鋼管填充混凝土對內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)抗彎承載力特性影響研究*

陳 前， 張凱旋， 郭 勇， 張大長

(1 南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 211800； 2 浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州 310012)

0 引言

近年來，隨著輸電鐵塔結(jié)構(gòu)日益大型化，結(jié)構(gòu)荷載也隨之增大。圓鋼管結(jié)構(gòu)以其截面回轉(zhuǎn)半徑大，風(fēng)載體型系數(shù)小，承載力高等優(yōu)點(diǎn)受到設(shè)計(jì)者的青睞。因此，在輸電線路鐵塔選型上，采用鋼管塔在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上具有更明顯的優(yōu)勢。法蘭連接作為鋼管塔結(jié)構(gòu)中常見的連接方式，具有傳力明確、外形美觀、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。鋼管塔法蘭連接在構(gòu)造上可分為無勁法蘭和加勁法蘭。

加勁法蘭又稱為剛性法蘭，在法蘭板和鋼管端部連接處沿正交方向焊接一圈加勁板而成，兩法蘭之間通過螺栓將鋼管連成一個(gè)整體，具有剛度大、變形小、承載能力高等優(yōu)點(diǎn)。但是隨著輸電鐵塔高度和荷載不斷增大，只設(shè)置單圈螺栓連接的剛性法蘭逐漸顯露出螺栓規(guī)格過大和法蘭板很厚等問題，為了解決上述問題，本文提出了新型鋼管內(nèi)外法蘭，并針對鋼管填充混凝土與否，設(shè)計(jì)并制作了2種內(nèi)外法蘭試件，如圖1所示。與傳統(tǒng)剛性法蘭相比，鋼管內(nèi)外法蘭在鋼管內(nèi)側(cè)、外側(cè)均布置一圈連接螺栓，降低了內(nèi)外螺栓規(guī)格。且在鋼管內(nèi)填充混凝土解決了鋼管徑厚比過大導(dǎo)致的局部屈曲問題，改善了鋼管法蘭的連接性能。

圖1 鋼管混凝土內(nèi)外法蘭

目前，相關(guān)研究主要針對傳統(tǒng)法蘭抗彎性能方面。鄧洪洲等[1]開展了雙桿輸電鋼管桿方形剛性法蘭靜力試驗(yàn)和有限元分析研究。對法蘭板、肋板及螺栓的受力特性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，參考現(xiàn)行規(guī)范剛性法蘭的設(shè)計(jì)方法，方形剛性法蘭的法蘭板和肋板是安全的； 但螺栓受力偏于不安全，螺栓實(shí)際受力應(yīng)為拉彎復(fù)合受力狀態(tài)。湯歡等[2]對錐頸式玻璃鋼內(nèi)、外法蘭開展了純彎試驗(yàn)研究，分析了法蘭板厚度、錐頸高度和螺栓邊距等對GFRP內(nèi)、外法蘭的抗彎剛度及破壞模式的影響特性，并提出了提高GFRP法蘭節(jié)點(diǎn)抗彎剛度的構(gòu)造措施。宗亮等[3]對彎矩作用下鋼管結(jié)構(gòu)法蘭節(jié)點(diǎn)有限元分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比分析。分析結(jié)果表明，隨著法蘭節(jié)點(diǎn)彎矩的增大，法蘭板產(chǎn)生了明顯的塑性發(fā)展變形，在法蘭節(jié)點(diǎn)抗彎連接設(shè)計(jì)時(shí)，可以認(rèn)為法蘭板壓力中心的位置基本不變。王元清等[4]對4種基本形式的法蘭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了四點(diǎn)受彎加載試驗(yàn)，研究法蘭節(jié)點(diǎn)在受彎過程中螺栓和法蘭板的受力特性，得到法蘭節(jié)點(diǎn)的屈服荷載和極限荷載。

