法蘭盤厚度對剛性法蘭連接節點剛度影響的有限元分析

向 洋，蘇明周，楊俊芬，強若輝

(西安建筑科技大學土木工程學院，陜西西安710055)

隨著我國用電量的需求日益增加，輸送電壓也在不斷地提高，各大電力設計院在實際工程中一般把輸電線塔設計成鋼管塔，這是由于鋼管的風荷載體形系數較小，截面回轉半徑大，受力性能好[1]。在各種鋼管的連接節點中，法蘭連接是鋼管連接的首選形式之一，因為法蘭具有安裝方便、承載力大、安全可靠等優點。常用的法蘭分為剛性法蘭和柔性法蘭，而本文主要研究剛性法蘭，且都用10.9級的高強螺栓[2]連接。在滿足承載力的條件下，不同的法蘭盤材質對應著不同的法蘭盤厚度，雖然國內對鋼管法蘭連接有一定的研究[3-5]，但他們幾乎都在研究法蘭的受力特點、螺栓的受力特點以及法蘭盤的設計等方面的內容，而對法蘭連接節點剛度的研究目前國內還是一片空白，因此，有必要通過大型有限元程序ANSYS來分析不同的法蘭盤厚度對節點軸向、剪切和彎曲剛度的影響。

1 有限元模型的建立

1.1 試件的設計

以某設計院設計的典型500 kV人字柱構架為例，構架采用鋼管連接，其鋼管型號為?480 mm×12 mm。法蘭連接節點控制內力為:N=1 500 kN，M=200 kN?m。法蘭盤的直徑為890 mm，周圍一圈采用20個10.9級高強螺栓連接，且加勁肋板焊接在法蘭盤上，其加勁肋的尺寸為120 mm×8 mm×200 mm，對剛性法蘭、高強螺栓、Q235B、Q420B材質法蘭盤進行組合，計算得出相應的法蘭盤厚度和螺栓直 徑[6]，其結果見表1。

表1 法蘭盤計算結果表

1.2 單元類型的選取

由于本文分析法蘭連接節點的剛度，在盡可能減少模型計算時間而又不削弱計算精度的前提下，ANSYS有限元分析模型所采用的單元[7]及應用區域見表2。

表2 有限元分析模型所采用的單元及應用區域

1.3 摩擦面與摩擦系數

為了更好的模擬法蘭連接節點的受力性能，在有限元分析模型中，應考慮螺栓與法蘭板以及法蘭板之間的摩擦作用。因此，有限元分析模型中共考慮了三個摩擦面的作用，分別是螺栓桿與螺栓孔壁摩擦、螺栓螺帽與上下法蘭板之間的摩擦、法蘭板之間的摩擦，采用接觸單元Conta174和Targel170[8]進行模擬。

變電構架通常采用熱浸鍍鋅進行防腐蝕處理，此時鋼材表面的摩擦系數(抗滑移系數)會有所降低。關于有限元分析模型中的摩擦系數取值，以10.9級高強度螺栓摩擦系數的測試結果為依據，統一取為0.17。

1.4 幾何模型的建立

根據剛性法蘭連接節點的實際尺寸以及表1的數據建模，其模型見圖1(試件1)。

圖1 試件1的有限元分析模型

1.5 荷載的施加

法蘭連接節點的剛度分為軸向剛度、剪切剛度和彎曲剛度，軸向剛度主要受軸向荷載的影響，通過對構件施加豎向荷載來觀測其節點的荷載位移曲線，而剪切剛度和彎曲剛度可以通過對構件先施加豎向荷載再施加水平荷載來觀測其荷載位移曲線。所以在有限元中分析中，其加載步驟共設計了3步:

第1步:單獨分級施加水平荷載到V=180 kN，然后卸載到0；

第2步:單獨分級施加軸向拉力到 N=2033 kN，然后卸載到0；

第3步:先一次性施加軸向拉力到 N=1 333 kN，然后分級施加水平荷載到V=205 kN，全部加載完畢后先卸載水平荷載到0，然后卸載軸向拉力到0。

2 有限元分析結果

2.1 法蘭盤的厚度對軸向剛度的影響

以第2荷載步，即單獨施加軸力到N=2 033 kN的情況來考察法蘭盤的厚度對剛性法蘭連接節點軸向剛度的影響。其法蘭連接各節點的荷載-位移曲線見圖2。

從荷載位移曲線圖2可以看出:隨著豎向荷載的增加，兩個試件的螺栓變形都很接近，且變形都很小。而對于法蘭盤的內、外邊緣，兩個試件都被張開且試件2的變形較試件1大。又由于內邊緣是軸向剛度的主要監測點，所以法蘭盤的厚度對連接節點的軸向剛度有影響，即厚度越薄其軸向剛度越小。

