钢管杆中方形刚性法兰受力性能试验研究

钢管杆中方形刚性法兰受力性能试验研究

0刚性规范节点近年来，在城市电网建设中，电压等级越高，负荷越大，双杆管的负荷越来越大，越来越受到重视。在双杆钢管杆结构体系中,两个主杆之间由横梁连接,形成一个平面刚架(图1)。而横梁连接的方形刚性法兰由于承受较大的剪力和弯矩,并且关系到两个主杆能否协同受力,因而成为整个结构的关键性节点。国外对于法兰连接的研究和应用较早,但大多局限于圆形法兰连接在国内的工程设计中,由于DL/T5130—2001《架空送电线路钢管杆设计技术规定》本文作者通过模型试验及有限元分析,对方形刚性法兰节点在弯矩作用下,法兰板和肋板的受力特性、螺栓受力及旋转轴位置进行研究。1螺栓的轴力的确定在刚性法兰设计中,由于法兰板的厚度及肋板尺寸均根据最大受力螺栓的轴力确定,因此确定螺栓的轴力至关重要。技术规定式中:M为法兰所受的弯矩;N为了便于工程计算,将螺栓拉压分界线与受压区合力作用线合二为一,即技术规定公式中的旋转轴y式(3)即为技术规定中圆形刚性法兰在弯矩作用下的螺栓轴力计算公式。现行技术规定2试验总结2.1法兰节点及试件本文工程背景为某500kV双回路输电线路的双杆直线钢管杆,图3a为下横担处主杆连接横梁的方形法兰节点,支管(横梁)为方形断面(图3b),主管为跑道形断面(图3c),各边均布5道20×200加劲肋板(图3b)。取该法兰节点为第1组足尺试件,记为试件J1,法兰设计有较大裕度,试验目的是检验工程设计的可靠性;第2组为缩尺试件,主要研究法兰受力性能,为连接方便,主管规格不变,法兰及支管按缩尺比为1∶1.25设计,法兰设计无裕度,记为试件J2。试件具体参数见表1。每组试件数量为3个,3个试件试验结果基本相同,下文取其中1个试件的结果进行对比分析。2.2材料的材料力量主管和支管采用Q460C钢,制作3个试样进行材性试验,测得其屈服点最大值为526N/mm2.3法兰安装及螺栓安装本文中主要研究法兰在弯矩作用下的受力性能,故通过施加剪力对法兰产生弯矩作用。由于设计荷载较大,为避免单点加载导致支管端部局部破坏以及变形较大时加载位置错动,采用同步加载系统的并排2个2000kN的液压千斤顶在支管端部施加竖向力(图5a),即为剪力V,剪力乘以力臂即为法兰所受弯矩M。主管通过塔脚法兰固定在底座上,底座则通过地脚螺栓固定在试验台座上(图5b)。法兰连接螺栓为8.8级普通螺栓,按照工程实际,在试验加载前对螺栓施加了初始扭矩,M42螺栓初始扭矩为1047N·m,M33螺栓为600N·m。试验中采用分级加载,每级加载设计荷载的10%,超过设计荷载后每级加载设计荷载的5%,每级加载后持荷10min,试件J1加载至设计荷载的140%时停止加载,试件J2加载至设计荷载的110%时停止加载。2.4图1:“小样本”图2采用应变花测量法兰板和肋板的应变,测点布置见图6a。每个螺栓布置2个应变测点,将2个单向应变片对应地贴于螺杆的光滑处,取其平均值即为每个螺杆的平均应变,螺栓测点布置见图6b。2.5规范荷载对规范安装的规范试件J1因为设计裕度较大,加载至140%设计荷载时未发生破坏,在设计荷载作用下各测点均处于弹性工作状态,在加载过程中主管和支管没有发生脆性断裂,焊缝也没有裂纹。法兰盘错动较为明显,设计荷载下,错动位移约为3mm,法兰板在拆卸之后没有明显塑性变形,受压区有刮擦痕迹(图7)。试件J2在设计荷载下方形法兰与主管连接处变形较大,支管整体发生转动,随着荷载的增大,变形继续增大。当加载至110%设计荷载时,主管上部出现明显凹陷,下部凸出(图8a),法兰与主管连接的肋板破坏(图8b),受压肋板发生屈曲(图8c),受拉肋板裂开(图8d),加载停止。