高強鋼鍛造高頸法蘭頸部變坡段的分析

羅 輝 張大長 王榮華

(南京工業(yè)大學，江蘇 南京 211816)

高強鋼鍛造高頸法蘭頸部變坡段的分析

羅 輝 張大長 王榮華

(南京工業(yè)大學，江蘇 南京 211816)

在已有鍛造高頸法蘭研究成果的基礎(chǔ)上，從理論分析和有限元模擬兩方面入手，對鍛造高頸法蘭頸部變坡段進行分析，重點考察了變坡坡度，法蘭頸高對法蘭受力特性的影響，并根據(jù)分析結(jié)果，提出了鍛造高頸法蘭頸部變坡段的建議值。

高強鋼，鍛造高頸法蘭，頸部坡度，有限元模擬

1 概述

鋼管塔在實際工程中越來越多的被采用[1]。法蘭連接是鋼管結(jié)構(gòu)的主要連接形式。鍛造高頸法蘭連接無需焊接加勁肋，對接焊縫可采用機械焊，這樣既可以解決有加勁法蘭加勁肋手工施焊的繁重工作，提高制作效率和機械化效率。同時，在一定程度上彌補無加勁法蘭連接剛度低的缺陷，應(yīng)該說鍛造高頸法蘭是一種較好的法蘭—鋼管連接形式[2，3]。

鍛造高頸法蘭在輸電桿塔結(jié)構(gòu)中都有應(yīng)用，特別是日本在大跨越鋼管塔特高壓及常規(guī)電壓等級的鋼管塔中均應(yīng)用了高頸法蘭。但對于鍛造高頸法蘭的研究，我國還處于起步階段，且鍛造高頸法蘭的設(shè)計理論不夠完善。高頸法蘭具有比無加勁法蘭更好的連接剛度和結(jié)構(gòu)性能，因為法蘭板彎矩最大處設(shè)有變截面的變坡段(即頸腋)。所以，高頸法蘭相對無加勁法蘭具有更好的結(jié)構(gòu)性能，受力更加協(xié)調(diào)。因此，本文借助有限元分析方法，對擬定的法蘭尺寸進行分析，探討法蘭頸部變坡段對鍛造高頸法蘭性能的影響。

2 高頸法蘭受力特性分析

基于結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般原則——“強節(jié)點、弱構(gòu)件”，即主管先于法蘭發(fā)生破壞，以及我國的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[9]的設(shè)計規(guī)定，同時兼顧經(jīng)濟性，在確保結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上高頸法蘭的尺寸盡可能合理。

取出每個螺栓所對應(yīng)的區(qū)段為隔離體，作為分析對象，如圖1所示。

當鋼管受軸心拉力Tc作用時，由于螺栓力Tb作用，法蘭盤承受彎、剪共同作用，螺栓的力傳給法蘭頸部。由于高頸鍛造法蘭板厚度t較大，具有足夠的剛度，使得法蘭盤邊緣撬力Rf較小或沒有撬力，邊緣脫開。法蘭盤變形和脫開間隙較小，主要是由高強螺栓應(yīng)變引起的。所以適用于輸電線路鋼管塔主材接頭的節(jié)點連接。

坡度：θ1=5°，內(nèi)坡:θ2=15°。

其中，D為等管徑對接時主管管徑；D1,D2分別為對接的大小管徑；

文獻[7]中，對高頸鍛造法蘭的計算方法：

頸高：H=Ed·t+H1。

其中，Ed為對焊法蘭高度系數(shù)，取2.2；H1為法蘭頸頂部(直頸段)高度。

坡度：未給出明確取值。

而日本《輸電線路鋼管塔制作標準》明確規(guī)定變截面的豎向夾角為8°～22°。

鍛造高頸法蘭在輸電桿塔結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，我國還處于起步階段，且設(shè)計理論不夠完善。針對高頸鍛造法蘭的受力特性，研究高頸對焊法蘭的選型，優(yōu)化法蘭細部構(gòu)造具有重要的工程應(yīng)用價值。

