傳感器示值的關(guān)系如圖3～7所示。

圖3 左梁水平荷載與1號(hào)壓力傳感器值的關(guān)系

圖4 左梁豎向荷載與2號(hào)壓力傳感器值的關(guān)系

圖5 地線柱水平荷載與3號(hào)壓力傳感器值的關(guān)系

圖6 右梁水平荷載與4號(hào)壓力傳感器值的關(guān)系

圖7 右梁豎向荷載與5號(hào)壓力傳感器值的關(guān)系

試驗(yàn)表明，螺栓在緊固力矩作用下，壓力傳感器荷載變化均保持平穩(wěn)，當(dāng)大于某一數(shù)值后，增加較快。分析原因可能是由于法蘭貼合面的減少導(dǎo)致螺栓受力增加較快。根據(jù)受力部位的不同，壓力傳感器增加的壓力（可近似看作螺栓增加的拉力）值在18～53 kN范圍內(nèi)，考慮緊固力矩，螺栓的軸向力在85～131 kN。螺栓受力增加值相對(duì)于預(yù)緊力較小，同時(shí)也說明螺栓的預(yù)緊力不可以忽略。

2 有限元仿真

2.1 ANSYS和SolidWork

上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)為驗(yàn)證數(shù)值理論計(jì)算的正確性提供支撐。文獻(xiàn)［5-6］采用ANSYS軟件對(duì)變電構(gòu)架法蘭螺栓進(jìn)行了有限元模擬，螺栓采用實(shí)體單元，實(shí)體計(jì)算花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)配置要高，接觸定義也很繁瑣。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，相比通用有限元軟件ANSYS，三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件SolidWorks對(duì)于分析復(fù)雜構(gòu)架節(jié)點(diǎn)更合適，軟件中的Simulation模塊可以簡(jiǎn)單快速對(duì)構(gòu)架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模和有限元分析，軟件提供螺栓標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)［9］，可非常方便地實(shí)現(xiàn)螺栓緊固力矩施加和螺栓內(nèi)力輸出，并可自動(dòng)識(shí)別裝配體的接觸組。

2.2 模型構(gòu)建與仿真

現(xiàn)行規(guī)范［4］在計(jì)算剛性法蘭螺栓受力時(shí)，假定旋轉(zhuǎn)軸為與管外壁相切或?yàn)楣苤行模瑢?shí)際旋轉(zhuǎn)軸多是介于兩者之間。為克服現(xiàn)行計(jì)算方法中的不足，運(yùn)用SolidWorks軟件對(duì)試驗(yàn)柱頭進(jìn)行了有限元分析。模型按照柱頭節(jié)點(diǎn)的實(shí)際尺寸建模，模型加載時(shí)底部邊界按照固定約束，載荷按照表1中的試驗(yàn)數(shù)值加載，模型、邊界條件和加載點(diǎn)位置見圖8。

圖8 Solidworks模型

考慮到構(gòu)架法蘭處與加載點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，避免了在銜接處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，法蘭劃分網(wǎng)格時(shí)，針對(duì)應(yīng)力集中點(diǎn)細(xì)化網(wǎng)格。對(duì)單側(cè)大風(fēng)工況下構(gòu)架進(jìn)行有限元分析，位移和應(yīng)力云圖分別見圖9和圖10。模型整體位移連續(xù)性比較好，對(duì)模型節(jié)點(diǎn)法蘭貼合處有撬開的趨勢(shì)，符合接觸單元和實(shí)際加載的變形情況。

圖9 構(gòu)架節(jié)點(diǎn)的位移云

圖10 構(gòu)架節(jié)點(diǎn)的von-Mise應(yīng)力云

2.3 結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證有限元分析的正確性，對(duì)理論計(jì)算值［4］（已考慮預(yù)緊固力77.5 kN）、試驗(yàn)結(jié)果和SolidWorks仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表2所示，從表中可以看出左右梁與地線柱節(jié)點(diǎn)連接處法蘭螺栓的理論計(jì)算值與仿真結(jié)果基本相同，誤差在3.9%以內(nèi)。仿真數(shù)值與試驗(yàn)值基本一致，差別在6.2%～13.9%以內(nèi)，偏差的主要原因是真實(shí)構(gòu)件受到構(gòu)件制作質(zhì)量、儀器檢測(cè)誤差、殘余應(yīng)力、幾何缺陷和加載偏心等的影響，并且法蘭處受力相對(duì)集中，受力變化梯度較大，測(cè)點(diǎn)位置稍有出入，螺栓受力相差較為明顯。但總體上講，未對(duì)構(gòu)架法蘭螺栓的受力產(chǎn)生較大影響。

仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了SolidWorks計(jì)算方法的合理性，同時(shí)也可看出，理論計(jì)算如不考慮緊固力矩，將會(huì)偏小約70%。

3 結(jié)語(yǔ)

開展原型試驗(yàn)，研究變電構(gòu)架柱頭法蘭螺栓在緊固力矩作用下的受力性能，并采用機(jī)械有限元軟件SolidWorks對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行精細(xì)化分析。

原型試驗(yàn)表明，螺栓在緊固力矩作用下，壓力傳感器荷載變化均保持平穩(wěn)，當(dāng)大于某一數(shù)值后，增加較快。螺栓緊固力矩對(duì)于螺栓受力增加值是不可忽略的，因此計(jì)算螺栓受力時(shí)應(yīng)考慮緊固力矩對(duì)法蘭螺栓的影響。

分析大風(fēng)工況下柱頭法蘭螺栓的受力情況，對(duì)理論計(jì)算值、試驗(yàn)結(jié)果和SolidWorks分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，3個(gè)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了SolidWorks仿真方法的合理性。