大跨钢管塔内外双圈法兰节点设计

大跨钢管塔内外双圈法兰节点设计

0主管内外侧连接螺栓及加劲肋的连接该钢塔具有承受风荷载的小系数、易安装等优点。因此，在选择输电线塔的技术和经济方面，该钢塔具有明显的优势。内外法兰连接如图1所示,与传统刚性法兰相比,新型法兰在主管内外侧均布置一圈连接螺栓及加劲肋,即内外均为刚性法兰,内外侧均布置连接螺栓传递轴拉力,使主管受力更加均匀。因此,采用内外法兰连接形式能有效减小螺栓规格、法兰板厚度及加劲肋尺寸目前,针对内外法兰的相关研究成果相对较少。邓洪洲等对内外法兰进行轴拉试验,得到了内外圈螺栓轴拉力比值并进行有限元参数分析,建议设计时内外圈拉力比值统一取1.0本文模拟实际偏压受力工况研究偏压荷载下内外法兰承载力特性,探讨内外法兰截面的中和轴、旋转轴位置及内外螺栓内力分布规律,拟建立大偏压荷载作用下内外法兰强度计算理论和设计方法。1试验总结1.1内外法兰截面的分析某工程大跨越塔钢管主材内部填充混凝土,从而确保主管在实际受力状态下不发生屈服。为最大程度贴近结构实际受力特点,在主管保持弹性的前提下,重点研究内外法兰截面的中和轴、旋转轴位置及内外螺栓内力分布规律。因此,基于“强主管,弱螺栓”的设计理念,设计了与内外法兰原型节点相对应的法兰缩尺模型。内外法兰试件的尺寸参数如表1所示。1.2环向支撑体系加载内外双圈法兰偏压承载力试验加载装置如图2所示,将方钢管组成的环向支撑体系倒置,内外双圈法兰的上下端分别通过螺栓与分配梁相连在由方钢管组成的环向支撑体系上,形成加载体系。试验机加载端通过箱梁将力传到上分配梁,调节加载端中心与法兰中心的距离,达到预定偏心距的偏压加载。1.3测试方案1.3.1位移测量点的配置如图3a所示,通过布置3个测点监测法兰压弯过程中上下法兰盘间的张开量,间接反映加载过程中法兰盘面的接触特性。1.3.2钢管应变应力应放线应力测点主要分布在以下3个区域,如图3b、图3c所示。一是在钢管外壁纵向布置应变片,量测加载过程中钢管应变发展。二是在加劲肋关键部位布置应变片,测量加劲肋的拉应变。三是在光滑螺杆处对称布置两个应变片,并取两侧应变均值作为螺栓轴向拉应变。为将应变片的数据线引出,在螺帽上对称位置打孔,螺栓开孔及螺杆应变片布置如图4所示。2内部和外部法的压力载荷试验2.1螺栓施加扭矩按照输电线路钢管塔工程施工要求,试验前通过扭矩扳手给高强螺栓施加规定的预紧力,其中对6.8级M16螺栓施加扭矩为110N·m。在正式加载之前需要进行预加载,加载到设计荷载的10%后停止3min,检查加载及测试系统是否正常;正式加载时采用力控制,分级加载至螺栓破坏。每级荷载均测试并记录各典型部位测点的位置应变和位移,用于分析法兰连接节点的传力及变形特征。2.2偏心距对法兰破坏特点的影响试验测得内外法兰的法兰板张开量-荷载关系曲线如图5所示,随着弯矩增大,受拉区上下法兰板间逐渐相互张开;最大受力螺栓处张开量3(图5)发展迅速,张开现象明显。随着偏压荷载的继续增大,不同偏心距下的法兰破坏模式呈现出不同的形式。不同偏心距下偏压受力内外法兰的失效特点如表2、图6所示,当偏心距不大时,加载临近结束前,法兰板张开量增长缓慢,其破坏模式表现为钢管受压区局部失稳;当偏心距较大时,加载临近结束前,最大受力螺栓处张开量达到2.18mm,螺栓发生颈缩破坏,继而整个法兰节点发生失效破坏。