新型内外双层法兰抗弯性能试验研究

新型内外双层法兰抗弯性能试验研究

1节点抗弯性能多孔夹混凝土具有良好的力学性能，在土木工程中得到了广泛应用。刚性法兰结构的出现促进了法兰的工程应用,目前的大部分研究认为在确定抗弯承载力时可采用旋转轴来进行法兰螺栓拉力的计算。对于电力杆塔的设计,《规定》也采用了该方法。高湛等对刚性法兰进行了有限元分析,认为受弯时的中和轴在0.6R(R为外钢管半径)的位置大跨越钢管铁塔的发展使得主材直径越来越大,而适合大直径钢管结构的法兰节点结构大部分表现为双层法兰形式,即法兰有内、外两个法兰盘。邓洪洲等通过对单钢管双层法兰进行拉、压试验,受压时的破坏为钢管屈曲,而受拉时则为螺栓破坏(螺栓螺纹发生滑丝);他们还通过有限元分析发现,拉、压状态下的内、外法兰螺栓拉力之比在1.0左右本文针对中空夹层钢管混凝土刚性双层法兰,通过试验对该类型节点的抗弯性能进行相关研究。试验中采用四点弯的加载方式,实现了纯弯荷载的施加。通过布置应变和位移测点,对法兰的受弯性能、张开位移分布规律、中和轴位置、旋转轴位置进行了试验研究,获得了可指导工程实践的重要研究结论。2法兰试件的材料、结构及加载形式图1给出了试验中采用的法兰节点的构造及尺寸。内、外钢管均采用壁厚为12mm的Q345钢管。在内外钢管之间采用构造的定位板保证内、外钢管的同心要求。定位板设置在试件的4个截面位置处,分别为近法兰板处和近端部处。定位板为厚6mm方形钢板,每个截面位置处均对称布置4块,板平面平行于钢管母线,两对边分别焊于内、外钢管壁,另两对边的延长线通过钢管圆心。外钢管直径为800mm,内钢管直径为600mm,定位板固定好后焊接内、外法兰盘和加劲板。与实际施工工艺一致,首先采用螺栓连接两段中空夹层钢管混凝土的内、外法兰盘,然后再在内、外钢管中间填充C30的细石混凝土,以保证在法兰连接处混凝土的连续性。由于螺栓是反映法兰抗弯承载能力的关键构件,因此在法兰试件设计中,采用了弱螺栓、强法兰的结构设计理念。为了使得问题纯粹化,即在研究抗弯时尽量保证法兰节点中不出现剪力和轴力,试验时采用了如图2所示的四点弯加载形式。即对整个试件采用简支约束体系,然后在法兰节点两外侧施加相等的力,这两个加载的力采用分配梁来实现,从而实现法兰的纯弯加载。为防止钢管受集中应力影响而破坏,加载位置采用3个环板来实现集中力的传递,同时两加载点之间相距1.8倍外钢管直径,以消除端部效应。法兰构件中采用的连接螺栓为4.8级M20普通螺栓。螺栓本构关系中一般没有明显的屈服平台,可采用三折线线性模型描述:式中:ε根据试验数据推出三线性本构关系的参数建议值,见表1。法兰的钢管、肋板及法兰板则适合采用四线性模型,即:式中:ε法兰各个组件的材性试验结果见表2。对留样试件进行混凝土强度及棱柱体抗压试验的结果表明,其本构关系为:式中:σ采用位移和应变测试来研究法兰节点的受弯特性。如图3a所示,布置了3个测点来测试节点受弯时左、右法兰盘之间的相对位移,从而间接地反映左右两个法兰截面的接触特征。法兰结构中的螺栓是关键的受力构件,因此需对内、外法兰螺栓的变形及内力分布特征进行观测分析。图3b给出了布置有应变测点的螺栓的位置。这些螺栓上的应变测点均为量测螺栓纵向的应变,且成对布置,实现方法与文献[15]一致。