圖2 第2荷載步法蘭連接各節點的荷載-位移曲線

2.2 法蘭盤的厚度對軸向、剪切和彎曲剛度的影響

以第1荷載步，即單獨施加水平荷載到V=180 kN的情況來考察法蘭盤的厚度對剛性法蘭連接節點剪切和彎曲剛度的影響。由于在水平荷載作用下，其柱頂有一定的位移，且法蘭盤也會產生相對錯動，所以還挑選了相應節點的位移，其荷載-位移曲線見圖3。

在水平荷載的施加過程中，無論是從螺栓變形、柱子的頂點位移還是法蘭盤的相對位移來看，試件1和試件2的變形都差不多。從法蘭盤的內邊緣相對變形可分析出:法蘭盤的厚度對節點的彎曲剛度有影響，即試件2的彎曲剛度較試件1的小。法蘭盤的相對位移主要用來衡量連接節點的剪切剛度，由于試件1和試件2的法蘭盤相對位移相差甚小，所以法蘭盤的厚度對剪切剛度幾乎沒有影響。

針對第3步:先單獨施加軸力到N=1 333 kN，然后施加水平荷載到V=205 kN。其法蘭盤各節點的荷載-位移曲線見圖4。

對于螺栓和柱頂位置，這兩個試件的變形都差不多；從法蘭盤的內邊緣相對變形不難發現:法蘭盤的厚度對軸向和彎曲剛度有一定的影響，即試件2法蘭的軸向和彎曲剛度較試件1小。由于法蘭盤的相對變形相差很小，所以法蘭盤的厚度對連接節點的剪切剛度幾乎沒有影響。

圖3 第1荷載步法蘭連接各節點的荷載-位移曲線

3 結 論

通過ANSYS對試件結果的分析以及對以上荷載-位移曲線圖的研究，從法蘭連接節點的變形規律來分析法蘭盤的厚度對其節點剛度的影響，得出以下結論:

圖4 第3荷載步法蘭連接各節點的荷載-位移曲線

(1)在對構件的加載中，無論單獨施加豎向荷載、水平荷載還是先施加豎向荷載再施加水平荷載，螺栓的變形都很小，而法蘭內、外邊緣的變形稍微大一些。

(2)法蘭盤的厚度對鋼管柱頂點位移的影響不大，即在滿足承載力且螺栓的規格、型號都一樣的條件下，法蘭盤的厚度較薄者其頂點位移與厚度較厚者的頂點位移很接近。

(3)在滿足承載力且螺栓的規格、型號都一樣的條件下，法蘭盤的厚度對剛性連接節點的軸向和彎曲剛度有影響，而對剪切剛度沒有影響。即厚度較厚者其連接節點的軸向和彎曲剛度較大，而剪切剛度厚度較厚與較薄者相當。

[1]薛偉辰，黃永嘉，王貴年.500 kV吳淞口大跨越塔柔性法蘭原型試驗研究[J].工業建筑，2004，34(3):68-70.

[2]陳紹蕃.鋼結構設計原理[M].北京:科學出版社，2001.

[3]王笑峰，何敏娟，馬人樂，等.柔性法蘭節點試驗分析及簡化計算方法研究[J].工業建筑，2001，31(3):56-58，61.

[4]高 湛，彭少民，劉宗輝，等.變電構架中剛性法蘭的有限元分析[J].工業建筑，2005，33(增刊):294-297，309.

[5]鄧洪洲，傅俊濤，吳 靜.崖門大跨越輸電塔節點強度試驗報告[R].上海:同濟大學建筑工程系，2002.

[6]上海市建設和交通委員會.GB 50135-2006.高聳結構設計規范[S].北京:中國計劃出版社，2006.

[7]博嘉科技.有限元分析軟件-ANSYS融會與貫通[M].北京:中國水利水電出版社，2002.

[8]黃書珍，胡仁喜，康士廷，等.ANSYS12.0土木工程有限元分析從入門到精通[M].北京:機械工業出版社，2010.