产生上述破坏现象是由于肋板与主管连接尺寸偏小、主管变形较大所致。同时,法兰盘错动较为明显(图8e),设计荷载下,错动位移约为5mm;加载至110%设计荷载时,最大错动8mm。法兰板拆卸之后没有明显塑性变形,受压区有刮擦痕迹。3规范组合的接触利用ANSYS有限元分析软件对方形法兰进行非线性有限元分析,采用三维实体单元SOLID45模拟支管、法兰板、肋板及螺栓,3D接触对单元(CONTA174和TARGE170)模拟螺母、螺帽与法兰之间的接触、上下法兰板间的接触和螺杆与螺孔之间的接触。建立了2个有限元分析模型,记为FJ1和FJ2,分别对应模型试验的2组试件为J1、J2,有限元分析模型的参数和试件相同(但没有包含主管)。计算模型如图9所示(为简化建模,用矩形肋板代替切角肋板)。材料模型采用双线性随动强化模型,vonMises屈服准则,泊松比ν=0.3,弹性模量E=2.06×104主要结果和分析4.1法兰氏板的力分析4.1.1法兰板开口间隙试验现场用塞尺量测出两组试件的法兰板受拉区边缘已完全张开,说明法兰板刚度较大,拉区不存在撬力。图10为模型FJ1法兰板的接触分析结果,可以看出,法兰板受压区处于接触状态,受拉区已经完全张开(图10a),与试验相符。图10b为法兰板张开的间隙云图(张开距离d负号为张开),张开距离d近似为线性分布,等值线呈斜向,表明法兰板内侧张开间隙大、外侧张开间隙小。模型FJ2的有限元分析结果类似。可见,因为加劲肋板的作用,法兰板整体刚度较大,平面外变形较小。因此,在理论计算时,法兰板受拉区不存在撬力的假定是正确的。4.1.2有限元分析验证试验测得的试件J2法兰板拉、压区应力如图11所示,可以看出,法兰板应力由受拉区控制。有限元分析也得到了同样的结论(图12)。对比试验(图11)和有限元分析(图12b)可以看出,方形法兰的法兰板在设计荷载下,处于弹性工作状态;在加载至130%设计荷载时,局部应力达到屈服应力,表明按现行规范计算方形法兰的法兰板是安全的。4.2模型fj2有限元分析结果图13是试件J1在整个试验加载过程中肋板的应力变化,拉区肋板的应力大于压区肋板,表明肋板的设计由拉区控制,且处于弹性工作状态,工程设计也是安全可靠的。试验中试件J2的肋板虽然发生了破坏,这是因为与主管相连的肋板连接尺寸偏小,肋板需要将支管所受的弯矩传递给主管,受力较大,此处的肋板与方形法兰肋板的实际受力不同,另一侧与方管相连的两边自由的肋板才是计算模型法兰肋板(图8b),其在试验中并没有发生塑性变形。模型FJ2有限元分析结果见图14,可以看出,在设计荷载作用下,肋板处于弹性工作状态,只有与钢管壁相连处有应力集中;当加载至130%设计荷载时,肋板局部区域出现屈服,同时与管壁连接处的应力集中范围也变大。可见,按现行规范设计方形法兰的肋板是安全的。而在方形法兰与跑道形主管相连处,是较为薄弱的连接区域,由于主管管壁局部刚度不足,变形较大,肋板易出现局部屈曲与拉裂,工程设计中应该加以注意。4.3螺母压力分析4.3.1截面初始应力通过扭矩试验测出螺栓经过预紧之后的毛截面初始应力,将试验测得的应变转换成有效截面的应力,其转换关系为式中:σ为螺栓有效截面应力;σ根据技术规定4.3.2试件j1最大受拉螺栓荷载-应力关系在试验中监测到,方形法兰的螺栓处于拉弯工作状态。图16是试件J1最大受拉螺栓的荷载-应力曲线。可见,螺杆存在弯曲变形,靠近钢管侧受拉,远离钢管侧受压,整体处于拉弯状态。有限元分析结果(图17)同样表明螺栓受力为拉弯状态。4.3.3螺栓群拉压科学试件J1螺栓群的荷载-应力曲线见图18(应力为螺栓2个测点平均值),模型FJ1的有限元分析结果见图19。