钢管结构法兰连接节点抗弯承载性能试验研究

钢管结构法兰连接节点抗弯承载性能试验研究

作为一种常见的佛教结合形式，法国化合物具有安装方便、快速、外形美观、施工速度快、施工清洁等优点，深受设计师喜爱。常见的拉弯操作是拉曲线结合的。过去，许多科学家在轴承拉张效应的性能方面研究了法国连接节点的轴张力性能。然而，关于法国连接节点在弯头上的载荷性能研究很少。本研究采用实验方法，研究法国连接节点的抗弯负荷性能，并通过螺钉变形测量装置获得节点弯过程中螺钉力的试验值，以验证法国连接节点在拉张过程中的张力作用，并将金元计算与该过程进行比较，为法国连接节点的抗弯设计提供实验依据。1试验计划1.1节点尺寸选择法兰盘连接节点根据有无加劲肋,分为刚性法兰连接和柔性法兰连接,又根据管件几何形状不同,分为方管法兰连接和圆管法兰连接.组合起来共4种基本形式.本文根据这4种基本形式,各选取一个试件进行试验,其截面形状和各相关尺寸如图1所示.为了研究法兰连接节点的抗弯承载特性,设计试验使试件节点处发生破坏,故节点尺寸选择以工程经验和已进行的相关试验为依据,并选择相对偏小值.对于无加劲肋的试件,法兰板厚度在16～22mm之间选取;对于有加劲肋的试件,其法兰板厚度小于无加劲肋的试件,肋板厚与管件壁厚相近,在此均取为6mm.试件尺寸见表1.为了考虑2种常见材质的钢管及法兰盘组合后,由于材质问题对节点承载性能的影响,特按照表1给出的选材方式进行选材加工.法兰盘与管件采用对接焊缝连接,在试验及相关有限元计算中不考虑焊缝因素的影响.试件照片见图2.1.2千斤顶加载方案本试验采用四点弯加载方式,使法兰节点处于纯弯段.采用2个60t千斤顶,分别在距梁端1/4梁长(500mm)的位置处加载.两千斤顶使用同一油路,加载时可实现同步加载.加载方案示意及加载现场照片如图3(a)～(d)所示.1.3测量方案1.3.1变形布置的布置为了得到试件整体荷载-位移曲线,在法兰节点两侧50mm处、加载点处对称布置量程为100mm的位移计,并为消除支座变形的影响,在支座处布置±5mm的导杆引伸计.位移计布置见图3.1.3.2螺栓和开槽螺栓量测装置测点主要分布在以下3个区域:一是在钢管受拉和受压侧,分别监测试验过程中受拉区焊缝附近的应变是否过大和受压区是否存在屈曲问题.图3(a)和(b)给出了钢管(tube)上的测点分布,以t开头编号.二是布置在法兰盘可能出现弯曲的位置,测量法兰盘平面内的应变.三是为了研究撬力作用的影响,采用螺栓应变测量装置(以下简称开槽螺栓),测量螺栓杆的受力状态.开槽螺栓如图4所示.法兰盘测点和螺栓测点布置如图1所示[编号以p开头的为法兰盘(Plate)测点,以B开头的为螺栓(Bolt)测点].量测时,为消除温度对应变片数据采集的影响,设置温度补偿片.螺栓的温度补偿片选取本试验所有开槽螺栓中阻值为中值的螺栓.2材料力学性能根据《金属材料室温拉伸试验方法》,通过机加工方式,利用试件加工余料制备相应的材性试件.每种典型材料各取3个材性试件.采用100t万能试验机对材性试件进行单向轴拉试验.由于受到试验条件限制,只能够在厚度小于10mm的板件上布置引伸计,得到板件材料力学性能全曲线.对于超过10mm的板件,本试验在试件中部对称布置应变片,根据荷载与构件截面积换算为截面应力,得到材料的应力-应变曲线如图5所示.t=10mm厚法兰板的材性数据根据加工厂提供的材性试验报告选取.依照钢结构设计规范,厚度小于等于16mm的板材强度设计值相同,故近似取t=16mm厚法兰板材性数据与t=10mm厚法兰板相同.因此得到试验材料的力学性能见表2.3试验过程和试验结果3.1加载阶段表现1)螺栓预紧:对各螺栓施加大小为360N·m的扭矩,测量螺检应变;2)连接余下的所有采集线,并对第一步结果初始化;3)千斤顶从零施加至4kN,为预加载阶段,预加载过程使试件各部分接触良好,进入正常工作状态,荷载与变形关系趋于稳定;4)先将荷载卸载到零,再施加标准荷载,即弹性段采用力加载,平台段采用位移加载.3.1.1柔性法兰连接1)圆管柔性法兰连接节点:在螺栓预紧阶段,螺栓平均应变为1690个微应变,对应预紧力为109.4kN.在标准加载过程中,千斤顶加载至约165kN时,荷载-位移曲线表现出明显的刚度减小现象,位移计2和3的平均挠度相应为18.6mm.当千斤顶加载至200.9kN时,法兰盘与管件连接的焊缝断裂,节点发生脆性破坏,最大挠度为42.9mm.最终破坏如图6所示.2)方管柔性法兰连接节点:在螺栓预紧阶段,螺栓平均应变为1810个微应变,对应预紧力为117.1kN.在标准加载过程中,荷载-位移曲线呈现相对明显的非线性特征.当千斤顶加载至247.7kN时,法兰盘与管件连接的焊缝断裂,节点发生脆性破坏,最大挠度为26.1mm,荷载-位移曲线未出现稳定的平台段.