由于法蘭節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)荷載的不斷增大，按照傳統(tǒng)法蘭節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法會(huì)產(chǎn)生螺栓規(guī)格過大、法蘭板過厚等問題，因此新型內(nèi)外法蘭的研究也相繼開始出現(xiàn)。黃譽(yù)等[5]對內(nèi)外法蘭受彎特性進(jìn)行試驗(yàn)研究及有限元分析，建議法蘭設(shè)計(jì)時(shí)旋轉(zhuǎn)軸位置取距鋼管中心0.7R處(R為鋼管半徑，下同)。薛濱等[6]開展了內(nèi)外法蘭在拉彎荷載下的力學(xué)行為及承載力計(jì)算方法的研究。分析了法蘭旋轉(zhuǎn)軸、中和軸和承載力隨軸向拉力變化特征。陳哲等[7]開展了中空夾層鋼管混凝土內(nèi)外法蘭受彎性能試驗(yàn)研究。重點(diǎn)考察了螺栓應(yīng)變，揭示了法蘭內(nèi)、外螺栓應(yīng)力分布規(guī)律，認(rèn)為旋轉(zhuǎn)軸位置處于距鋼管中心0.75R處。

可見，傳統(tǒng)法蘭以及內(nèi)外法蘭承載力研究主要都是基于鋼管未填充混凝土的法蘭節(jié)點(diǎn)，而對鋼管填充混凝土的內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)受彎時(shí)中和軸和旋轉(zhuǎn)軸的位置尚沒有統(tǒng)一的結(jié)論。因此有必要對鋼管混凝土內(nèi)外法蘭及鋼管內(nèi)外法蘭受彎時(shí)的承載力特點(diǎn)、傳力機(jī)理以及旋轉(zhuǎn)軸位置進(jìn)行深入研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 內(nèi)外法蘭試件設(shè)計(jì)

本文對鋼管內(nèi)外法蘭及鋼管混凝土內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)開展了純彎試驗(yàn)研究，法蘭試件參數(shù)如圖2(a)和表1所示。

圖2 抗彎承載力試驗(yàn)

1.2 加載方案

試驗(yàn)裝置如圖2(b)所示，采用四點(diǎn)受彎加載方式，法蘭節(jié)點(diǎn)處于純彎段。壓剪試驗(yàn)機(jī)加載端作用于鋼管?；炷林ㄟ^分配梁，將荷載傳至距鋼管端1/3管長的兩對稱位置處，從而將壓力轉(zhuǎn)化為彎矩，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)的純彎加載[8]。

試件尺寸及參數(shù) 表1

1.3 測試方案

本文針對鋼管填充混凝土與否，開展了鋼管內(nèi)外法蘭及鋼管混凝土內(nèi)外法蘭2種內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)抗彎承載力試驗(yàn)研究，為了掌握純彎荷載作用下內(nèi)外法蘭各部件的應(yīng)變發(fā)展特性，分別將應(yīng)變片S1～S9，L1～L6，B1～B44粘貼在鋼管、加勁肋及內(nèi)外螺栓上，測試試件不同位置應(yīng)變發(fā)展特性，測點(diǎn)布置如圖3所示。并在法蘭板兩側(cè)相對位置處布置6個(gè)位移計(jì)(W1～W6)以測試法蘭板的張開位移； 應(yīng)變片和位移計(jì)數(shù)據(jù)以及壓剪試驗(yàn)機(jī)加載量均利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集[8]。

圖3 測點(diǎn)布置

2 內(nèi)外法蘭抗彎承載力試驗(yàn)

2.1 法蘭安裝及加載

按照實(shí)際工程要求，試驗(yàn)前通過扭矩扳手對高強(qiáng)螺栓施加規(guī)定的預(yù)緊力，對M16螺栓施加扭矩為110N·m； M20螺栓施加扭矩為220N·m。在正式加載之前需對內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)加載試驗(yàn)，加載到10%設(shè)計(jì)荷載后停止5min，檢查加載及測試系統(tǒng)是否正常。正式加載通過力控制加載速度，分級加載直至法蘭螺栓發(fā)生明顯的頸縮破壞。記錄每級荷載作用下各位置應(yīng)變片測點(diǎn)的應(yīng)變值和位移情況，考察法蘭節(jié)點(diǎn)的受力特性[8]。

