單管塔塔腳混凝土墊層對地腳螺栓受力影響的數(shù)值分析

陳允銳 陳太平 馮 飛 湯偉方

(中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210006)

1 概述

鐵塔結(jié)構(gòu)在工程中應用廣泛，是一類高度較大、橫斷面相對較小的結(jié)構(gòu)，以承受水平荷載(特別是風荷載)為主。圓形鋼管鐵塔結(jié)構(gòu)主要運用于景觀塔，其與基礎(chǔ)的連接是結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重點。本文以江蘇徐州45 m插接景觀塔(金輪)項目為例，利用通用有限元軟件ABAQUS分析塔腳法蘭與樁基礎(chǔ)連接面的變形情況。本工程中采用的連接方式為螺栓—法蘭板連接。

工程中常用的螺栓—法蘭板連接包括無混凝土墊層和有混凝土墊層兩種形式，兩者在荷載傳遞機理上有明顯的不同。無墊層連接如圖1所示，塔底盤上下均通過螺帽固定，塔底法蘭板與基礎(chǔ)頂面脫開，鐵塔所受荷載通過螺栓傳遞給基礎(chǔ)。而有混凝土墊層的連接則是在塔底法蘭板和基礎(chǔ)之間添加了混凝土墊層。在遭受荷載作用時，不僅通過連接螺栓受力，混凝土墊層也參與荷載傳遞。

在純彎矩作用下，這兩種連接中每個螺栓絲桿的軸力分布如何，混凝土墊層在傳遞荷載時起到多大的作用，以及混凝土墊層作用下法蘭板變形有多大，規(guī)范中沒有明確的介紹。本文將圍繞這些問題，建立有限元分析模型，分析連接面受荷過程的變化情況。

2 工程概況

本文以江蘇徐州45 m插接景觀塔(金輪)項目為例，圖1給出了塔腳與基礎(chǔ)連接詳細構(gòu)造，為無混凝土墊層連接方式。表1列出了連接部位的具體參數(shù)。

表1 有限元模型參數(shù)表

3 有限元模型建立

為了研究圓形鋼管塔身與混凝土樁基礎(chǔ)頂面通過螺栓連接時，在純彎矩作用下連接面的變形，本文建立了ABAQUS有限元分析模型，分析螺栓軸力分布情況以及螺栓群中性軸位置。模型主要包括基礎(chǔ)、塔腳和連接螺栓三個部分。有限元模型參數(shù)見表1,模型如圖2所示。

3.1 材料本構(gòu)

有限元模型中，鋼材本構(gòu)采用理想彈塑性模型，彈性模量取為200 GPa，屈服強度取345 MPa，本構(gòu)曲線如圖3a)所示；螺栓為8.8級高強螺栓，選用線性強化本構(gòu)模型，彈性模型為200 GPa，泊松比0.3，屈服強度為640 MPa，極限強度為800 MPa，本構(gòu)曲線如圖3b)所示；混凝土選取ABAQUS自帶的損傷塑性模型，彈性模量取為30 GPa，泊松比0.2，本構(gòu)曲線如圖3c)所示。

3.2 接觸關(guān)系和網(wǎng)格劃分

ABAQUS的接觸模擬中，要在模型中的各個構(gòu)件上建立表面，并建立接觸對，采用主—從(Master-Slave)接觸算法。選擇主、從表面的原則是：從屬表面的網(wǎng)格劃分更加精細；若網(wǎng)格密度相近，應選擇較軟的材料表面為從屬表面。本文螺栓與螺栓孔的接觸中，螺栓表面為從屬表面，螺栓孔為主接觸面；法蘭板與混凝土基礎(chǔ)接觸中，混凝土表面為主屬表面，法蘭板為從接觸面。接觸屬性中,切向?qū)傩圆捎脽o摩擦接觸，法向?qū)傩圆捎糜步佑|。

螺栓絲桿采用EMBEDDED REGION約束內(nèi)嵌于基礎(chǔ)混凝土中，認為彼此不會發(fā)生滑動；螺帽與絲桿采用TIE約束，彼此也不會發(fā)生滑移；模型基礎(chǔ)底面采用完全固定約束。

