螺栓預拉力對剛性法蘭連接節點剛度的理論設計研究

摘要：通過理論研究不同的螺栓預拉力在變電構架剛性法蘭連接中的應用，設計相應的試驗來分析高強螺栓與普通螺栓對法蘭連接節點剛度的影響。最后總結在試驗設計時所需的注意事項。

關鍵詞：螺栓；預拉力；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，各大電力設計院在變電構架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]。在各種鋼構件中，法蘭連接是鋼管連接的首選形式之一，這是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，而螺栓又分為高強螺栓和普通螺栓，不同的螺栓預拉力對法蘭連接節點的剛度有不同的影響。因此，高強螺栓[2]與普通螺栓對剛性法蘭連接節點剛度的分析是有必要的，從而研究不同的螺栓預拉力對節點軸向、剪切和彎曲剛度的影響。

一、試件的設計

由于本論文研究的是普通螺栓與高強螺栓對連接節點剛度的影響，且都同時采用剛性法蘭連接，剛性法蘭結構都采用20個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部尺寸，這些都是要根據具體的工程而定，這里我們不做論述。在對試件設計的時候，唯一不變的條件就是一組試件采用普通螺栓，一組試件采用高強螺栓，其他條件都一樣。所以設計為兩個試件， 試件一和試件二都采用剛性法蘭，其法蘭盤的厚度都為20mm，且鋼材的型號也都為Q235；試件一采用高強螺栓，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、試驗的布置

1.試件的布置方案。

由于本文需要研究螺栓對剛度的影響，連接節點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，所以我們需要對構件進行豎向荷載的加載；剪切剛度主要是受水平荷載的影響，所以需要對試件進行水平荷載的施加；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，這就要根據實際工程的需要，比如說在實際工程里，根據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所需施加荷載的大小。其中豎向荷載的施加方式包括構件自立式的和橫臥式的，這就需要根據試驗的設備具體而論來采用哪種方式施加荷載。因此，實驗室就必須具備對構件施加豎向荷載和水平荷載的裝置。通常，實驗室一般都是通過千斤頂對試件施加豎向荷載，再通過水平作動器來對試件施加水平荷載。

2.荷載﹑應變以及位移的觀測。

水平荷載可以通過水平作動器自動記錄其大小；而豎向荷載是通過液壓千斤頂來施加的，所以需要經過人為地來讀取其數據。

由于鋼管上各個位置的應變不同，所以需要對鋼管的主要位置進行應變數據的采取。我們可以對法蘭盤以上﹑以下的鋼管在平行于水平荷載的方向上布置一對應變片，然后在垂直于水平荷載的方向上布置一對應變片，同時我們還可以在加勁肋上布置一些應變片。當然應變片布置的不是越多越好，而是要根據具體的試驗操作，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鍵部位）布置應變片，而次要部位則可根據試驗操作的難易程度來布置應變片。試件上的應變是由電腦進行數據采集，所以我們只需要布置好應變片就可以了。

法蘭盤上的受力特點為：如果剛性法蘭中的螺栓受壓，則法蘭盤的內﹑外邊緣都張開；如果螺栓受拉，則法蘭盤的內﹑外邊緣都頂緊。所以根據這一特點，我們可以把百分表布置在法蘭盤的內﹑外表面邊緣處以及螺栓頂面處。由于法蘭盤上螺栓的數量較多，不可能每個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﹑下法蘭盤有相對錯動的可能，所以我們還需要在法蘭盤側面邊緣上布置位移計，頂部和底部的法蘭盤側面邊緣也同樣需要布置位移計，位移計布置的方向可取為平行于水平荷載和垂直于水平荷載。

三、試驗的加載及處理

1.試驗加載前的準備工作。

試件準備好以后，試件一由于采用高強螺栓，所以在試件加載之前，需要對試件一的螺栓按規范施加規定的扭矩，其扭矩大小為T=KdP[3]進行計算，其中K為扭矩系數，P為高強螺栓的預拉力，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.試驗加載。

在試驗正式加載之前，需要對試件進行豎向荷載和水平荷載的預加載，并檢查各個位置應變片﹑位移計和百分表的讀數是否正確，以及螺栓是否有松動的情況，如果螺栓有松動，則需要對螺栓重新施加扭矩。

根據前面所述，先對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，而是一級一級地加載，直至試件破壞或者荷載加不上去為止。最后對試件先施加豎向荷載再施加水平荷載來考慮螺栓對連接節點彎曲剛度的影響。在整個荷載的施加過程中，我們都要注意螺栓的松動情況以及位移計和百分表的讀數是否存在較大的偏差，如果存在較大偏差則需要檢查校對相應的百分表或者位移計。

3.試驗加載完的后處理工作。

試驗加載完之后，我們需要對數據進行處理，畫出這兩個試件相應的荷載—位移曲線圖和荷載—應變曲線圖。后處理的主要工作是對曲線圖的處理與分析，對比試件一和試件二相應的曲線圖，需要總結出以下幾個結論：（1）在單獨施加同一豎向荷載和水平荷載的情況下，對比出哪個試件的變形和應變較大。（2）在先施加豎向荷載再施加水平荷載的情況下，對比出哪個試件的變形和應變較大。從而總結出哪個構件的軸向剛度﹑剪切剛度以及彎曲剛度較大。最后提出高強螺栓和普通螺栓對法蘭連接節點剛度的有哪些影響。

四、結論及其建議

1.剛性法蘭構件不容易被拉壞，所以我們在施加豎向荷載以及水平荷載時，如果應變片的讀數很大或者百分表的讀數基本不變時，我們就可以停止加載了。

2.在對數據處理時，如果試件在施加水平荷載的時候，構件出現了整體扭曲（即構件的下部低端由于沒有固定牢靠而出現了扭轉）的情況，試件的最后位移應該扣除整體扭曲所引起的位移。

3.試驗中所測的是上﹑下法蘭盤各自的位移，而我們所需要的是相對位移，所以我們應該畫出法蘭盤的相對荷載—位移曲線圖。

4.本文研究的是高強螺栓與普通螺栓對法蘭連接節點的剛度的影響，所以試驗中位移不變的條件是一個試件采用了高強螺栓，一個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，這樣才能更好地對比其影響。

參考文獻：

[1]薛偉辰， 黃永嘉，王貴年.500kV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]GB50017-2003鋼結構設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2003

作者簡介：向洋，男，碩士研究生，1986年出生，單位：重慶工程職業技術學院。