可以看出,在整个加载过程中,距离受压区越远,螺栓受力越大,最大的受力螺栓是7号螺栓,而第1排和第2排螺栓基本不受力,第3排螺栓处于较低应力水平。因此推断出螺栓群的拉压分界线在第2排和第3排螺栓之间,这与法兰板的接触状态是相互吻合的。试件J2的分析也显示了类似的结果。4.3.4螺栓应力检测图20是模型FJ1、FJ2在设计荷载作用下的最大受力螺栓(7号)螺杆表面的有效应力及横截面上有效应力对比,其中图20a中的x为图20b、20c中的横坐标。可见,螺杆表面的平均应力值是波动的,而螺杆每一横截面上的轴力较为稳定,比表面结果偏高。将两组试件的试验结果与有限元结果进行对比,如表2所示。若以表面结果(σ图21是各个位置的螺栓应力对比。可见,按规范计算的轴力低于最大受力螺杆的实际轴力。结合表2可以看出,对于最大受力螺栓来说,试验值和有限元分析值都已经超过了理论值1,即规范值。上文分析也表明,螺杆处于拉弯复杂应力状态,因此现行规范将旋转轴定于钢管外壁处是不安全的。即使将旋转轴定为第2排螺栓中心线(即旋转轴2),最大受拉螺栓轴力会增大20%,但仍然低于有限元分析结果。4.3.5螺栓受压刚度按规范计算假定,对于刚性法兰,螺栓受力与其到螺栓群拉压分界线的距离成正比,即6号、7号、8号螺栓有同样的轴力值。但是有限元分析和试验结果表明,6号和8号螺栓比7号螺栓受力偏小。法兰板刚度不均匀是单个螺栓受力偏大的主要原因。法兰板刚度较大的区域,螺栓受力较大;刚度不足的区域,螺栓分配不到同等的内力,不能发挥出应有的承载力。因此,正是部分螺栓代替其他螺栓承担了“多余”的轴力,才使其应力超出规范值较多。实际上,若采用底排螺栓应力均值(σ5螺栓群旋转轴的确定通过以上分析可知,若方形法兰底排螺栓受力均匀,则将螺栓群旋转轴定于第2排螺栓中心线是合适的。鉴于此,提出两种增强法兰板刚度均匀性的措施,分别讨论如下。5.1螺栓受力的影响为了提高法兰板刚度,通过逐步增加法兰板厚度的有限元分析表明,随着法兰板厚度的增加,螺栓受力逐渐均匀,最大受力螺栓轴向应力逐渐减小,最后低于理论值2。但此时,模型FJ1的法兰板厚度增大至初始厚度的1.9倍,模型FJ2的法兰板厚度增大至初始厚度的1.4倍,可见增大法兰板厚度太浪费材料,不是一种经济的方法。5.2螺栓受力有限元分析在不改变法兰板厚度的条件下,调整螺栓布置方式。在底排螺栓中,角部区域法兰板是两边支承板,相比于其他的三边支承板,该区域法兰板刚度明显不足,故去掉角部螺栓,将法兰板修改为三角形,同时为了增加钢管翼缘平面外的刚度,在钢管上下翼缘板件中间设置通长加劲肋,如图22所示。有限元分析结果见图23、24。可以看出,该方案可以有效地使底排螺栓受力趋于均匀,且均小于理论值2。从螺栓群受力来看,部分螺栓的应力超过理论值1,但是都没有超过理论值2。因此,以旋转轴2来计算方形法兰在弯矩作用下的螺栓轴力是安全的。从以上分析可以看出,方形法兰的螺栓受力有不同于圆形法兰的特点。在圆形刚性法兰中,法兰板刚度较为均匀,距离螺栓群拉压分界线越远,螺栓受力越大。在方形刚性法兰中,螺栓的位置及其所对应的法兰板刚度都会影响螺栓受力的大小。因此,对于方形法兰的工程设计,在沿用圆形法兰计算方法时应该注意采取有效措施,提高法兰板刚度的均匀性,而将法兰螺栓群的旋转轴定义为旋转轴2是偏于安全。6规范中的法兰安装1)对于方形法兰节点,在方形法兰与跑道形主管相连处是较为薄弱的连接区域,工程设计时应注意加大肋板与主管的连接尺寸。2)弯剪作用下,方形法兰的法兰板受压区接触,受拉区分离,不存在撬力;距离受压区越远,法兰张开距离越大,近似成线性分布。按现行规范设计方形法兰的法兰板、肋板是安全的。3)螺杆并不是轴心受拉,而是处于拉弯