大跨鋼管塔內(nèi)外雙圈法蘭節(jié)點(diǎn)設(shè)計

大跨鋼管塔內(nèi)外雙圈法蘭節(jié)點(diǎn)設(shè)計

0主管內(nèi)外側(cè)連接螺栓及加勁肋的連接該鋼塔具有承受風(fēng)荷載的小系數(shù)、易安裝等優(yōu)點(diǎn)。因此，在選擇輸電線塔的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面，該鋼塔具有明顯的優(yōu)勢。內(nèi)外法蘭連接如圖1所示,與傳統(tǒng)剛性法蘭相比,新型法蘭在主管內(nèi)外側(cè)均布置一圈連接螺栓及加勁肋,即內(nèi)外均為剛性法蘭,內(nèi)外側(cè)均布置連接螺栓傳遞軸拉力,使主管受力更加均勻。因此,采用內(nèi)外法蘭連接形式能有效減小螺栓規(guī)格、法蘭板厚度及加勁肋尺寸目前,針對內(nèi)外法蘭的相關(guān)研究成果相對較少。鄧洪洲等對內(nèi)外法蘭進(jìn)行軸拉試驗,得到了內(nèi)外圈螺栓軸拉力比值并進(jìn)行有限元參數(shù)分析,建議設(shè)計時內(nèi)外圈拉力比值統(tǒng)一取1.0本文模擬實(shí)際偏壓受力工況研究偏壓荷載下內(nèi)外法蘭承載力特性,探討內(nèi)外法蘭截面的中和軸、旋轉(zhuǎn)軸位置及內(nèi)外螺栓內(nèi)力分布規(guī)律,擬建立大偏壓荷載作用下內(nèi)外法蘭強(qiáng)度計算理論和設(shè)計方法。1試驗總結(jié)1.1內(nèi)外法蘭截面的分析某工程大跨越塔鋼管主材內(nèi)部填充混凝土,從而確保主管在實(shí)際受力狀態(tài)下不發(fā)生屈服。為最大程度貼近結(jié)構(gòu)實(shí)際受力特點(diǎn),在主管保持彈性的前提下,重點(diǎn)研究內(nèi)外法蘭截面的中和軸、旋轉(zhuǎn)軸位置及內(nèi)外螺栓內(nèi)力分布規(guī)律。因此,基于“強(qiáng)主管,弱螺栓”的設(shè)計理念,設(shè)計了與內(nèi)外法蘭原型節(jié)點(diǎn)相對應(yīng)的法蘭縮尺模型。內(nèi)外法蘭試件的尺寸參數(shù)如表1所示。1.2環(huán)向支撐體系加載內(nèi)外雙圈法蘭偏壓承載力試驗加載裝置如圖2所示,將方鋼管組成的環(huán)向支撐體系倒置,內(nèi)外雙圈法蘭的上下端分別通過螺栓與分配梁相連在由方鋼管組成的環(huán)向支撐體系上,形成加載體系。試驗機(jī)加載端通過箱梁將力傳到上分配梁,調(diào)節(jié)加載端中心與法蘭中心的距離,達(dá)到預(yù)定偏心距的偏壓加載。1.3測試方案1.3.1位移測量點(diǎn)的配置如圖3a所示,通過布置3個測點(diǎn)監(jiān)測法蘭壓彎過程中上下法蘭盤間的張開量,間接反映加載過程中法蘭盤面的接觸特性。1.3.2鋼管應(yīng)變應(yīng)力應(yīng)放線應(yīng)力測點(diǎn)主要分布在以下3個區(qū)域,如圖3b、圖3c所示。一是在鋼管外壁縱向布置應(yīng)變片,量測加載過程中鋼管應(yīng)變發(fā)展。二是在加勁肋關(guān)鍵部位布置應(yīng)變片,測量加勁肋的拉應(yīng)變。三是在光滑螺桿處對稱布置兩個應(yīng)變片,并取兩側(cè)應(yīng)變均值作為螺栓軸向拉應(yīng)變。為將應(yīng)變片的數(shù)據(jù)線引出,在螺帽上對稱位置打孔,螺栓開孔及螺桿應(yīng)變片布置如圖4所示。2內(nèi)部和外部法的壓力載荷試驗2.1螺栓施加扭矩按照輸電線路鋼管塔工程施工要求,試驗前通過扭矩扳手給高強(qiáng)螺栓施加規(guī)定的預(yù)緊力,其中對6.8級M16螺栓施加扭矩為110N·m。在正式加載之前需要進(jìn)行預(yù)加載,加載到設(shè)計荷載的10%后停止3min,檢查加載及測試系統(tǒng)是否正常;正式加載時采用力控制,分級加載至螺栓破壞。每級荷載均測試并記錄各典型部位測點(diǎn)的位置應(yīng)變和位移,用于分析法蘭連接節(jié)點(diǎn)的傳力及變形特征。2.2偏心距對法蘭破壞特點(diǎn)的影響試驗測得內(nèi)外法蘭的法蘭板張開量-荷載關(guān)系曲線如圖5所示,隨著彎矩增大,受拉區(qū)上下法蘭板間逐漸相互張開;最大受力螺栓處張開量3(圖5)發(fā)展迅速,張開現(xiàn)象明顯。隨著偏壓荷載的繼續(xù)增大,不同偏心距下的法蘭破壞模式呈現(xiàn)出不同的形式。