基于剛度分配法的彎剪組合螺栓法蘭設計探討

2015-07-16 03:36:14沈蘭華范開英孟慶琳

建筑機械化 2015年6期

沈蘭華，范開英，孟慶琳

（山東豐匯設備技術有限公司，山東濟南 250200）

沈蘭華，范開英，孟慶琳

（山東豐匯設備技術有限公司，山東濟南 250200）

[摘要]分析了螺栓法蘭連接的變形協調原則，提出了一種新的螺栓連接計算方法——剛度分配法，通過實例對法蘭連接不同計算方法的結果進行比較，得到應按螺栓分布情況對螺栓和連接斷面進行校核的結論，為工程實際中法蘭連接設計校核提供借鑒。

[關鍵詞]剛度分配法；螺栓法蘭；連接設計；法蘭計算

梁承受彎剪組合是一種常見的受力狀態，橋機，門機的主梁，塔機的“十字梁”底架[1]都是典型的彎剪組合結構形式。梁分段處采用螺栓法蘭連接、連接翼緣和腹板采用螺栓連接時的設計計算方法[2]有以下4種：a-等強度設計法，b-實用設計法，c-精確計算設計法，d-常用的簡化設計法。

精確計算設計法應是其他設計方法簡化的依據，其原理是按被連接的梁以翼緣和腹板各自分擔作用于拼接連接處的彎矩M，并以梁翼緣承擔彎矩MF，腹板同時承擔彎矩MW和全部剪力P來拼接連接的設計，其彎矩分配按照梁翼緣板和腹桿慣性矩比例進行分配。這種方法的計算結論和常用的簡化設計法有很大差異，特別是靠近翼緣板附近的螺栓按方法d計算時不參與梁的彎矩分配，但法c計算此部分產生的應力，兩種方法設計出螺栓的大小和數量差異很大。

1 剛度分配法思想

連接法蘭由螺栓群連接，梁（被螺栓孔削弱截面）受力應按照螺栓分布對梁受力的影響考慮，從應變的微觀角度分析，連接法蘭的變形由螺栓群的剛度決定。當螺栓群的實際布置剛度與梁自身的剛度不同時，梁局部位置承受的載荷為螺栓群傳遞的載荷，其設計應按螺栓載荷分配校核。

在梁受彎剪組合的作用下，計算的基本假定如下。

1）被連接的構件是絕對剛性的，而螺栓是彈性的，螺栓群的剛度與連接法蘭無關。

2）被連接的構件繞螺栓群中心O相對轉動，螺栓的應變只與位置有關。

2 螺栓載荷計算

梁法蘭處的彎矩為M，剪力為P，根據上述基本假定便可以得到：每個螺栓應變的大小與其到中心的距離成正比。

各顆螺栓承受的載荷為

式中 K——螺栓群剛度系數陣；

li——單個螺栓到螺栓群中心O的距離；

Ai——單個螺栓的截面積。

參照螺栓群法蘭計算公式[3]，螺栓群承受的彎矩等于法蘭的彎矩和

由式（2）和式（3）推導出

螺栓群的載荷剛度系數是個常值，與螺栓的分布位置和螺栓的大小有關。螺栓因彎矩產生的應力為

腹板上的螺栓是梁彎曲和梁剪切共同作用的結果。腹板螺栓水平分力由彎矩產生，垂直分力由剪力產生，假設腹板螺栓共有n個剪切面，腹板螺栓的合成應力為

由式(4)可以看出螺栓群剛度K由全部螺栓決定，且離法蘭距離越遠的螺栓承載越大，當翼緣板螺栓數目較多時，特別是有多排螺栓時，腹板螺栓對剛度的承載比例很小，對腹板螺栓來講，此值近似為定值。

由式（6）可以看出，由彎矩分配產生的應力為定值時，腹板螺栓受力只與剪應力有關。螺栓設計方法c算法是不精確的，當螺栓群剛度與梁剛度不一致時，載荷按照連接件分配，并不是由梁剛度決定。螺栓按方法d計算結果比實際偏小。

3 螺栓平法蘭連接計算

翼緣板計算時按扣除孔后的強度計算[3]，其應力分配不應從梁慣性矩考慮，而應考慮螺栓布置后螺栓群剛度與梁剛度的不同，計算螺栓強度對梁的應力影響。通常情況下，翼緣板的螺栓布置相對較多時，翼緣板的應力會有所增大，造成連接部位的應力集中。

3.1 對梁翼緣板的校核

根據螺栓的布置和被連接件的破壞形式，凈截面積的計算有以下兩種情況：螺栓并列布置時，構件在第一列釘孔處的截面最危險，構件可能與該凈截面發生破壞；螺栓錯列布置時，構件也可能沿鋸齒狀的凈截面發生破壞，取決于螺栓行列間距和孔徑大小[4]。

3.2 被孔削弱的連接件的強度計算

螺栓連接的構件強度按下式進行計算

式中 N——翼緣板螺栓載荷和；

Aj——構件凈截面積，按式（6）計算。

4 實例計算

某橋機跨距30m，中間承受在100t，承受彎矩750tm，在梁中間設置連接法蘭。法蘭尺寸為800×1600×30×14，按照螺栓連接法計算翼緣板需要M30螺栓15.4顆。實際螺栓群布置是一般多布置10%，因此布置17顆；腹板螺栓布置15 顆M24螺栓，螺栓為8.8級精制螺栓，連接法蘭為雙剪力板構造。法蘭連接螺栓布置形式如圖1所示。

圖1 連接法蘭一

對此進行精確計算設計法和簡化設計法進行比較，數據如表1。

表1 法蘭連接不同計算方法的結果比較

由表1中數據可以看出，選擇不同的校核方法，會得出不同的結論，特別是腹板螺栓載荷差別非常大。精確計算法的結論腹板螺栓已經不滿足要求，但實際上梁的變形從形心線開始往兩端變形越來越大，腹板螺栓的變形要小于翼緣板螺栓變形，翼緣板的螺栓未發生塑性變形前，腹板的螺栓也不可能破壞。因此精確計算法的計算假設條件是有問題的，在法蘭連接設計不應按此方法校核。

簡化計算法與螺栓群剛度分配法比較發現，實際上腹板螺栓即使取小后，其分擔彎矩的部分也會變小。通常情況下，梁腹板從邊緣到中間的彎曲應力衰減比剪切應力增大的幅度要快，因此梁腹板只通過剪力校核就滿足要求，這個經驗同樣適用于螺栓計算。因此在簡化算法中，翼緣板螺栓承受所有彎矩，腹板螺栓也只承受剪力的計算方法是可行的。但簡化計算法并不能反映真實的應力分布。

優化上述實例中連接方案，使螺栓大小更接近連接板厚，按翼緣板采用20顆M30螺栓，腹板采用15顆M16螺栓，如圖2布置。優化結果如表2所示。