如图3c所示,绕截面一周,布置了顺着中空夹层钢管混凝土杆件纵向的应变片,这些应变片顺次布置在外钢管和外法兰的肋板上,应变测点离法兰板距离约为30mm。并且,肋板上的应变片为成对布置,分别布置在肋板两侧,以消除肋板局部弯曲的影响。3螺栓抗弯性能分析图4给出了法兰试件的左、右法兰盘之间的张开量随荷载增长的情况。由图4a可见,法兰的荷载位移曲线初始基本呈线性关系,该线性关系在法兰混凝土开裂前、后基本保持不变,说明混凝土所提供的拉力相较于螺栓可忽略不计。随着螺栓发生屈服,荷载-位移曲线的非线性特征明显,并最终使得螺栓拉断,试件发生破坏。在荷载较小时,法兰盘各测点的间隙值并不符合线性增长规律,随着荷载的增加,螺栓逐渐进入塑性,此时各测点的间隙值随高度变化接近于线性。这说明中空夹层钢管混凝土中混凝土开裂前,混凝土对变形的约束明显。混凝土开裂表现为从底部开始,并沿高度方向扩展,其开裂高度随着荷载的增加而增加。混凝土开裂导致法兰截面拉区的混凝土失效,截面拉力由螺栓承担。此后,随着荷载的继续增加,从底部螺栓开始,法兰截面受拉区的螺栓沿着高度方向将顺次进入屈服,相应地各测点位置量测到的张开量将趋于直线。当加载至1728kN,即法兰受到的弯矩为1685kN·m时,法兰试件发生了破坏,试件的最终破坏形态如图5所示。破坏时,底部螺栓拉断,法兰张开,混凝土露出,而法兰板本身及连接焊缝处未出现明显屈服或开裂现象。螺栓断裂的顺序,首先是底部螺栓,然后是其相邻的螺栓,螺栓的破坏形式均为发生颈缩的受拉破坏,螺栓破坏断面为45°斜面。法兰破坏形式说明了螺栓是影响法兰截面抗弯承载力的主要因素。图6给出了主管应变在截面高度方向上的分布情况。可知,当荷载较小时钢管截面应变基本呈线性变化。由于法兰截面的上半部分的部分螺栓进入了零应力状态,即由于法兰受弯引起的压区应力大于螺栓的预紧应力,则此时中和轴并不出现在截面的中间。如图7所示,中和轴略高于法兰截面中心线,离法兰截面中心线的距离约为外钢管半径的20%,即0.2R。为便于描述,将法兰截面中心线和钢管轴线组成的水平面定义为中面。该试验现象与文献[6]的研究结论较为一致,需要引起注意的是,随着法兰所受弯矩的增加,法兰截面受拉区的多个螺栓顺次进入了全截面屈服状态,法兰钢管截面的应变分布也随之发生了重分布。可以看出,法兰中面以上部分应力仍基本呈线性变化,而法兰中面以下的钢管应变分布则趋于均匀。这就说明法兰截面的上半部分仍存在弹性区域,而下半部分主要为螺栓受拉,因此其应力分布较为复杂。在法兰截面所受弯矩到达极限状态时,其应力分布也较为类似,但是应力最大的区域发生在了中面附近。图8给出了肋板应变在截面高度方向上的分布情况。与主管应变分布规律类似,法兰下半部分的肋板承受着由于螺栓拉力传过来的应力,而在法兰截面的上半部分则承受由于法兰盘的接触而传递到肋板截面的压应力。各个肋板的受力受到加工导致的法兰盘表面不平整的影响,部分肋板受力偏小。由图8可见,法兰顶部肋板受到的压力并不大,而下一个节间的肋板则受到较大的应力。不考虑顶部肋板,则肋板应力分布显示的弹性区域与钢管应力分布显示的弹性区域基本相近,从中面往下250mm获得的界面为弹性区域的下限界面。与钢管应力分布所给出的结果一致。当法兰所受弯矩到达极限状态时,其应力最大的区域也发生在中面附近。另外,从图8还可看出,肋板拉应力较大处与内钢管底部螺栓基本位于同一水平高度处。