角鋼塔連接螺栓考慮預緊力的拉剪計算方法研究

鄢秀慶,龔 濤,劉翔云,蒲 凡,李 鐘

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司,四川 成都 610021)

0 引 言

角鋼塔一般采用螺栓連接,螺栓主要承受剪力作用。但GB 50233—2014《110 kV～750 kV架空輸電線路施工及驗收規范》[1]基于擰緊及防松的目的,要求在施工時施加一定的扭矩,該扭矩將在螺桿內形成一定的拉力,在疊加剪力后使得螺栓處于拉剪受力狀態。DL/T 5486—2020《架空輸電線路桿塔結構設計技術規程》[2]未要求對螺栓進行拉剪受力的復核,僅給出了純剪力的計算公式,導致計算結果偏于冒進。

民用鋼結構領域的JGJ 82—2011《鋼結構高強度螺栓連接技術規程》[3]僅規定了高強度螺栓的緊固扭矩值,對普通螺栓的緊固扭矩值并沒有作明確規定;文獻[4-7]主要針對高強度螺栓預緊力對其受剪影響進行了系統研究。計算表明,目前規范規定的緊固扭矩值會使得設計偏于不安全,主要是依靠螺栓強度的安全系數進行抵抗。因此,很有必要研究緊固扭矩對普通螺栓受剪的影響。

下面結合鋼結構設計原理[8]理論推導了輸電塔普通受剪螺栓在預緊力作用下的抗剪剩余承載力比的計算方法,并結合有限元分析對該方法進行了論證。同時采用有限元精細化數值模擬分析了預緊力對普通螺栓抗剪承載力的影響,驗證了理論推導結論;最終依據預緊力和抗剪承載力之間的關系,推薦了輸電塔普通抗剪螺栓的緊固扭矩值,為工程設計提供了設計依據。

1 緊固扭矩對普通螺栓受剪的影響

1.1 緊固扭矩的取值

GB 50233—2014、DL/T 5486—2020給出了受剪螺栓緊固扭矩的最小值,并注明了M24為8.8級螺栓,如表1所示。

表1 常見規格螺栓的施工緊固扭矩值

國家電網公司企業標準Q/GDW 10115—2022《110 kV～1000 kV架空輸電線路施工及驗收規范》[8]第9.1.7條給出了4.8級、6.8級角鋼塔螺栓的最小緊固扭矩,如表2所示。

表2 常見規格螺栓的施工緊固扭矩值

特高壓鋼管桿塔法蘭螺栓的最小緊固扭矩,如表3所示。

表3 特高壓工程推薦的施工緊固扭矩值

表1至表3表明,對于6.8級M16螺栓,工程中規定的緊固扭矩值為80 N·m;對于6.8級M20螺栓,工程中規定的緊固扭矩值為100～160 N·m;對于8.8級M24螺栓,工程中規定的緊固扭矩值為250～380 N·m。

1.2 施工預緊力的計算方法

依據《機械設計手冊》[9],普通螺栓預緊力P的計算方法為

(1)

式中:K為擰緊力矩系數,計算表明可近似取0.2;d為螺栓公稱直徑,mm;T為緊固扭矩。

根據各規范緊固扭矩取值,反算預緊力如表4所示。

表4 緊固扭矩的預緊力計算值

假定預緊力在輸電塔普通螺栓的服役過程中一直存在,此時螺栓會承受拉剪耦合效應,這一定程度削弱了螺栓的抗剪作用,根據GB 50014—2017《鋼結構設計標準》[10]第11.4.1條規定,承受拉剪耦合作用時,普通螺栓的承載力應滿足式(2)要求。

(2)

由式(2)可以推導出抗剪螺栓考慮預緊力后的剩余承載力比為

(3)

根據式(3)計算得到考慮預緊力后的抗剪剩余承載力比如表5所示。

表5 考慮預緊力后的抗剪剩余承載力比

表5表明,由于預緊力的影響,受剪螺栓的抗剪剩余承載力比在0.83～0.94區間,承載力較純剪時下降了6%～17%,緊固扭矩越大,其抗剪剩余承載力越小。螺栓在實際受力時,由于連接板面鍍鋅與螺栓連接面存在摩擦。螺栓抗剪滑移時是一個緩慢運動的過程,可以假定這種由于預緊力產生的摩擦力是一直存在,分擔了一部分外部剪力,使得螺栓螺桿實際承載的剪切力減小了。鍍鋅連接面的摩擦系數μ近似取0.15,結合GB 50014—2017高強度摩擦型螺栓的抗剪承載力計算形式,可以假定預緊力產生的摩擦力為

Vμ=0.9μP

(4)

考慮摩擦力后的抗剪剩余承載力比為

(5)