不同偏心距下偏壓受力內(nèi)外法蘭的失效特點(diǎn)如表2、圖6所示,當(dāng)偏心距不大時,加載臨近結(jié)束前,法蘭板張開量增長緩慢,其破壞模式表現(xiàn)為鋼管受壓區(qū)局部失穩(wěn);當(dāng)偏心距較大時,加載臨近結(jié)束前,最大受力螺栓處張開量達(dá)到2.18mm,螺栓發(fā)生頸縮破壞,繼而整個法蘭節(jié)點(diǎn)發(fā)生失效破壞。另外,法蘭板、肋板及焊縫均未發(fā)生明顯的變形。3試驗結(jié)果3.1規(guī)范偏壓荷載作用下的法蘭應(yīng)力基于試驗得到螺栓應(yīng)變的發(fā)展情況,分析得到法蘭中和軸及旋轉(zhuǎn)軸位置關(guān)系如圖7所示。小偏壓荷載作用下,內(nèi)外法蘭鋼管應(yīng)變隨著荷載增大的變化曲線如圖8a所示,當(dāng)荷載較小時,鋼管截面壓應(yīng)變基本呈線性增長趨勢。應(yīng)變片布置在中心線以上受壓區(qū)且測點(diǎn)值均為負(fù)值,由此推得法蘭中和軸位于中心線以下,即法蘭所受合力作用點(diǎn)在法蘭的另一側(cè);隨著偏壓荷載的繼續(xù)增大,鋼管出現(xiàn)屈服應(yīng)變,發(fā)生屈服。大偏壓荷載作用下,內(nèi)外法蘭鋼管應(yīng)變隨著荷載增大的變化曲線如圖8b所示,當(dāng)荷載較小時,中心線以上應(yīng)變測點(diǎn)值均為負(fù)值,說明此時法蘭中和軸位于中心線以下。隨著偏壓荷載的逐漸增大,中和軸位置向受壓側(cè)偏移;在荷載達(dá)到840.0kN時,法蘭中心線位置處的鋼管測點(diǎn)S1和S8的應(yīng)變由壓應(yīng)變轉(zhuǎn)為拉應(yīng)變,此時中和軸位置與中心線重合并隨荷載增大進(jìn)一步上移?；诜ㄌm面滿足平截面的基本假定,由鋼管應(yīng)變所確定的法蘭中和軸離中心線的高度如圖9所示(中心線上方為正),隨著偏壓荷載的增大,中和軸位置逐漸偏向法蘭板受壓區(qū),略大于中心線。3.2螺栓附加彎矩作用試驗測得偏壓法蘭受拉區(qū)內(nèi)外螺栓測點(diǎn)應(yīng)變-荷載曲線如圖10、圖11所示。加載過程中,螺栓應(yīng)變發(fā)展較為迅速,且螺栓兩側(cè)應(yīng)變值不一致,說明螺栓不僅受到拉力作用,還承擔(dān)一定的附加彎矩作用。如最大受力外螺栓測點(diǎn)B13和B14為同一顆螺栓上對稱兩測點(diǎn),B14為靠近鋼管壁測點(diǎn),B13為遠(yuǎn)離鋼管壁測點(diǎn),且前者應(yīng)變值大于后者。另外,外側(cè)螺栓應(yīng)變發(fā)展比內(nèi)側(cè)螺栓的快且距法蘭中心線越遠(yuǎn),拉區(qū)螺栓的拉應(yīng)變越大,拉力越大。偏壓加載結(jié)束后,螺栓拉應(yīng)變超過其屈服應(yīng)變并接近極限應(yīng)變,這與試驗加載結(jié)束后螺栓發(fā)生明顯的頸縮變形一致。3.3螺栓群旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時螺栓的拉力計算公式針對傳統(tǒng)剛性法蘭,多部規(guī)范所給出旋轉(zhuǎn)軸位置計算方法基本一致。以DL/T5254—2010《架空輸電線路鋼管塔設(shè)計技術(shù)規(guī)定》為例,對于剛性法蘭受純彎荷載時,取管外壁切線為旋轉(zhuǎn)軸。如圖12所示,對于內(nèi)外法蘭,其螺栓拉力的計算可以借鑒傳統(tǒng)剛性法蘭螺栓拉力計算模型。根據(jù)試驗測得的最大受力螺栓的拉力,依照最大受力螺栓的拉力計算式,通過多次迭代計算,反推螺栓群旋轉(zhuǎn)軸位置。螺栓群繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時,最大受力螺栓的拉力由對旋轉(zhuǎn)軸的力矩平衡求解得到:式中:M為法蘭所受的彎矩;N為法蘭所受的軸力;y為旋轉(zhuǎn)軸到鋼管中心的距離;y外圈螺栓到旋轉(zhuǎn)軸位置滿足:式中:k為比例系數(shù)。因此有:式中:N由式(3)即可解得旋轉(zhuǎn)軸到鋼管中心的距離y。偏壓試驗得到的法蘭旋轉(zhuǎn)軸位置如表3所示,可知,不同偏心距下的旋轉(zhuǎn)軸位置分別處于偏離管中心0.68R(e=2R)、0.64R(e=3.3R)處(R為主管半徑)。4螺栓抗壓強(qiáng)度基于上述內(nèi)外法蘭縮尺模型的偏壓承載力試驗及理論分析,可以得到如下主要結(jié)論:1)不同偏心距作用下的內(nèi)外法蘭偏壓試驗的破壞模式不同,小偏壓荷載作用下為鋼管局部失穩(wěn);大偏壓下為螺栓頸縮破壞。2)偏壓加載過程中,外圈螺栓受力大于內(nèi)圈;離法蘭截面中心線越遠(yuǎn),螺栓拉力越大。連接螺栓達(dá)到設(shè)計承載力后,可以繼續(xù)承擔(dān)