最终破坏如图7所示.3.1.2刚性法兰连接1)圆管刚性法兰连接节点:在螺栓预紧阶段,螺栓平均应变为2163个微应变,对应预紧力为140kN.在标准加载过程中,千斤顶加载至191.4kN时,荷载-位移曲线出现明显的拐点,位移计2和3的平均挠度相应为19.6mm.当千斤顶加载至240kN时,受拉区的法兰盘在带肋处明显张开,约10mm.继续加载,荷载不再继续增加,最终跨中挠度近100mm,达到位移计2和3的量程[如图8(a)所示].卸载之后,法兰盘仍然张开8mm左右,存在明显的残余变形,表明法兰盘大部分受拉区已经进入塑性[如图8(b)所示].2)方管法兰连接节点:在螺栓预紧阶段,螺栓平均应变为2163个微应变,对应预紧力为140kN.进行标准加载,构件响应与刚性圆管法兰连接节点相似.千斤顶加载至195.7kN时,对应位移计2和3的平均挠度为12.81mm,法兰板略微张开.当千斤顶加载至238.6kN时,法兰盘端部张开约10mm,出现明显的塑性变形[如图9(a)所示],此时挠度为24.8mm.再继续加载,荷载读数略有下降,受压区应变迅速增大,钢管右侧受压区出现局部屈曲[如图9(b)所示],停止加载.3.2节点钢管拉压两侧应变规律整理4种节点形式的试验数据,得到4种形式的节点的荷载-位移曲线(如图10所示).由此可得构件的屈服弯矩和极限弯矩值.国内外有许多不同的确定屈服荷载和极限荷载的方法.本文按如下原则选取:对于有明显拐点的荷载-位移曲线,选择拐点对应的荷载值为屈服弯矩;对于非线性较强的荷载-位移曲线,采用双切线法确定[如图10(c)所示].对于极限荷载,统一选择试验过程中能够加到的最大荷载值.最终所得的屈服弯矩和极限弯矩值见表3.随着千斤顶荷载增加,4种节点钢管拉压两侧的应变变化规律如图11所示;在节点受弯过程中,受拉区拉力最大的螺栓的应变变化规律如图12所示.4试验结果的分析4.1延性由图11荷载-应变曲线,可以结合试件最终的破坏模式进行分析:对于柔性法兰连接节点,最终发生焊缝断裂.究其原因,主要有以下两方面:一是焊缝附近热影响区影响较明显,降低了附件管材的延性;二是一定程度上需归咎于工厂的焊接质量不高.尤其是圆管法兰连接节点试件,其受拉区应变增长到1500个微应变左右时,就已停滞不前.这表明荷载水平较低时,焊接处已经出现了微裂纹.但是由4.2节分析可知,试验过程中柔性法兰连接节点的螺栓已经进入屈服,可以作为节点失效的标志,即最终达到了“节点破坏”的试验预期.对于刚性法兰连接节点,最终法兰板变形过大,节点失效,符合试验设计的预期,即外力做功主要在节点处释放能量,而并没有集中在钢管受拉侧或受压侧.因此,节点在整个加载过程中,钢管上拉压两侧的应变水平基本相当.4.2规范线与参考线之间的差值由图12荷载-应变曲线,可以得到实际螺栓所受的拉力值.图13给出了受拉侧距中和轴最远的螺栓的拉力随荷载的变化规律.螺栓力变化曲线与参考线之间的差值即为撬力(图示以Q表示)的大小.从图中,可以得到以下结论:1)本实验中,在千斤顶加载至屈服荷载时,螺栓均已进入屈服状态,即其应变大于4000个微应变.对于工程设计而言,已可以作为节点设计失效的标志.2)在法兰连接节点受拉区,存在明显的撬力作用,一定程度上降低了节点的受弯承载性能.3)试验表明,刚性法兰节点仍存在一定水平的撬力作用,但相对于柔性法兰节点明显减小.4.3节点的极限弯矩与屈服弯矩由表3所列试验结果,可以得到以下结论:1)法兰连接节点的极限弯矩与屈服弯矩的比值约在1.2左右.2)刚性法兰连接节点的比值略小于柔性法兰连接节点,这是由于加劲肋的使用,一定程度地提高了构件的屈服荷载.5过预紧单元试验利用有限元计算软件ANSYS,对试验节点进行数值计算.钢管和高强螺栓采用20节点实体单元solid95模拟,法兰板采用10节点实体单元solid92模拟,通过预紧单元PREST179模拟高强螺栓的预紧力.为了准确考虑撬力作用的影响,使用接触单元target170和contact174,在法兰板之间、高强螺栓螺帽、螺母和法兰板之间以及螺杆和螺栓孔壁之间建立接触面,摩擦因数按照实际处理方法选取.图10已将有限元计算得到的荷载-位移曲线与试验结果进行比较,取节点极限荷载的有限元分析和试验结果列于表4,计算相对误差.从表4可知,有限元分析结果与试验结果基本相符,平均误差不超过10%,验证了有限元数值模拟的适用性和有限元模型的可靠性.6有限元模型验证1)本文通过试验方法,获得了4种法兰连接节点形式的典型试件的屈服荷载和极限荷载,并得到了整体的弯矩-挠度曲线.2)借助ANSYS有限元分析软件,建立有限元模型对法兰连接节点抗弯承载试验进行数值模拟.有限元分析结果与试验结果基本相符,验证了有限元模型的可靠性.3)法兰连接节点的极限弯矩与屈服弯矩的比值约在1.2左右,刚性法兰连接节点的比值略小于柔性法兰连接节点.4)在法兰连接节点承受弯矩时,受拉区将产生明显的撬力作用,刚性法兰节点的撬力作