螺栓预拉力对柔性法兰连接节点刚度影响的试验设计

司惠礼

(神华宁夏煤业集团有限责任公司，宁夏石嘴山 753000)

螺栓预拉力对柔性法兰连接节点刚度影响的试验设计

司惠礼

(神华宁夏煤业集团有限责任公司，宁夏石嘴山 753000)

通过柔性法兰连接节点刚度的定义，研究了不同的螺栓预拉力在变电构架柔性法兰连接中的应用，分析了并设计了高强螺栓与高强度普通螺栓对法兰连接节点刚度影响的试验，指出了在试验设计时所需的注意事项.

螺栓;预拉力;柔性法兰;刚度

目前，对于一些高度在20～70 m的输电塔，我国一般采用角钢塔.随着输送电压的提高，输电塔的高度要求也越来越高(一般在100 m以上).各大电力设计院一般把塔设计成钢管塔，这是由于钢管的风荷载体形系数较小，截面回转半径大，受力性能好［1］，且钢管塔具有承载力大、整体稳定性好、外形美观、使用寿命长、大量节约用地等优点，而在输电高塔中的应用量与日俱增.在各种钢构件的连接中，最常用的是法兰连接，法兰具有安装方便、承载力大、安全可靠等优点.常用的法兰分为有加劲肋的刚性法兰和无加劲肋的柔性法兰，文中主要研究柔性法兰.法兰一般都是用高强螺栓连接，高强螺栓分为高强螺栓和高强度普通螺栓，这两种螺栓的区别在于螺栓预拉力不同，而不同的螺栓预拉力对法兰连接节点的刚度有着不同的影响.因此，高强螺栓［2］与高强度普通螺栓对柔性法兰连接节点刚度的分析是有必要的.笔者通过理论分析，设计了不同的螺栓预拉力对节点轴向、剪切和弯曲刚度影响的相关试验.

1 法兰连接节点刚度分析

刚度从广义上说，就是广义力和相对应的广义位移的比值.法兰连接节点的刚度分为轴向刚度、剪切刚度和弯曲刚度，因此有必要对这3种刚度进行定义，并得出其相应计算方法.

1.1 法兰连接节点轴向刚度

法兰连接节点轴向刚度相对应的广义力是轴向拉力，相对应的广义位移为2块法兰板之间的相对张开位移，此时轴向刚度可定义为

式中:EN为法兰连接节点的轴向刚度;NT为轴向拉力;ΔN为两块法兰板之间的相对张开位移.

1.2 法兰连接节点剪切刚度

法兰连接节点剪切刚度相对应的广义力是水平剪力，相对应的广义位移为2块法兰板之间的相对水平位移，此时剪切刚度可定义为

式中:EQ为法兰连接节点的剪切刚度;Q为水平剪力;ΔQ为两块法兰板之间的相对水平位移.在有限元分析模型中，ΔQ的计算可选取2块法兰板的内边缘中点作为参考点计算得出，由此根据式(2)得出节点的剪切刚度.

1.3 法兰连接节点弯曲刚度

法兰连接节点弯曲刚度相对应的广义力是弯矩，相对应的广义位移为2块法兰板之间的相对转角位移，此时弯曲刚度可定义为

式中:EM为法兰连接节点的弯曲刚度;M为节点弯矩;ΔM为2块法兰板之间的相对转角位移。在有限元分析模型中，ΔM的计算可选取2块法兰板的内边缘中点作为参考点计算得出，由此根据式(3)得出节点的弯曲刚度.

1.4 相对位移的参考点选取

法兰连接节点轴向、剪切、弯曲刚度的得出必先已知相应的相对位移ΔN，ΔQ，ΔM.3个相对位移的计算是选取2块法兰板的内边缘中点作为参考点进行的，同时为充分反映法兰连接节点的整体性能以及考虑后续分析中各种刚度的相互影响，因此，所选取的参考点位于水平荷载作用面内(即弯矩作用面内)，如图1所示.图中点1，2位于上法兰盘，点3，4位于下法兰盘.由此可见，相对位移ΔN，ΔQ，ΔM应按下式进行计算，

式中:下标“V”表示竖向位移，“H”表示水平位移;d为法兰板内边缘直径.

