螺栓預(yù)拉力對(duì)剛性法蘭連接節(jié)點(diǎn)剛度的理論設(shè)計(jì)研究

摘要：通過理論研究不同的螺栓預(yù)拉力在變電構(gòu)架剛性法蘭連接中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)相應(yīng)的試驗(yàn)來分析高強(qiáng)螺栓與普通螺栓對(duì)法蘭連接節(jié)點(diǎn)剛度的影響。最后總結(jié)在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)所需的注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：螺栓；預(yù)拉力；剛性法蘭；剛度

隨著輸送電壓的提高，輸電線塔的高度、擋距也在不斷地增加，各大電力設(shè)計(jì)院在變電構(gòu)架中一般把輸電線塔設(shè)計(jì)成鋼管塔，這是由于鋼管的風(fēng)荷載體形系數(shù)較小，截面回轉(zhuǎn)半徑大，受力性能好[1]。在各種鋼構(gòu)件中，法蘭連接是鋼管連接的首選形式之一，這是因?yàn)榉ㄌm具有安裝方便、承載力大、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。常用的法蘭分為有加勁肋的剛性法蘭和無加勁肋的柔性法蘭，本文主要研究剛性法蘭，法蘭一般都是用螺栓來連接的，而螺栓又分為高強(qiáng)螺栓和普通螺栓，不同的螺栓預(yù)拉力對(duì)法蘭連接節(jié)點(diǎn)的剛度有不同的影響。因此，高強(qiáng)螺栓[2]與普通螺栓對(duì)剛性法蘭連接節(jié)點(diǎn)剛度的分析是有必要的，從而研究不同的螺栓預(yù)拉力對(duì)節(jié)點(diǎn)軸向、剪切和彎曲剛度的影響。

一、試件的設(shè)計(jì)

由于本論文研究的是普通螺栓與高強(qiáng)螺栓對(duì)連接節(jié)點(diǎn)剛度的影響，且都同時(shí)采用剛性法蘭連接，剛性法蘭結(jié)構(gòu)都采用20個(gè)螺栓圍繞在法蘭盤上并使上下法蘭盤相連接，螺栓與螺栓之間用加勁肋隔開。至于鋼管的直徑和壁厚以及加勁肋的細(xì)部尺寸，這些都是要根據(jù)具體的工程而定，這里我們不做論述。在對(duì)試件設(shè)計(jì)的時(shí)候，唯一不變的條件就是一組試件采用普通螺栓，一組試件采用高強(qiáng)螺栓，其他條件都一樣。所以設(shè)計(jì)為兩個(gè)試件， 試件一和試件二都采用剛性法蘭，其法蘭盤的厚度都為20mm，且鋼材的型號(hào)也都為Q235；試件一采用高強(qiáng)螺栓，其螺栓直徑為30mm，試件二采用普通螺栓，其螺栓直徑也為30mm。

二、試驗(yàn)的布置

1.試件的布置方案。

由于本文需要研究螺栓對(duì)剛度的影響，連接節(jié)點(diǎn)的剛度又分為軸向剛度﹑剪切剛度和彎曲剛度，軸向剛度主要是受軸向力的影響，所以我們需要對(duì)構(gòu)件進(jìn)行豎向荷載的加載；剪切剛度主要是受水平荷載的影響，所以需要對(duì)試件進(jìn)行水平荷載的施加；彎曲剛度主要受豎向荷載和水平荷載的共同影響，所以可以先對(duì)試件施加豎向荷載再施加水平荷載。

至于豎向荷載和水平荷載到底加到多大，這就要根據(jù)實(shí)際工程的需要，比如說在實(shí)際工程里，根據(jù)鋼管塔承受豎向荷載和水平荷載最大值為多少來確定試驗(yàn)所需施加荷載的大小。其中豎向荷載的施加方式包括構(gòu)件自立式的和橫臥式的，這就需要根據(jù)試驗(yàn)的設(shè)備具體而論來采用哪種方式施加荷載。因此，實(shí)驗(yàn)室就必須具備對(duì)構(gòu)件施加豎向荷載和水平荷載的裝置。通常，實(shí)驗(yàn)室一般都是通過千斤頂對(duì)試件施加豎向荷載，再通過水平作動(dòng)器來對(duì)試件施加水平荷載。

2.荷載﹑應(yīng)變以及位移的觀測(cè)。

水平荷載可以通過水平作動(dòng)器自動(dòng)記錄其大??；而豎向荷載是通過液壓千斤頂來施加的，所以需要經(jīng)過人為地來讀取其數(shù)據(jù)。

由于鋼管上各個(gè)位置的應(yīng)變不同，所以需要對(duì)鋼管的主要位置進(jìn)行應(yīng)變數(shù)據(jù)的采取。我們可以對(duì)法蘭盤以上﹑以下的鋼管在平行于水平荷載的方向上布置一對(duì)應(yīng)變片，然后在垂直于水平荷載的方向上布置一對(duì)應(yīng)變片，同時(shí)我們還可以在加勁肋上布置一些應(yīng)變片。當(dāng)然應(yīng)變片布置的不是越多越好，而是要根據(jù)具體的試驗(yàn)操作，在主要部位（比如：鋼管的上部﹑下部中間部位以及加勁肋的一些關(guān)鍵部位）布置應(yīng)變片，而次要部位則可根據(jù)試驗(yàn)操作的難易程度來布置應(yīng)變片。試件上的應(yīng)變是由電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所以我們只需要布置好應(yīng)變片就可以了。