另外,法兰板、肋板及焊缝均未发生明显的变形。3试验结果3.1规范偏压荷载作用下的法兰应力基于试验得到螺栓应变的发展情况,分析得到法兰中和轴及旋转轴位置关系如图7所示。小偏压荷载作用下,内外法兰钢管应变随着荷载增大的变化曲线如图8a所示,当荷载较小时,钢管截面压应变基本呈线性增长趋势。应变片布置在中心线以上受压区且测点值均为负值,由此推得法兰中和轴位于中心线以下,即法兰所受合力作用点在法兰的另一侧;随着偏压荷载的继续增大,钢管出现屈服应变,发生屈服。大偏压荷载作用下,内外法兰钢管应变随着荷载增大的变化曲线如图8b所示,当荷载较小时,中心线以上应变测点值均为负值,说明此时法兰中和轴位于中心线以下。随着偏压荷载的逐渐增大,中和轴位置向受压侧偏移;在荷载达到840.0kN时,法兰中心线位置处的钢管测点S1和S8的应变由压应变转为拉应变,此时中和轴位置与中心线重合并随荷载增大进一步上移。基于法兰面满足平截面的基本假定,由钢管应变所确定的法兰中和轴离中心线的高度如图9所示(中心线上方为正),随着偏压荷载的增大,中和轴位置逐渐偏向法兰板受压区,略大于中心线。3.2螺栓附加弯矩作用试验测得偏压法兰受拉区内外螺栓测点应变-荷载曲线如图10、图11所示。加载过程中,螺栓应变发展较为迅速,且螺栓两侧应变值不一致,说明螺栓不仅受到拉力作用,还承担一定的附加弯矩作用。如最大受力外螺栓测点B13和B14为同一颗螺栓上对称两测点,B14为靠近钢管壁测点,B13为远离钢管壁测点,且前者应变值大于后者。另外,外侧螺栓应变发展比内侧螺栓的快且距法兰中心线越远,拉区螺栓的拉应变越大,拉力越大。偏压加载结束后,螺栓拉应变超过其屈服应变并接近极限应变,这与试验加载结束后螺栓发生明显的颈缩变形一致。3.3螺栓群旋转轴旋转时螺栓的拉力计算公式针对传统刚性法兰,多部规范所给出旋转轴位置计算方法基本一致。以DL/T5254—2010《架空输电线路钢管塔设计技术规定》为例,对于刚性法兰受纯弯荷载时,取管外壁切线为旋转轴。如图12所示,对于内外法兰,其螺栓拉力的计算可以借鉴传统刚性法兰螺栓拉力计算模型。根据试验测得的最大受力螺栓的拉力,依照最大受力螺栓的拉力计算式,通过多次迭代计算,反推螺栓群旋转轴位置。螺栓群绕旋转轴旋转时,最大受力螺栓的拉力由对旋转轴的力矩平衡求解得到:式中:M为法兰所受的弯矩;N为法兰所受的轴力;y为旋转轴到钢管中心的距离;y外圈螺栓到旋转轴位置满足:式中:k为比例系数。因此有:式中:N由式(3)即可解得旋转轴到钢管中心的距离y。偏压试验得到的法兰旋转轴位置如表3所示,可知,不同偏心距下的旋转轴位置分别处于偏离管中心0.68R(e=2R)、0.64R(e=3.3R)处(R为主管半径)。4螺栓抗压强度基于上述内外法兰缩尺模型的偏压承载力试验及理论分析,可以得到如下主要结论:1)不同偏心距作用下的内外法兰偏压试验的破坏模式不同,小偏压荷载作用下为钢管局部失稳;大偏压下为螺栓颈缩破坏。2)偏压加载过程中,外圈螺栓受力大于内圈;离法兰截面中心线越远,螺栓拉力越大。连接螺栓达到设计承载力后,可以继续承担