為了減少計算誤差，同時也為了縮短計算時間，在螺栓與塔腳連接附近單元劃分的較細，而基礎(chǔ)網(wǎng)格劃分相對稀疏。圓形基礎(chǔ)網(wǎng)格劃分采用中性軸法,使網(wǎng)格更加規(guī)格化,縮短計算時間,利于接觸計算收斂?；A(chǔ)和塔腳網(wǎng)格劃分見圖4。

3.3 單元選擇

圓形基礎(chǔ)采用三維八節(jié)點線性減縮實體單元(C3D8R),C3D8R單元可以在接觸關(guān)系及大變形分析中進行線性和復雜的非線性分析。

圓形鋼管塔腳和法蘭板均采用二次四面體單元(C3D10)，這種四面體單元在劃分圓形孔洞的網(wǎng)格時應用廣泛；螺栓同樣采用C3D10單元。

4 分析結(jié)果

4.1 工程模型分析結(jié)果

根據(jù)工程計算，鐵塔塔腳彎矩標準值為1 800 kN·m，剪力標準值為55 kN，剪力較小，忽略不計。本文分析純彎作用下塔腳與基礎(chǔ)頂面的連接面受力變形。荷載施加在塔身鋼管截面參考點上，沿Z方向。參考點與鋼管截面耦合。

模型中設(shè)置基礎(chǔ)材料的彈性模量為30 GPa，圓形鋼管塔腳采用Q345B鋼材，彈性模量為200 GPa，螺栓為8.8級高強螺栓，彈性模量為200 GPa，屈服應力為640 MPa，極限應力為800 MPa。

圖5中分別給出了塔腳與基礎(chǔ)連接面有無混凝土墊層時的螺栓軸力分布。橫軸為螺栓分布的位置，縱軸為螺栓的軸力。從圖5可以看出，無混凝土墊層的連接面螺栓軸力分布為線性的，中性軸位置為通過圓形的直徑。離中性軸越遠的位置處螺栓軸力越大，靠近中性軸位置處螺栓軸力較小，并且最大螺栓拉力和最大螺栓壓力大小相等。

不同于無混凝土墊層的連接面，有混凝土墊層的連接面的地腳螺栓軸力分布并不是線性的，中性軸也沒有通過圓心，而是在離圓心262.76 mm的位置處。從圖5可以看出，由于混凝土的作用，受壓區(qū)的螺栓承擔的荷載明顯減少，大部分的壓力由混凝土受壓承擔。受拉區(qū)螺栓承擔的荷載沒有變化，但是由于中性軸的移動，受拉的螺栓數(shù)目增多，最外側(cè)受拉螺栓的拉力相比無混凝土墊層的連接也有所減小。

由于混凝土參與傳遞荷載的作用，有墊層的連接面在受到彎矩作用后不再保持平面，不滿足平截面假設(shè)。混凝土與受壓螺栓一起承受壓力，表2列出了混凝土墊層所承擔的壓力。從表2中我們可以看出，無混凝土墊層連接面處的彎矩傳遞是通過螺栓群的拉壓軸力傳遞，且受拉螺栓總拉力和受壓螺栓總壓力大小相等。而有混凝土墊層的連接面處彎矩是通過螺栓群的拉壓和混凝土受壓來傳遞，受拉螺栓總拉力大小與無墊層連接時相等，受壓螺栓總壓力值大幅度降低，大部分壓力通過混凝土傳遞。受壓螺栓的總壓力占總拉力值的4.2%，可以忽略不計，認為連接面處彎矩傳遞就是通過螺栓群的拉力和混凝土墊層的壓力傳遞。

表2 螺栓和混凝土承載荷載對比

從圖5中可以看到，在忽略受壓螺栓的情況下，從中性軸起算，可以認為受拉區(qū)螺栓軸力線性分布，滿足平截面受力。

4.2 與規(guī)范值比較

YD/T 5131—2005移動通訊工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中規(guī)定旋轉(zhuǎn)軸取為鋼管外壁接觸點切線。本工程中，鋼管外壁離圓心的距離為530 mm，以此為旋轉(zhuǎn)軸，得到的螺栓軸力分布見圖6。

