輸電桿塔法蘭受彎性能的研究

0大偏心受彎剛性法蘭旋轉軸位置概念的基本信息該法廣泛應用于代替電纜的結構連接。法蘭按構造型式可分為剛性法蘭與柔性法蘭,按受力狀態(tài)可分為軸心受力法蘭與偏心受力法蘭。軸心受力的剛性法蘭連接的構造及相應計算原理較為清晰,文獻[1-3]等已做了較為詳盡的研究論述及有限元計算分析。柔性法蘭作為構造更為簡單的節(jié)點,文獻[4-5]對其在軸心受力狀態(tài)做了研究論述。對于處于大偏心受力狀態(tài)的法蘭,國內未有較為詳盡的理論與試驗研究,其設計的依據為現(xiàn)行規(guī)范DL/T5130—2001《架空送電線路鋼管桿設計技術規(guī)定》與DL/T5154-2002《架空送電線路桿塔結構技術規(guī)定》,此規(guī)范對于大偏心受彎剛性法蘭計算的關鍵點——法蘭旋轉軸位置的確定是建立在結構概念推斷上,沒有確切的試驗與理論計算分析予以驗證。廣東省電力設計研究院在2006年開始設計的系列大直徑鋼管桿應用了剛性法蘭連接,對于規(guī)范中公式對大直徑受彎法蘭的適用性提出質疑并開展了系列研究,在此基礎上與研究合作單位一起運用有限元軟件ANSYS對受彎法蘭進行了有限元計算分析研究,得出了與現(xiàn)行規(guī)定不同的結果,研究結果可參見文獻[8-10],這些文獻中基于ANSYS有限元計算分析的成果的合理可靠性還需要通過試驗進行進一步的驗證。1采用當前標準中的剛性法計算公式和模型1.1法蘭螺栓應力應用于輸電鋼管桿連接上的剛性法蘭的受力形式主要為承受彎矩。對于壓/拉彎共同作用,文獻[7]規(guī)定其按平截面假定計算法蘭螺栓應力,在偏心距大于等于鋼管半徑時旋轉軸取鋼管外壁切線;肋板、法蘭板按受力最大的螺栓計算。法蘭受力計算模型如圖1所示,法蘭螺栓計算公式1.2鋼管管道下管道板、法蘭板應力遠超屈服強度規(guī)范法蘭壓區(qū)較小產生這樣的問題:由于壓應力的高度集中,鋼管受壓端較早受壓屈服,壓區(qū)肋板與法蘭板應力極高,按最大受力螺栓拉力設計的法蘭板與肋板的應力遠超屈服強度。如果規(guī)范2法蘭受彎時拉區(qū)面積、比基于上述的分析與對現(xiàn)行規(guī)范法蘭盤模型在設計荷載受彎時的法蘭盤接觸狀態(tài)如圖3所示,圖中深色部分表示法蘭板相互接觸,淺色部分表示法蘭盤分開。法蘭板接觸部分代表法蘭板之間的相互擠壓,其分開部分表明此區(qū)域螺栓處于受拉狀態(tài)。如圖3所示,法蘭模型受彎時拉區(qū)面積略大于壓區(qū)面積,拉壓分界線接近于鋼管中心,表明法蘭受彎時旋轉軸介于管中心與管壁之間,對于大直徑受彎法蘭,其旋轉軸接近于管中心。以上受彎法蘭模型有限元計算分析結果與規(guī)范3螺栓群拉壓科ANSYS的計算分析結果與規(guī)范為確定試驗法蘭盤在各級加載情況下的變形特征,在法蘭盤的相應上下表面所關心的位置布置位移計。在試驗之前,對試驗模型進行有限元分析,依據有限元分析結果對處于法蘭復雜應力狀態(tài)的法蘭板及肋板左右兩端布置了應變花。本試驗的重點是確定法蘭壓彎狀態(tài)下螺栓的受力、法蘭螺栓的拉壓分界線以及由此推斷出的法蘭受力狀態(tài)下的旋轉軸,因此對所有的法蘭螺栓均按徑向及切向開雙槽布置應變測點。依據螺栓在試驗中的應變測試情況可分析法蘭的受力狀態(tài)。模型各級加載試驗中,法蘭螺栓群受拉分界線均在主管中心附近靠受壓側1個螺栓,即距法蘭中心線0.18r(r為主管半徑)的螺栓受拉,而大于此距離的螺栓在加載過程中不受拉,這與有限元計算結果一致,證實了剛性法蘭受彎時旋轉軸處于管壁與管中心之間且靠近管中心。試驗測得的螺栓拉壓分界線如圖4所示。試驗結果還表明,同一螺栓不同測點的應力應變有較大的差距,受拉螺栓遠離管中心的測點應變小于靠近管中心一側測點的應變,受彎法蘭受拉螺栓處于受彎狀態(tài)的試驗結果與ANSYS有限元分析結果一致。4管中心節(jié)點的確定剛性法蘭計算中旋轉位置不同計算結果相差較大。在受彎剛性法蘭的設計計算中,將旋轉軸位置取位于管中心與位于管壁的計算結果相比,旋轉軸取位于管中心的螺栓、法蘭板、肋板應力計算結果高出旋轉軸位于管壁的計算結果25%~40%,真型試驗與有限元分析證實剛性法蘭受彎旋轉軸靠近管中心,因此現(xiàn)行規(guī)范由于試驗與有限元計算均揭示法蘭受彎時旋轉軸靠近管中心,因此計算時首先宜把旋轉軸定于管中心。另外考慮了法蘭受彎時旋轉軸略偏向壓區(qū),而且在受彎計算極限狀態(tài)中除最大受力螺栓外其他螺栓均未達到設計強度,因此用1個附加系數γ調整折減螺栓的受力計算,由此可推導出合理的剛性法蘭受壓彎計算公式如下:當M/|N|≥r5剛性法蘭受彎時旋轉軸位置修正與現(xiàn)行輸電線路結構技術規(guī)定中的計