桿塔剛性法蘭加勁肋在軸力作用下的荷載分配

楊隆宇，施菁華

(中國電力工程顧問集團(tuán) 華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100120)

桿塔剛性法蘭加勁肋在軸力作用下的荷載分配

楊隆宇，施菁華

(中國電力工程顧問集團(tuán) 華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100120)

鋼管構(gòu)件節(jié)點(diǎn)處拉力分別通過加勁肋和法蘭盤環(huán)形焊縫傳遞，二者傳力分配對(duì)加勁肋承載力計(jì)算有較大影響。現(xiàn)有研究對(duì)傳力比例是固定還是動(dòng)態(tài)變化、二者分配比例都有不同理解；同時(shí)，規(guī)范中給出的計(jì)算方法存在與實(shí)際明顯不符之處。由于剛性法蘭加勁肋設(shè)置的特點(diǎn)，在試驗(yàn)中不易提取到環(huán)形焊縫及加勁肋端部傳遞的軸向荷載的準(zhǔn)確值，因此，建立6個(gè)不同螺栓數(shù)的包含鋼管、法蘭、螺栓、加勁肋、焊縫的完整剛性法蘭模型(鋼管分別為φ219×8、φ506×8)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)實(shí)際受力情況分別設(shè)置數(shù)百個(gè)接觸對(duì)的接觸行為和參數(shù)。將模型求解結(jié)果與現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，表明模型有較好精度；通過加勁肋傳遞的內(nèi)力比例隨參數(shù)Ly/Lx變化；現(xiàn)有規(guī)范中給出系數(shù)α偏保守。結(jié)合模型計(jì)算結(jié)果，考慮剛性法蘭工程實(shí)際并保留一定裕度，給出簡(jiǎn)化的剛性法蘭加勁肋計(jì)算公式，為設(shè)計(jì)提供參考。

特高壓；剛性法蘭加勁肋；有限元；荷載分配；簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

0 引言

與特高壓線路桿塔建設(shè)的相關(guān)研究在我國不斷推進(jìn)[1-5]。鋼管作為常用截面，其節(jié)點(diǎn)處用法蘭和螺栓連接，是重要的受力部件。現(xiàn)有對(duì)剛性法蘭的研究多針對(duì)法蘭盤，對(duì)加勁肋的分析較少[6-7]。

在受拉時(shí)，由于螺栓拉力通過2個(gè)路徑傳遞，因此，加勁肋所傳遞拉力的比例是很重要的輸入?yún)?shù)。現(xiàn)有研究對(duì)此只有不同認(rèn)識(shí)，文獻(xiàn)[8]中給出的傳力比例隨Ly/Lx不同而變化，認(rèn)為最大時(shí)90%以上拉力都通過加勁肋傳遞；文獻(xiàn)[2]146通過分析得出加勁肋傳遞約40%拉力的結(jié)論。

由于剛性法蘭構(gòu)造復(fù)雜，試驗(yàn)中不易精確測(cè)得通過加勁肋和鋼管傳遞的內(nèi)力大小，因此通常通過建立有限元模型的方法研究其受力情況。對(duì)節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的簡(jiǎn)化方式的不同理解是造成各文獻(xiàn)所得結(jié)論不統(tǒng)一的另一個(gè)原因。分析過程中常利用構(gòu)件對(duì)稱性只建立局部模型[9-12]，在對(duì)稱面上人為設(shè)定的邊界條件不能很好地反映鋼管、法蘭、螺栓、加勁肋、焊縫等的相互作用，最終求解的應(yīng)力和變形與實(shí)際情況存在一定不同；另一個(gè)常用的簡(jiǎn)化方式是用SHELL單元代替SOLID單元，這樣能減少單元數(shù)量并保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性，也便于提取內(nèi)力，但是法蘭節(jié)點(diǎn)中，鋼管、法蘭、加勁肋厚度的量級(jí)相差較小，如果個(gè)別部件采用無厚度的SHELL單元，這會(huì)對(duì)其他部件幾何尺寸產(chǎn)生較大影響。

針對(duì)上述不足，本次采用高階SOLID單元按實(shí)際尺寸建立完整的包含接觸行為的精細(xì)化有限元模型(包含法蘭、螺栓、鋼管、焊縫、加勁肋等部件)，考慮不同Ly/Lx的影響，探討軸向拉力作用下加勁肋傳力狀態(tài)；分析并修正現(xiàn)有計(jì)算方法中不合理的設(shè)定，得到適用于加勁肋計(jì)算的簡(jiǎn)化公式。