图1 计算相对位移的参考点选取位置

2 柔性法兰试件节点的设计

主要考虑高强度普通螺栓与高强螺栓对柔性法兰连接节点刚度的影响，柔性法兰的结构形式如图2所示，采用20个螺栓围绕在法兰盘上并使上下法兰盘相连接.试件设计时，唯一不变的条件是一个试件采用高强度普通螺栓，一个试件采用高强螺栓，根据某工程提供的法兰节点控制内力M=220 kN·m，N=1 200 kN，以及由文献［2］选用作试验的试件情况见表1.高强螺栓与高强度普通螺栓的区别在于螺栓预拉力的施加，高强度普通螺栓是指对螺栓施加紧固扭矩的螺栓;高强度螺栓是指对螺栓按照文献［3］施加螺栓预拉力P的螺栓.

图2 柔性法兰结构

表1 试验用柔性法兰试件的情况

3 试验的设计

3.1 荷载的施加

轴向刚度主要受轴向力的影响，因此需对构件施加竖向荷载;剪切刚度主要受水平荷载的影响，所以需对构件施加水平荷载;弯曲刚度主要受竖向荷载和水平荷载的共同影响，因此可以先对试件施加竖向荷载再施加水平荷载.

施加竖向荷载和水平荷载的大小需根据实际工程中法兰节点的控制内力而论，根据控制内力验算法兰连接节点的承载力来确定荷载的大小［4］.通常竖向荷载的施加方式包括构件自立式和横卧式，这就需要根据实验室的具体设备条件来决定采取哪种施加方式.因此，实验室就必须具备对构件施加竖向荷载和水平荷载的试验装置.通常，实验室一般都是通过液压千斤顶对试件施加竖向荷载，通过水平作动器来对试件施加水平荷载.

3.2 荷载﹑应变和位移的观测

水平荷载通过水平作动器自动记录其大小;竖向荷载通过液压千斤顶来施加，需要人为地读取并采集其数据.

由于钢管上各个位置的应变不同，且试验主要研究节点刚度，因此需要对钢管的主要位置进行应变数据的采集.对中间法兰盘以上﹑以下的钢管在平行于水平荷载的方向上布置一对应变片，然后在垂直于水平荷载的方向上布置一对应变片.当然应变片布置的数量不是越多越好，而是要根据具体的试验操作在主要部位(如钢管的上﹑下中间部位)布置应变片，而次要部位则可根据试验操作的难易程度来布置应变片.

法兰盘的受力特点为:在竖向荷载的作用下，法兰盘的内﹑外边缘都被张开;在水平荷载的作用下，西侧法兰盘被张开，而东侧法兰盘被顶紧，螺栓有的被伸长，有的被压缩.因此，根据这一特点以及前面图1相对位移位置的选取，把百分表布置在法兰盘的内﹑外边缘处以及螺栓的顶面处.由于法兰盘上螺栓的数量较多，不可能每个螺栓顶面处都布置百分表，根据荷载的施加方向把百分表布置在平行于水平荷载和垂直于水平荷载方向的螺栓上.同时，在施加水平荷载的过程中，由于上﹑下法兰盘有相对错动的可能，还需在法兰盘侧面边缘上布置位移计.最后钢管柱子的顶部水平位移是变电构架中非常重要的参考依据，因此还需要在柱顶东侧法兰盘上布置位移计.在水平荷载的施加过程中，平行于水平方向的节点有较大的位移，所以在其相应的位置布置位移计而不是百分表.

4 试验的加载及处理设计

4.1 试验加载前的准备工作

试件准备好以后，试件1由于采用高强螺栓，所以在试件加载之前，需要对试件1的螺栓按规范施加扭矩，其扭矩大小根据T=KdP［3］进行计算.其中K为扭矩系数，P为高强螺栓的预拉力，d为螺栓的直径.试件2采用高强度普通螺栓，只需施加紧固扭矩即可(其扭矩大小可以根据一个普通工人使用普通的扳手所能施加的扭矩来近似确定).