这说明内钢管螺栓拉力中的一部分通过混凝土传递到了外钢管,导致该位置处的应力水平提高。而当法兰截面所受弯矩到达极限荷载(1685kN·m)时,由于底部螺栓接近于颈缩破坏,底部螺栓所提供的拉力下降,因此底部肋板的应力反而下降。与图6所示的外钢管的应变分布变化规律类似。由外钢管和外肋板应变所确定的截面中和轴离法兰中面的高度如图9所示。可看出,两者所得中和轴位置基本一致,并且表现出了相同的变化规律。即截面所承受弯矩并不大时,其中和轴位置基本保持不变;当截面弯矩到达一定值时,中和轴出现上移的情形,这是由于下部螺栓顺次受拉屈服所致,只有当发生屈服的螺栓的数量较多时才会引起中和轴位置的较大变化。图10给出了内、外法兰螺栓变形随高度的分布与弯矩之间的变化关系。随着弯矩的增加,由于预紧力的存在,法兰受压区的外法兰螺栓仍会出现一定的压应变,但当该压应变和预紧产生拉应变抵消后,该螺栓将不再受力。法拉受拉区的内、外法兰螺栓的变形则随着弯矩的增加而增加。法兰拉区的螺栓发生屈服之前,外法兰螺栓的变形随高度分布接近线性,而内法兰螺栓变形的分布并不呈线性,但是内、外法兰的螺栓均表现出越远离中和轴则变形越大的特点。从整个变形发展的情况看,当荷载接近某一临界荷载时,外法兰底部螺栓首先出现屈服,其后各个螺栓顺次出现屈服。内、外法兰对应的该临界荷载是不同的,对应于外法兰螺栓的临界荷载约为400kN·m,对应于内法兰螺栓的临界荷载则约为850kN·m,这是由于内、外法兰底部螺栓的高度不同而引起的。根据《规定》所给出的法兰计算公式,纯弯时有:式中:N此时要求N式中:因此有:据此得到的图11给出了根据本文试验结果和式(8)获得的旋转轴变化曲线。旋转轴在荷载小于850kN·m时基本保持不变,荷载较大时旋转轴位置不断上移。这是由于荷载增加了,但螺栓达到屈服状态而保持拉力基本不变的原因。试验表明,极限承载力为第一个螺栓出现屈服时的承载力的1.8倍左右。而试验结果获得的旋转轴距中面距离为300mm,略小于《规定》建议的钢管直径的80%,即320mm。由此可见,当以底部螺栓屈服作为弯矩承载力设计选用条件时,中空夹层钢管混凝土法兰承载力计算时若简单套用《规定》建议的旋转轴,会使计算得到的承载力偏大,偏于不安全。研究还表明,旋转轴和中和轴的位置相差甚远,表现为中和轴离中面的高度远小于旋转轴离中面的高度。所以若将中和轴视为旋转轴计算螺栓拉力时,则根据《规定》的方法所计算得到的法兰抗弯承载力将偏小许多。这虽然偏于安全,但并不是一种妥当的做法。4法兰螺栓的屈服分析1)在肋板及法兰板未出现破坏的条件下,法兰的抗弯承载力主要由螺栓受拉承担,相应的破坏形式为法兰螺栓发生颈缩拉伸破坏。混凝土所提供的拉力相对较小,其开裂对法兰的承载力影响较小。2)通过钢管及肋板的应变随高度的分布还可推算出法兰在受弯时的中和轴位置,两者推算出的中和轴位置较为一致,中和轴位置为高于法兰截面中心线外钢管半径的20%。对应变分布特征的分析表明,法兰受弯时存在一个弹性区域,这间接说明了在推算刚性双层法兰受弯承载力时采用平截面假定具有一定的合理性。试验结果还表明,发生屈服的螺栓数量未达到一定量值时,中和轴位置变化较小。法兰在极限状态下的中和轴位置会大大提高。3)外法兰螺栓早于内法兰螺栓进入屈服。外法兰受拉区螺栓的变形基本呈线性分布,而内法兰受拉区螺栓变形的线性分布特征并不明显,但两者均表现出距中面越