1 有限元分析

為研究不同Ly/Lx、螺栓個(gè)數(shù)、法蘭盤厚度時(shí)剛性法蘭傳力路徑及對(duì)加勁肋受力的影響，共計(jì)算6種尺寸的有限元模型。鋼管規(guī)格分別為φ219×8、φ506×8，法蘭、鋼管、加勁肋為Q345鋼材，彈性模量E=2.06e11 Pa，泊松比0.3，螺栓采用8.8級(jí)M24。根據(jù)Q345材性試驗(yàn)結(jié)果，鋼材本構(gòu)關(guān)系采用多折線模型。之前研究受拉剛性法蘭經(jīng)常利用對(duì)稱性采用簡(jiǎn)化模型，會(huì)對(duì)最終計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。為解決這一問題，本次建立完整的剛性法蘭計(jì)算節(jié)點(diǎn)。剛性法蘭計(jì)算模型如圖1，模型參數(shù)見表1。

節(jié)點(diǎn)一端固定，一端施加拉力；螺栓、焊縫、加勁肋、鋼管、法蘭等相互之間接觸行為、參數(shù)等根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，更具模型復(fù)雜程度不同，最多需設(shè)置數(shù)百個(gè)接觸對(duì)。

圖1 剛性法蘭計(jì)算模型

模型細(xì)部網(wǎng)格劃分如圖2所示。模型中綜合應(yīng)用高階SOLID單元：對(duì)規(guī)則實(shí)體采用六面體單元；對(duì)形狀復(fù)雜、不規(guī)則的實(shí)體將其退化為四面體單元。由于本次加勁肋與鋼管、法蘭盤的厚度相差不大，且法蘭盤厚度還影響螺栓桿長、對(duì)其變形有較大影響，因此各部位均以實(shí)體模型建立，通過加密網(wǎng)格來保證計(jì)算精度。

圖2 模型網(wǎng)格劃分

G13模型求解后如圖3所示，提取到的加勁肋截面應(yīng)力如圖4所示。模型變形趨勢(shì)和等效應(yīng)力分布規(guī)律符合力學(xué)計(jì)算模型。應(yīng)力集中區(qū)域、破壞過程與文獻(xiàn)[2]148中剛性法蘭節(jié)點(diǎn)受拉試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖3 模型等效應(yīng)力圖

圖4 加勁肋截面內(nèi)力

2 加勁肋傳力比

剛性法蘭中螺栓拉力主要通過2個(gè)路徑傳遞到鋼管：通過法蘭和鋼管之間環(huán)形焊縫傳遞(路徑I)，通過加勁肋傳遞(路徑II)，如圖5所示。

圖5 剛性法蘭節(jié)點(diǎn)傳力路徑

本次模型計(jì)算所得2個(gè)路徑的傳力比例列于圖6中。

圖6 傳力路徑比較

本次計(jì)算的6種模型，通過加勁肋傳遞的力與通過環(huán)形焊縫傳遞的力之和與施加的外荷載相符，計(jì)算模型有足夠的精度。當(dāng)Ly/Lx增加時(shí)路徑II傳力比例整體上升，路徑I逐漸下降，表明2個(gè)傳力路徑之間的分配比例是動(dòng)態(tài)變化的，加勁肋傳遞的力在40%～60%范圍。

文獻(xiàn)[8]24中根據(jù)不同Ly/Lx給出不同的α值和本次有限元計(jì)算得到的α值的對(duì)比如圖7所示。

圖7 加勁肋傳力比α

圖7中CODE曲線為文獻(xiàn)[8]40曲線，F(xiàn)EA曲線為有限元計(jì)算后擬合曲線。CODE曲線整體偏高(平均比FEA曲線高70%)，當(dāng)Ly/Lx增大后二者差值趨于穩(wěn)定，大約為40%左右。結(jié)果表明文獻(xiàn)[8]40給出的加勁肋的α值偏保守。

3 建議的加勁肋計(jì)算公式

加勁肋計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖8所示。文獻(xiàn)[8]40中對(duì)加勁肋的計(jì)算給出下列公式：

(1)

(2)

(3)

(4)

圖8 加勁肋計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖9 不同加勁肋厚度對(duì)應(yīng)的承載力

