緊固力矩下變電構架法蘭螺栓原型試驗研究與有限元分析

魏珍中，劉建秋，商文念，劉 勇，李 林

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013）

0 引言

變電構架梁、人字柱和地線柱之間的連接一般采用法蘭連接，螺栓安裝過程中需要施加一定的緊固力矩，文獻［1］規定了常規變電構架法蘭螺栓的緊固力矩，預緊的目的在于增強連接的可靠性和緊密性，防止受載后被連接件間出現縫隙或相對滑移［2］，傳統計算理論［3-4］近似假定螺栓群在彎矩作用下繞固定的旋轉軸旋轉，螺栓偏離旋轉軸越遠，變形越大。文獻［5-6］對法蘭螺栓采用ANSYS軟件進行了有限元分析，對500 kV變電構架中法蘭螺栓在拉彎荷載作用下的應力分布和變形特點進行非線性數值分析，螺栓采用實體單元模擬，單元數量較多。文獻［7］指出螺栓預拉力對柔性法蘭連接法蘭剛度有影響，會影響法蘭螺栓的受力，探討了試驗設計的思路。上述文獻都未考慮螺栓的緊固力矩，當前針對緊固力矩下變電構架法蘭螺栓受力性能特點并沒有相關試驗研究，因此需要采用新的計算方法進行有效和精確分析，并通過原型試驗驗證計算的正確性，以便為優化構架法蘭細部提供依據，提高構架法蘭螺栓設計的安全性和合理性。

1 變電構架法蘭螺栓原型試驗

1.1 試驗對象

選取某500 kV變電站的220 kV屋外鋼管構架法蘭為研究對象，通過構架節點原型試驗，模擬工程實際工況組合下的構架內力加載，開展構架法蘭螺栓受力狀態的研究。

試驗采用1∶1比例的原型柱頭，見圖 1，總重3.6 t，所用材質為Q345B鋼材，焊條類型為E50型，螺栓為8.8級，底部與地面鋼板焊接。為完成試驗加載并使得模型符合荷載工況下的受力特點，避免加載位置處的應力集中及變形過大，采取了兩種措施：一是在加載的左右梁端和地線柱端鋼管截面內部分別焊接了3道橫向加強板，板厚10 mm；二是在加載點處設置鋼箱梁或鋼板作為墊板，首先承受千斤頂傳來的集中力，再通過鋼板將荷載傳遞至局部平面，以加載點距應力關注點的長度為截面高度的2～3倍以上來確定外伸鋼管梁尺寸，滿足端部鋼管截面受力后的平截面假定，避免應力集中下局部變形過大的情況。

圖1 構架節點試驗

1.2 試驗方法

如圖2所示，在左右外伸梁法蘭連接處（左編號1，2兩個壓力傳感器，右編號4，5兩個壓力傳感器）及地線柱（編號3壓力傳感器）法蘭連接處，分別設置壓力傳感器，測量螺栓的受力狀態。

根據《機械設計手冊》［8］采用扭矩扳手對螺栓施加緊固力，螺紋聯結的擰緊力矩計算公式為

式中：T為擰緊力矩；K為擰緊力矩系數，K在0.1～0.3范圍內變動；F0為預緊力，碳素鋼螺栓F0＝（0.6～0.7）σsAs，合金鋼螺栓 F0＝（0.5～0.6）σsAs，σs為螺栓材料的屈服點，As為螺栓公稱應力截面積；d為螺紋公稱直徑。

近似按照 T＝0.2（0.5σsAs）d 進行施加緊固力矩，螺栓的緊固力矩計算結果與文獻［1］基本相同。

試驗工況選擇220 kV鋼管構架整體大風單側工況進行加載。根據工況下的各桿件單元的局部坐標系下的內力（彎矩、剪力、軸力等），各桿件單元的局部坐標系以及結構的整體坐標系關系，將內力值（彎矩）轉換到整體坐標系上來；隨后通過力的平衡（彎矩平衡）進行校驗；最后根據與構架節點相連各桿件的桿端彎矩（整體坐標系下）及梁、地線柱加載點距構架節點中心的距離，確定梁 （地線柱）端的荷載。

圖2 螺栓壓力傳感器布置實景

構架節點處與實際整體模型產生的內力基本相當，可以通過對梁端和地線柱端施加集中荷載以實現對中心點彎矩的等效。在考慮彎矩等效的基礎上，對剪力值進行校核有一定偏差，但由于剪力值相對較小且偏差值在可接受的范圍，因此該模型能基本反映構架節點的主要受力特點。

對構架節點模型設置5個加載點，分別在左右梁端水平方向（左梁Fl和右梁F4）和豎向加載點（左梁F2和右梁F5），地線柱水平加載點（F3），加載值見表1。

表1 構架節點模型荷載點的加載值 kN

加載初始階段，調整所有螺栓的緊固力矩為310 N·m（8.8級 M20在緊固力矩為 310 N·m，折合緊固力為77.5 kN，扭轉系數為0.2，先把5個傳感器的應變歸零，采取5個加載點分階段同時加載的方式，每分鐘加載5～7 kN，進行4階段加載，每階段穩定5 min，盡可能消除應變率的影響，模擬靜力加載。