2.2 試驗(yàn)現(xiàn)象

彎矩從零加載至設(shè)計(jì)值時(shí)，鋼管內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)受拉區(qū)法蘭板嚙合面已略微分開；鋼管混凝土內(nèi)外法蘭加載至設(shè)計(jì)彎矩時(shí)，法蘭板嚙合面也已分開，此時(shí)受拉區(qū)混凝土已經(jīng)開裂，法蘭板彎矩-張開量呈線性發(fā)展； 繼續(xù)增大荷載，此后法蘭節(jié)點(diǎn)法蘭板彎矩-張開量呈非線性發(fā)展，彎矩隨法蘭板的張開量增大較彈性階段緩慢。鋼管混凝土內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)的張開量較鋼管內(nèi)外法蘭發(fā)展緩慢，如圖4所示。加載臨近結(jié)束時(shí)，鋼管內(nèi)外法蘭及鋼管混凝土內(nèi)外法蘭最大受力螺栓處張開量(W1，W2測點(diǎn))分別為3.1，3.8mm。最終內(nèi)、外圈螺栓均發(fā)生明顯的頸縮破壞，繼而內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)失效，如圖5所示。而內(nèi)外法蘭板、加勁肋及焊縫均未發(fā)生明顯變形。說明內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)抗彎承載力主要由內(nèi)外圈螺栓強(qiáng)度控制。

圖4 法蘭板彎矩-張開量關(guān)系曲線

圖5 法蘭破壞形態(tài)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 鋼管應(yīng)變

試驗(yàn)測得鋼管內(nèi)外法蘭及鋼管混凝土內(nèi)外法蘭的鋼管彎矩-應(yīng)變發(fā)展曲線如圖6所示。荷載達(dá)到法蘭設(shè)計(jì)荷載之前，鋼管截面彎矩-應(yīng)變基本呈線性增長。鋼管混凝土內(nèi)外法蘭的鋼管彎矩-應(yīng)變增長較鋼管內(nèi)外法蘭緩慢，這是因?yàn)殇摴軆?nèi)填充了混凝土之后，混凝土與鋼管共同受力，有效地降低鋼管應(yīng)力，提高了鋼管受彎時(shí)局部屈曲承載力。

圖6 鋼管彎矩-應(yīng)變曲線

圖7為內(nèi)外法蘭的中和軸和其旋轉(zhuǎn)軸相對位置關(guān)系。假設(shè)法蘭截面滿足平截面假定，圖8為根據(jù)鋼管應(yīng)變反推得到內(nèi)外法蘭中和軸距鋼管中心線距離與R的比值-彎矩曲線。鋼管內(nèi)外法蘭中和軸位置隨內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)彎矩的增大，逐漸偏向法蘭板受壓側(cè)，位置略高于截面中心線，距鋼管截面中心線的距離約為0.15R。而鋼管混凝土內(nèi)外法蘭，中和軸位置隨彎矩增大，由法蘭板受壓側(cè)逐漸向截面中心線偏移，距鋼管截面中心線的距離和鋼管內(nèi)外法蘭最終趨于一致，約為0.18R。這是因?yàn)槁菟ńK擰后預(yù)緊力的損失導(dǎo)致法蘭板間存在不可避免的間隙，且在荷載達(dá)到設(shè)計(jì)荷載之前，螺栓和受拉區(qū)混凝土共同承擔(dān)了部分拉力。

圖7 內(nèi)外法蘭中和軸和旋轉(zhuǎn)軸位置

圖8 中和軸距鋼管中心線距離與R的比值-彎矩曲線

3.2 螺栓應(yīng)變及傳力特性

圖9為試驗(yàn)得到法蘭受拉區(qū)內(nèi)外側(cè)螺栓測點(diǎn)彎矩-應(yīng)變曲線(試驗(yàn)中有部分螺栓粘貼的應(yīng)變片損壞，無法測出數(shù)值，因此文中選取了好的螺栓測點(diǎn)進(jìn)行分析)?？梢园l(fā)現(xiàn)，內(nèi)外圈螺栓兩側(cè)應(yīng)變發(fā)展較快，且螺栓兩側(cè)應(yīng)變略有差異，表明內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)受彎時(shí)，內(nèi)外圈螺栓受到拉力和彎矩共同作用。如最大受力外螺栓測點(diǎn)B9和B10為同一顆螺栓上對稱兩測點(diǎn)，B9為靠近鋼管壁側(cè)測點(diǎn)，B10為遠(yuǎn)離鋼管壁測點(diǎn)。B10應(yīng)變值大于B9，說明螺栓不僅受到拉力，還受到附加彎矩的作用。此外，外側(cè)螺栓應(yīng)變發(fā)展較內(nèi)側(cè)螺栓快；隨著距鋼管中心線距離的增大，拉區(qū)螺栓拉力增大。鋼管填充混凝土后，內(nèi)外側(cè)螺栓應(yīng)變發(fā)展均較未填充混凝土?xí)r緩慢。加載結(jié)束后，螺栓拉應(yīng)變超過其極限應(yīng)變。