3 有限元模擬

為了探討鍛造高頸法蘭的頸部變坡段對法蘭受力性能的影響，本文通過改變變坡角度和頸部高度，利用有限元軟件ANSYS對鍛造高頸法蘭進行分析，探討法蘭頸部變坡段的取值。

3.1 單元選取

鋼管及法蘭采用Solid185單元進行模擬；法蘭與法蘭接觸面及螺栓與法蘭接觸面通過目標單元Targe170、接觸單元Conta174來模擬。主管材質(zhì)為Q460，法蘭材質(zhì)為Q420，高強螺栓等級為8.8級。材料的屈服準則服從Von Mises屈服準則及其相關(guān)的流動法則。未考慮焊縫以及焊接殘余應(yīng)力的影響[6]。

根據(jù)對象模型的特點，采用1/4簡化建模，將下部鋼管底部節(jié)點自由度全部約束，斷面沿垂直面的方向約束住位移。法蘭模型側(cè)向約束見圖2。

3.2 頸高和變坡角度的影響

主管406×8等管徑，坡度類型為外坡內(nèi)直壁。法蘭頸高取1.75d，2d，2.5d，3d，分別分析其坡度為10°，12.5°，15°，17.5°，20°，22.5°和25°時的受力特性，如表1所示。法蘭頸部應(yīng)力提取位置示意圖見圖3，各點應(yīng)力如圖4所示，法蘭整體質(zhì)量如表2所示，其中d為螺栓直徑。

表1 法蘭的尺寸

表2 不同頸高和變坡角度的法蘭質(zhì)量 kg

4 結(jié)語

1)隨著變坡角度的增大，法蘭螺栓圓直徑增加，法蘭盤懸臂增大，所以法蘭頸頂部應(yīng)力增大，當角度超過22.5°時，由于頂部

截面面積增加，使得應(yīng)力略有降低。

2)隨著變坡角度的增大，頸部截面面積增加，使得法蘭頸中部應(yīng)力減小。

3)法蘭應(yīng)力最大值在法蘭頸底部，增加坡度可以有效的降低底部應(yīng)力集中。

4)在頸部坡度不變時，增加法蘭的頸高，對法蘭頸部受力性能提高較小，甚至可能加劇法蘭頸底部的應(yīng)力集中。

增大變坡角度，能有效降低法蘭頸部應(yīng)力，并減小法蘭頸部應(yīng)力集中，但會使法蘭外徑增大，使法蘭整體質(zhì)量增加較快。綜合比較，變坡角度在17.5°和20°時，法蘭頸部的應(yīng)力水平相對較小，建議法蘭頸的變坡角度取20°，法蘭頸高取2d。

[1] 劉振亞.特高壓交直流電網(wǎng)[M].北京：中國電力出版社,2013:73-81.

[2] 王笑峰,何敏娟.柔性法蘭節(jié)點試驗分析及簡化計算方法研究[J].2001,31(3):56-58.

[3] 薛偉辰,付 凱.高頸法蘭軸心受拉試驗與有限元分析[J].建筑科學與工程學報,2010,27(2):106-113.

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[5] GB 50135-2006，高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[6] 尚曉江,邱 峰.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例應(yīng)用[M].第2版.北京：中國水利水電出版社，2008.

[7] DL/T 5130-2001，架空送電線路鋼管桿設(shè)計技術(shù)規(guī)定[S].

[8] 李布輝.高強鋼高頸鍛造法蘭的受力機理及承載力設(shè)計理論研究[D].南京：南京工業(yè)大學,2012.

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[10] 馮德奎.大型法蘭盤在輸電塔中的應(yīng)用研究[D].上海：同濟大學,2007.

Analysis on high-strength steel WNF neck slope section

LUO Hui ZHANG Da-chang WANG Rong-hua

(NanjingUniversityofIndustry,Nanjing211816,China)

On the basis of existing WNF research achievements, starting from two aspects of theoretical analysis and finite element simulation, the paper analyzes the high-strength steel WNF neck slope section, mainly examines the impact of slope degree and WNF upon the stress, and finally puts forward its suggestion value.

high-strength steel, WNF, neck slope, finite element simulation

1009-6825(2014)22-0040-02

2014-05-08

羅 輝(1988- )，男，在讀碩士； 張大長(1971- )，男，教授； 王榮華(1990- )，男，在讀碩士

TU311

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