1.3 試驗結果

實際試驗過程中，由于5個加載點受荷載后，會產生相互影響，精確使得各加載點的荷載與設計荷載完全相同難度較大，故在實施過程中，按各級加載階段值的5%控制誤差，在模擬計算中以各加載點實際受荷為準。

梁（地線柱）端荷載與對應的1～5號壓力傳感器示值的關系如圖3～7所示。

圖3 左梁水平荷載與1號壓力傳感器值的關系

圖4 左梁豎向荷載與2號壓力傳感器值的關系

圖5 地線柱水平荷載與3號壓力傳感器值的關系

圖6 右梁水平荷載與4號壓力傳感器值的關系

圖7 右梁豎向荷載與5號壓力傳感器值的關系

試驗表明，螺栓在緊固力矩作用下，壓力傳感器荷載變化均保持平穩，當大于某一數值后，增加較快。分析原因可能是由于法蘭貼合面的減少導致螺栓受力增加較快。根據受力部位的不同，壓力傳感器增加的壓力（可近似看作螺栓增加的拉力）值在18～53 kN范圍內，考慮緊固力矩，螺栓的軸向力在85～131 kN。螺栓受力增加值相對于預緊力較小，同時也說明螺栓的預緊力不可以忽略。

2 有限元仿真

2.1 ANSYS和SolidWork

上述試驗數據為驗證數值理論計算的正確性提供支撐。文獻［5-6］采用ANSYS軟件對變電構架法蘭螺栓進行了有限元模擬，螺栓采用實體單元，實體計算花費時間長，計算機配置要高，接觸定義也很繁瑣。經過研究發現，相比通用有限元軟件ANSYS，三維機械設計軟件SolidWorks對于分析復雜構架節點更合適，軟件中的Simulation模塊可以簡單快速對構架節點進行建模和有限元分析，軟件提供螺栓標準件庫［9］，可非常方便地實現螺栓緊固力矩施加和螺栓內力輸出，并可自動識別裝配體的接觸組。

2.2 模型構建與仿真

現行規范［4］在計算剛性法蘭螺栓受力時，假定旋轉軸為與管外壁相切或為管中心，實際旋轉軸多是介于兩者之間。為克服現行計算方法中的不足，運用SolidWorks軟件對試驗柱頭進行了有限元分析。模型按照柱頭節點的實際尺寸建模，模型加載時底部邊界按照固定約束，載荷按照表1中的試驗數值加載，模型、邊界條件和加載點位置見圖8。

圖8 Solidworks模型

考慮到構架法蘭處與加載點距離較遠，避免了在銜接處產生較大的應力集中，法蘭劃分網格時，針對應力集中點細化網格。對單側大風工況下構架進行有限元分析，位移和應力云圖分別見圖9和圖10。模型整體位移連續性比較好，對模型節點法蘭貼合處有撬開的趨勢，符合接觸單元和實際加載的變形情況。

圖9 構架節點的位移云

圖10 構架節點的von-Mise應力云

2.3 結果驗證

為驗證有限元分析的正確性，對理論計算值［4］（已考慮預緊固力77.5 kN）、試驗結果和SolidWorks仿真結果進行對比，如表2所示，從表中可以看出左右梁與地線柱節點連接處法蘭螺栓的理論計算值與仿真結果基本相同，誤差在3.9%以內。仿真數值與試驗值基本一致，差別在6.2%～13.9%以內，偏差的主要原因是真實構件受到構件制作質量、儀器檢測誤差、殘余應力、幾何缺陷和加載偏心等的影響，并且法蘭處受力相對集中，受力變化梯度較大，測點位置稍有出入，螺栓受力相差較為明顯。但總體上講，未對構架法蘭螺栓的受力產生較大影響。

仿真結果與試驗結果吻合較好，驗證了SolidWorks計算方法的合理性，同時也可看出，理論計算如不考慮緊固力矩，將會偏小約70%。

3 結語

開展原型試驗，研究變電構架柱頭法蘭螺栓在緊固力矩作用下的受力性能，并采用機械有限元軟件SolidWorks對試驗模型進行精細化分析。

原型試驗表明，螺栓在緊固力矩作用下，壓力傳感器荷載變化均保持平穩，當大于某一數值后，增加較快。螺栓緊固力矩對于螺栓受力增加值是不可忽略的，因此計算螺栓受力時應考慮緊固力矩對法蘭螺栓的影響。

分析大風工況下柱頭法蘭螺栓的受力情況，對理論計算值、試驗結果和SolidWorks分析結果進行對比，3個結果吻合較好，驗證了SolidWorks仿真方法的合理性。