圖9 受拉區(qū)內(nèi)外側(cè)螺栓測點(diǎn)的彎矩-應(yīng)變曲線材性試驗(yàn)結(jié)果

4 有限元分析

4.1 有限元模型

模擬的主要目的是探討鋼管填充混凝土與否對內(nèi)外法蘭傳力機(jī)理及旋轉(zhuǎn)軸的位置影響特性。模擬分析時(shí)鋼管、法蘭板及加勁肋材質(zhì)均為Q345鋼材，內(nèi)外側(cè)螺栓分別采用6.8級普通螺栓和8.8級高強(qiáng)螺栓，鋼材材性試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)中C35混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度fcu=36.9MPa。為了與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，因此有限元模擬時(shí)所有材料的強(qiáng)度均取試驗(yàn)值。

表2

采用有限元分析軟件ANSYS對試驗(yàn)構(gòu)件進(jìn)

行有限元仿真模擬。選用Solid 185元件模擬鋼管、法蘭板、加勁肋和螺栓，選用Solid 65元件模擬混凝土。如圖10所示，所有構(gòu)件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用多元線性模型。泊松比為0.3，彈性模量為200GPa。

圖10 有限元模型

在模型中所有的體都是通過sweep來劃分。通過Prest 179單元模擬高強(qiáng)度螺栓的預(yù)緊力。采用三維三節(jié)點(diǎn)目標(biāo)單元Target 170和三維八節(jié)點(diǎn)接觸單元Contact 174模擬法蘭板、螺帽、混凝土及鋼管壁之間的相互接觸問題。為了準(zhǔn)確地模擬接觸問題，假定接觸面之間的摩擦系數(shù)為0.35，如表3所示。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。

4.2 分析結(jié)果

混凝土裂縫發(fā)展如圖11所示，可看出純彎受力

有限元模型單元選取 表3

圖11 混凝土裂縫發(fā)展

過程中受拉側(cè)混凝土開裂，裂縫沿著法蘭板連接面向受壓側(cè)擴(kuò)展。內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)von Mises應(yīng)力如圖12所示，可看出螺栓應(yīng)力水平高，發(fā)生頸縮，而鋼管及法蘭板應(yīng)力水平較低，與試驗(yàn)測得結(jié)果一致。圖13(a)是法蘭板間的接觸壓力，可看出受拉區(qū)法蘭板間無接觸壓力，而受壓區(qū)法蘭板壓應(yīng)力表現(xiàn)為內(nèi)側(cè)大外側(cè)小，這是由于鋼管內(nèi)填充了混凝土提高了內(nèi)側(cè)法蘭板的整體抗彎剛度。圖13(b)給出兩法蘭板間的接觸間隙。可知受拉側(cè)法蘭板間最大間隙已經(jīng)達(dá)到4.59mm，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。

圖12 法蘭節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力云圖/MPa

圖13 有限元分析結(jié)果

表4為有限元分析得到的內(nèi)外法蘭旋轉(zhuǎn)軸位置?？芍摴軆?nèi)外法蘭旋轉(zhuǎn)軸位置位于偏離主管中心0.64R附近處； 而鋼管混凝土內(nèi)外法蘭旋轉(zhuǎn)軸位置位于偏離主管中心0.85R附近。內(nèi)外法蘭試驗(yàn)結(jié)果與有限元數(shù)值分析結(jié)果基本一致。