圖6中三條曲線分別為無混凝土墊層螺栓軸力分布、有混凝土墊層螺栓軸力分布與按規(guī)范計算的螺栓軸力分布。可以看出，混凝土墊層會降低最大受拉螺栓軸力，對抗彎連接是有積極影響的。但是在有墊層連接中，從對比結(jié)果來看，中性軸位置并沒有達到圓形鋼管外壁處。中性軸離圓心較近，受拉螺栓數(shù)目相對少，最外側(cè)受拉螺栓計算值大于按規(guī)范規(guī)定計算值。

4.3 參數(shù)分析

從以上的分析結(jié)果出發(fā)，本文又分析了荷載大小和混凝土墊層彈性模量對于中性軸位置的影響。圖7給出了中性軸位置與圓鋼管截面的位置關(guān)系，中性軸距離圓心越遠，中性軸位置數(shù)值越大。

4.3.1荷載的影響

本文在實際工程荷載的基礎(chǔ)上，又分析了彎矩分別為3 600 kN·m,5 400 kN·m,7 200 kN·m和9 000 kN·m時的中性軸偏移位置。圖8為四種不同彎矩作用下有混凝土墊層連接面的分析結(jié)果。其中，橫軸為彎矩作用，縱軸為中性軸偏移鋼管圓心的距離。彎矩為3 600 kN·m時中性軸位置離圓心的距離為267.19 mm；彎矩為5 400 kN·m時中性軸位置離圓心的距離為271.92 mm；彎矩為7 200 kN·m時中性軸位置離圓心的距離為277.83 mm；彎矩為9 000 kN·m時中性軸位置離圓心的距離為284.90 mm。從圖8中可以看出隨著施加彎矩的增大，中性軸偏移鋼管圓心的距離越大。但是可以看出，彎矩大小對中性軸位置的影響有限。

4.3.2混凝土墊層彈性模量的影響

本文在以上的分析基礎(chǔ)上，改變了墊層彈模的大小，分析不同基礎(chǔ)剛度下的中性軸的偏移位置。圖9分別給出了基礎(chǔ)剛度為20 GPa～50 GPa時有墊層連接面的中性軸位置情況。橫軸為混凝土剛度，縱軸為中性軸位置。從圖9可以看出，20 GPa時中性軸為207.86 mm，30 GPa時中性軸為262.76 mm，40 GPa時中性軸位置則為293.91 mm，50 GPa時中性軸位置則為321.9 mm。

從圖9中也可以看出，隨著混凝土剛度的增大，中性軸偏移鋼管圓心的距離越大，而且變化很大，說明混凝土墊層的彈性模量對中性軸位置影響很大。

5 結(jié)語

本文以圓形單管塔身與基礎(chǔ)頂?shù)倪B接面為對象利用ABAQUS有限元軟件進行了分析，得出以下4點結(jié)論：

1)無墊層連接面中性軸通過鋼管圓心；而有混凝土墊層的連接面中性軸偏離圓心一定的距離；

2)有混凝土墊層的連接面受力時已不再滿足平截面的假定。但是，受拉螺栓從中性軸起算，仍然認為滿足平截面假設(shè)；無墊層連接面是通過螺栓群的拉壓作用傳遞彎矩，有墊層的連接面彎矩傳遞則是通過受拉螺栓、受壓螺栓和受壓混凝土傳遞彎矩；

3)規(guī)范規(guī)定中性軸在圓周邊位置，而數(shù)值模擬得到的中性軸離圓心更近，從而計算得到的受拉螺栓最大拉力也大于規(guī)范值。相比于無混凝土墊層連接面，混凝土墊層對抗彎有積極作用；

4)有混凝土墊層的連接面中性軸位置隨著彎矩增大，偏離圓心的距離也增大；隨著混凝土墊層彈性模量的增大，中性軸偏離圓心的距離也增大。相比于彎矩的變化，混凝土墊層的彈性模量對中性軸偏移的影響更大。