4.2 试验加载

试验正式加载之前，需对试件进行竖向荷载和水平荷载的预加载，目的是为了使构件各部位接触良好，荷载与变形的关系趋于稳定.预加载的同时需检查各个位置应变﹑位移计和百分表的读数是否正确，以及螺栓是否有松动的情况，如果螺栓有松动，则需要对螺栓重新施加相应的扭矩.

试验正式加载的步骤:先对试件施加竖向荷载然后卸载为零，再施加水平荷载后卸载为零.需注意，竖向荷载和水平荷载并不是一次性加载至最大值，而是一级一级地加载.最后对试件先施加竖向荷载再施加水平荷载来考虑螺栓预拉力对连接节点弯曲刚度的影响.

在整个荷载的施加过程中，需时刻注意螺栓的松动情况以及位移计和百分表的读数是否存在较大的偏差，如果存在较大偏差则需要检查校对相应的仪器［5］.

4.3 试验加载完的后处理工作

试验加载完之后，需对数据进行处理与分析，画出这两个试件典型节点(主要是法兰盘内边缘节点和法兰盘相对错动节点)的相应荷载－位移曲线图.后处理的主要工作是对比试件1和试件2相应节点的曲线图，在单独施加同一竖向荷载﹑水平荷载以及先施加竖向荷载再施加水平荷载的情况下，比较试件1和试件2的法兰盘内边缘相对变形以及法兰盘的相对错动(因为内边缘的相对变形主要计算节点的轴向和弯曲刚度，法兰盘的相对错动主要计算节点的剪切刚度).在满足承载力且保证螺栓的直径、法兰盘的厚度和材质一样条件下，比较哪个试件的轴向﹑剪切和弯曲刚度较大.根据测试结果可了解，高强螺栓和高强度普通螺栓对柔性法兰连接节点刚度的影响.

5 结语

通过法兰连接节点刚度的定义以及从理论上设计螺栓预拉力对柔性法兰连接节点刚度影响的试验，得出以下结论.

1)在对数据处理时，如果试件在施加水平荷载的时候，构件出现了整体扭曲(即构件的下部低端由于没有可靠的固定而出现了扭转)的情况，建议试件最后的水平位移应扣除由于整体扭曲所引起的位移.

2)对柔性法兰连接节点刚度分析时，刚度主要位移监测点在于法兰盘内边缘的相对变形和法兰盘的相对错动，因此对数据处理时应注意试验中所测的是上﹑下法兰盘各自的位移，而对结果分析需要相对位移，所以还需画出法兰盘的相对荷载－位移曲线图.

3)试验中唯一改变的条件是螺栓的种类，而其它条件(如法兰连接节点的控制内力﹑法兰盘的厚度﹑钢材的种类﹑法兰盘与钢管的焊角尺寸以及螺栓的直径等)都必须保持一致，目的是为了更好地对比螺栓预拉力对变电构架柔性法兰连接节点刚度的影响.同时，还应该考虑焊缝所产生的残余应力对节点刚度的影响.

［1］陈亦，马星，王肇民.无肋法兰盘节点的研究与应用［J］.建筑结构，2002(5):15 －18.

［2］上海市建设和交通委员会.GB50135—2006高耸结构设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2007.

［3］中华人民共和国建设部.GB50017—2003钢结构设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2003.

［4］王炽欣，王浩.柔性法兰连接点研究初探［J］.钢结构，2009，24(10):10 －15.

［5］陈学前，杜强，冯加权.螺栓连接非线性振动特性研究［J］.振动与冲击，2009，28(7):196 －199.

Influence of Bolt Pretension on the Rigidity of Flexible Flange Joints

SI Hui-li
(Company of Shenhua Ningxia Coal Industry Group Co.Ltd.，Shizuishan 753000，China)

By defining the rigidity of the flexible flange joints，an application of different bolt pretension to the flexible flange joints in power-transformed frames was theoretically studied，and a test is designed to analyze the influence of high strength bolt and ordinary bolt used to the flexible flange joints.At last，some precautions required in the experimental design are pointed out.

bolt;pretension;flexible flange;rigidity

1002－5634(2012)03－0078－04

2012－02－10

司惠礼(1982—)，男，宁夏石嘴山人，助理工程师，主要从事工程管理方面的研究.

(责任编辑:杜明侠)