內(nèi)外法蘭旋轉(zhuǎn)軸位置 表4

5 法蘭抗彎旋轉(zhuǎn)軸計(jì)算理論

對剛性法蘭旋轉(zhuǎn)軸位置的研究，現(xiàn)行規(guī)范[9-10]所給出的旋轉(zhuǎn)軸位置基本一致。根據(jù)《架空輸電線路鋼管塔設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(DL/T 5254—2010)(簡稱《規(guī)定》)，剛性法蘭受純彎荷載時(shí)，取鋼管外壁切線為旋轉(zhuǎn)軸。內(nèi)外法蘭螺栓拉力的計(jì)算模型可以參考傳統(tǒng)剛性法蘭螺栓拉力計(jì)算模型，如圖14所示。由于混凝土極限抗拉承載力遠(yuǎn)小于螺栓，且在最大受力螺栓達(dá)到設(shè)計(jì)荷載之前，受拉區(qū)混凝土已經(jīng)開裂退出工作。因此，忽略混凝土的抗拉承載力，通過試驗(yàn)測得的最大受力螺栓的拉力，按照最大受力螺栓計(jì)算公式，通過多次迭代計(jì)算反推螺栓群旋轉(zhuǎn)軸位置。

圖14 內(nèi)外法蘭連接計(jì)算簡圖

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成：

(1)

外圈螺栓到旋轉(zhuǎn)軸位置滿足：

YOi=yO+yOi=k0R+yOi

(2)

因此有：

AyO2+ByO+C=0

(3)

則：

(4)

純彎試驗(yàn)及有限元模擬得到鋼管內(nèi)外法蘭及鋼管混凝土內(nèi)外法蘭的旋轉(zhuǎn)軸位置如表4所示。

鋼管內(nèi)外法蘭及鋼管混凝土內(nèi)外法蘭的旋轉(zhuǎn)軸距鋼管中心線距離與R的比值-彎矩曲線如圖15所示，鋼管混凝土內(nèi)外法蘭旋轉(zhuǎn)軸位置較鋼管內(nèi)外法蘭旋轉(zhuǎn)軸位置變化較大，這是因?yàn)殇摴芑炷羶?nèi)外法蘭嚙合面處混凝土開裂后受拉側(cè)混凝土退出工作，而受壓側(cè)混凝土仍然和法蘭板一起共同工作，導(dǎo)致鋼管填充混凝土后旋轉(zhuǎn)軸位置向外側(cè)偏移。

圖15 旋轉(zhuǎn)軸距鋼管中心線距離與R的比值-彎矩曲線

因此，鋼管混凝土內(nèi)外法蘭旋轉(zhuǎn)軸位置較鋼管內(nèi)外法蘭旋轉(zhuǎn)軸位置，與《規(guī)定》建議的0.8R更接近，此時(shí)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)，套用《規(guī)定》建議旋轉(zhuǎn)軸位置與計(jì)算承載力更加接近。

6 結(jié)論

基于上述試驗(yàn)研究和非線性有限元模擬分析及理論分析，可以得到如下主要結(jié)論：

(1)純彎受力時(shí)，鋼管內(nèi)外法蘭及鋼管混凝土內(nèi)外法蘭均發(fā)生螺栓頸縮，這是由于混凝土極限抗拉承載力遠(yuǎn)小于螺栓，且在最大受力螺栓達(dá)到設(shè)計(jì)荷載之前，受拉區(qū)混凝土已經(jīng)開裂退出工作，此后節(jié)點(diǎn)受拉區(qū)拉力將由受拉側(cè)螺栓承擔(dān)。

(2) 2種內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)在純彎受力過程中，內(nèi)外側(cè)螺栓受到拉力和彎矩共同作用。外側(cè)螺栓應(yīng)變發(fā)展較內(nèi)側(cè)螺栓快，隨著距鋼管中心線距離的增大，拉區(qū)螺栓拉力增大。此外，鋼管混凝土內(nèi)外法蘭的內(nèi)外圈螺栓應(yīng)變發(fā)展較鋼管內(nèi)外法蘭緩慢。

(3) 隨著節(jié)點(diǎn)彎矩的增大，鋼管內(nèi)外法蘭中和軸位置向法蘭板受壓側(cè)偏移，離截面中心線的距離約為0.15R。而鋼管混凝土內(nèi)外法蘭中和軸位置，隨著彎矩的增大，由法蘭板受壓側(cè)向截面中心線偏移，并且距截面中心線的距離和鋼管內(nèi)外法蘭最終趨于一致，約為0.18R。

(4) 分析結(jié)果表明，鋼管混凝土內(nèi)外法蘭旋轉(zhuǎn)軸位置與鋼管內(nèi)外法蘭相比，更接近《規(guī)定》建議的0.8R，此時(shí)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)，采用《規(guī)定》建議旋轉(zhuǎn)軸位置與計(jì)算承載力更加接近。