圖10 水平焊縫應(yīng)力

圖10中曲線f表示焊縫的應(yīng)力設(shè)計(jì)值，f1～f3為不同α?xí)r驗(yàn)算得到的焊縫應(yīng)力。可以看出，僅當(dāng)α值很小時(shí)部分厚度的加勁肋的焊縫低于應(yīng)力限值，其α加大后即便加大的加勁肋厚度均無法滿足要求。這與實(shí)際情況也是不符的，表明公式(4)并不能很好地應(yīng)用于加勁肋的設(shè)計(jì)、驗(yàn)算。

出現(xiàn)這種情況的原因是公式(4)中計(jì)算焊縫截面時(shí)在加勁肋邊長方向加入了一項(xiàng)“2t”，使二者關(guān)系從線性變成了拋物線形式。由于該部位主要承受法向拉力，觀察公式(4)之后很自然的想法是原文中參數(shù)“2t”的加入是來自文獻(xiàn)[7]55中對(duì)角焊縫計(jì)算長度的說明：要求每條焊縫實(shí)際長度減去2倍hf(hf為焊腳尺寸)。由于公式(4)中按對(duì)接焊縫考慮，“2hf”就變成“2t”。

為調(diào)和上述不合理，考慮文獻(xiàn)[8]40給出的加勁肋的α偏保守，根據(jù)輸電塔中剛性法蘭實(shí)際情況，并考慮一定安全裕度，建議將公式(4)改為：

(5)

式中：tg為鋼管壁厚。

采用公式(5)計(jì)算常用Ly/Lx范圍加勁肋承載力與M24螺栓對(duì)比如圖11。

圖11 建議的加勁肋計(jì)算方法

4 結(jié)論

與現(xiàn)有剛性節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)對(duì)比可知，建立的完整剛性法蘭模型具有較好精度，并有效解決了節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)提取內(nèi)力困難的問題。通過對(duì)文獻(xiàn)[8]40計(jì)算方法的分析和有限元計(jì)算，得到下列結(jié)論：

(1)剛性法蘭節(jié)點(diǎn)中通過加勁肋傳遞的內(nèi)力占比不是一成不變的，它隨節(jié)點(diǎn)幾何參數(shù)Ly/Lx非線性變化，與文獻(xiàn)[8]40描述的情況比較接近。

(2)在Ly/Lx=0.3～1.0范圍時(shí)，文獻(xiàn)[8]40中加勁肋傳力比例α=0.67～0.85，其值比有限元計(jì)算結(jié)果平均高70%，當(dāng)Ly/Lx增大后二者差值雖趨于穩(wěn)定，依然相差約40%。文獻(xiàn)[8]40明顯偏保守。考慮剛性法蘭節(jié)點(diǎn)的實(shí)際情況，α可適當(dāng)放寬。

(3)文獻(xiàn)[8]40給出的加勁肋B邊計(jì)算公式存在不合理之處，該公式不能很好地用于加勁肋設(shè)計(jì)、驗(yàn)算。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果和該公式設(shè)計(jì)思路，給出建議的簡(jiǎn)化公式，可為工程設(shè)計(jì)作參考。

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Load Allocation for Rigid Flange Stiffener Connection Used in UHV Transmission Tower under Axial Force

YANG Longyu，SHI Jinghua

(North China Power Engineering Co. Ltd. of China Power Engineering Consulting Group，Beijing 100120，China)

For circle hollow section members, there are two components for the transmission of axial load: the circumferential weld and flange stiffener. The allocation proportion of axial load has great influence on the design of stiffener. It is controversial that whether the allocation proportion is dynamic; and meanwhile, the share of stiffener is quite different in recent studies. The calculation formula of existing design method does not agree with the fact. Due to the complexity of joint structure, it is hard to measure the accurate stress of the force transmission whole components (stiffener and circumferential weld). The finite element models of 6 rigid flange stiffener joints are established which contain components such as pipes(φ219×8,φ506×8), flanges, bolts, stiffeners, and welding seams. Hundreds of contact pairs are defined by contact behavior and parameters for these FE models. The results show: data obtained after solution phase is in good precision comparing with available experiment; parameter α varies withLy/Lx; the existing design method provides a rather conservative result. Taking consideration of FEA results and engineering status, the proposed formula can be an effective solution for flange stiffener connection design.

UHV；stiffener of rigid flange；FEA；load allocation；simplified design

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.04.013

2016-12-22。

TU392.6

A

1672-0792(2017)04-0069-05

楊隆宇(1981-)，男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檩旊娋€路桿塔設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。