法蘭盤上的受力特點(diǎn)為：如果剛性法蘭中的螺栓受壓，則法蘭盤的內(nèi)﹑外邊緣都張開；如果螺栓受拉，則法蘭盤的內(nèi)﹑外邊緣都頂緊。所以根據(jù)這一特點(diǎn)，我們可以把百分表布置在法蘭盤的內(nèi)﹑外表面邊緣處以及螺栓頂面處。由于法蘭盤上螺栓的數(shù)量較多，不可能每個(gè)螺栓上都布置百分表，所以我們可以把百分表布置在平行于水平荷載和垂直于水平荷載方向的螺栓上。在施加水平荷載的過程中，由于上﹑下法蘭盤有相對(duì)錯(cuò)動(dòng)的可能，所以我們還需要在法蘭盤側(cè)面邊緣上布置位移計(jì)，頂部和底部的法蘭盤側(cè)面邊緣也同樣需要布置位移計(jì)，位移計(jì)布置的方向可取為平行于水平荷載和垂直于水平荷載。

三、試驗(yàn)的加載及處理

1.試驗(yàn)加載前的準(zhǔn)備工作。

試件準(zhǔn)備好以后，試件一由于采用高強(qiáng)螺栓，所以在試件加載之前，需要對(duì)試件一的螺栓按規(guī)范施加規(guī)定的扭矩，其扭矩大小為T=KdP[3]進(jìn)行計(jì)算，其中K為扭矩系數(shù)，P為高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力，d為螺栓的直徑；試件二采用的是普通螺栓，所以只需施加緊固扭矩就可以。

2.試驗(yàn)加載。

在試驗(yàn)正式加載之前，需要對(duì)試件進(jìn)行豎向荷載和水平荷載的預(yù)加載，并檢查各個(gè)位置應(yīng)變片﹑位移計(jì)和百分表的讀數(shù)是否正確，以及螺栓是否有松動(dòng)的情況，如果螺栓有松動(dòng)，則需要對(duì)螺栓重新施加扭矩。

根據(jù)前面所述，先對(duì)試件施加豎向荷載然后卸載為零，再施加水平荷載后卸載為零，這里需要注意的是豎向荷載和水平荷載并不是一次性的加載到最大值，而是一級(jí)一級(jí)地加載，直至試件破壞或者荷載加不上去為止。最后對(duì)試件先施加豎向荷載再施加水平荷載來考慮螺栓對(duì)連接節(jié)點(diǎn)彎曲剛度的影響。在整個(gè)荷載的施加過程中，我們都要注意螺栓的松動(dòng)情況以及位移計(jì)和百分表的讀數(shù)是否存在較大的偏差，如果存在較大偏差則需要檢查校對(duì)相應(yīng)的百分表或者位移計(jì)。

3.試驗(yàn)加載完的后處理工作。

試驗(yàn)加載完之后，我們需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，畫出這兩個(gè)試件相應(yīng)的荷載—位移曲線圖和荷載—應(yīng)變曲線圖。后處理的主要工作是對(duì)曲線圖的處理與分析，對(duì)比試件一和試件二相應(yīng)的曲線圖，需要總結(jié)出以下幾個(gè)結(jié)論：（1）在單獨(dú)施加同一豎向荷載和水平荷載的情況下，對(duì)比出哪個(gè)試件的變形和應(yīng)變較大。（2）在先施加豎向荷載再施加水平荷載的情況下，對(duì)比出哪個(gè)試件的變形和應(yīng)變較大。從而總結(jié)出哪個(gè)構(gòu)件的軸向剛度﹑剪切剛度以及彎曲剛度較大。最后提出高強(qiáng)螺栓和普通螺栓對(duì)法蘭連接節(jié)點(diǎn)剛度的有哪些影響。

四、結(jié)論及其建議

1.剛性法蘭構(gòu)件不容易被拉壞，所以我們?cè)谑┘迂Q向荷載以及水平荷載時(shí)，如果應(yīng)變片的讀數(shù)很大或者百分表的讀數(shù)基本不變時(shí)，我們就可以停止加載了。

2.在對(duì)數(shù)據(jù)處理時(shí)，如果試件在施加水平荷載的時(shí)候，構(gòu)件出現(xiàn)了整體扭曲（即構(gòu)件的下部低端由于沒有固定牢靠而出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)）的情況，試件的最后位移應(yīng)該扣除整體扭曲所引起的位移。

3.試驗(yàn)中所測(cè)的是上﹑下法蘭盤各自的位移，而我們所需要的是相對(duì)位移，所以我們應(yīng)該畫出法蘭盤的相對(duì)荷載—位移曲線圖。

4.本文研究的是高強(qiáng)螺栓與普通螺栓對(duì)法蘭連接節(jié)點(diǎn)的剛度的影響，所以試驗(yàn)中位移不變的條件是一個(gè)試件采用了高強(qiáng)螺栓，一個(gè)試件采用了普通螺栓，而其它條件（如法蘭盤的厚度，鋼材的種類，法蘭盤與鋼管的焊角尺寸等）都必須一致，這樣才能更好地對(duì)比其影響。

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作者簡(jiǎn)介：向洋，男，碩士研究生，1986年出生，單位：重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院。