考慮螺栓摩擦力后抗剪剩余承載力比如表6所示。

表6 螺栓考慮摩擦力后抗剪剩余承載力比

表6表明,考慮螺栓摩擦力后,剪切螺栓的抗剪剩余承載力比在0.92～0.99區間,仍小于1.0,表明按照規范規定的緊固扭矩進行螺栓緊固后,所產生的預緊力對螺栓的抗剪承載力具有較大削減作用。而這種影響在結構設計中并沒有考慮,主要是通過材料的分項系數來抵抗,從設計上來講,這是偏于不安全的,降低了螺栓的可靠度。

2 數值模型驗證

為進一步研究預緊力狀態下受剪螺栓的抗剪性能,采用數值模型進行驗證。采用板式雙剪模型進行數值分析,為了避免螺栓的承壓破壞,板件材料強度為Q420,加載板厚度取30 mm,固定板厚度取15 mm,螺栓采用8.8級M24,屈服強度取640 MPa[11],預緊力在螺桿中部截面對稱施加,摩擦系數取0.15,模型構造見圖1所示。

圖1 板式雙剪模型構造

2.1 數值模型

為了精確模擬螺栓的受力,螺栓與板之間采用接觸約束,采用實體單元模擬;材料采用理想彈塑性本構;約束住約束板的左端,在板的右端施加拉伸荷載,進行幾何非線性分析。數值模型如圖2所示。

圖2 板式雙剪模型

按照屈服強度計算出單顆螺栓的全截面塑性抗剪承載力為289.5 kN,由此得到雙剪模型的抗剪極限承載力為1158 kN,為了研究預緊力對螺栓抗剪承載力的影響,設計了4種加載工況,如表7所示。

表7 工況信息

2.2 應力云圖

在極限破壞狀態下,雙剪模型的整體應力云圖如圖3所示。

圖3 雙剪模型的應力云圖

圖3表明,極限破壞狀態下,螺栓附近板的應力已經進入了塑性,螺桿大部分區域也進入了塑性,存在明顯的剪切變形,螺栓最終被剪壞。

2.3 預緊力對螺栓抗剪承載力的影響

數值計算得到了所設計的4種加載工況下雙剪模型抗剪承載力,如表8所示。

表8 各工況的極限抗剪承載力

由表8可知,預緊力為0時,抗剪承載力為1 005.28 kN;隨著預緊力的增加,雙剪模型的抗剪承載力逐漸減小,預緊力越大,這種減小趨勢越明顯,近似呈二次拋物線減小,如圖4所示。

圖4 預緊力對螺栓抗剪承載力的影響

數值分析表明,隨著預緊力增大,螺栓的抗剪承載力是減小的,這與第1.2節理論分析結論是一致的,且預緊力越大,螺栓抗剪承載力減小越明顯。因此,工程設計中需要考慮預緊力對普通螺栓的抗剪承載力影響。

2.4 參數分析論證

為了綜合對比理論計算公式的有效性和可靠性,進行參數分析,如表9所示。參數分析的變量包括螺栓型號、預緊力及摩擦系數,共計36組。

表9 各工況的抗剪剩余承載力比

改變有限元模型的部分參數,進而計算M16、M20及M24螺栓在各工況下的抗剪剩余承載力比,并定義γ為理論計算與有限元計算抗剪剩余承載力比的比值,作出各工況下的γ如圖5所示。可以看出:理論計算抗剪剩余承載力比略大于有限元計算抗剪剩余承載力比,且保證率約為97%,整體吻合良好。

圖5 各工況的理論計算與有限元計算抗剪剩余承載力比的比值

3 普通螺栓緊固扭矩取值推薦

理論推導和數值研究結論表明,預緊力對普通螺栓抗剪承載力存在一定的影響,預緊力越大,其抗剪承載力削弱越明顯。目前輸電塔普通螺栓在抗剪設計時,并沒有考慮緊固扭矩所產生的預緊力影響。計算表明,按照現有標準規定的緊固扭矩進行螺栓擰緊,其產生的預緊力對設計來說是偏于不安全的,因此有必要重新推薦普通螺栓的緊固扭矩值,保證設計的可靠性。

按照式(5)計算6.8級M16、6.8級M20和8.8級M24螺栓在不同預緊力下的螺栓抗剪剩余承載力比,如圖6所示。

圖6 預緊力對螺栓抗剪剩余承載力比的影響

圖6表明,預緊力越大,螺栓抗剪剩余承載力比越低,近似呈二次拋物線關系。ηt不大于0.3時,可不考慮預緊力對螺栓受剪力的影響。同時,文獻[3]中關于承壓型螺栓,將其分為適度擰緊型和完全預緊型,適度擰緊型為采用扳手擰緊達到連接面緊密結合的目的,主要用于受拉或拉剪組合螺栓,與輸電塔受剪普通螺栓受力一致。因此,對于輸電塔受剪普通螺栓,建議結合文獻[3]的規定,以觀察為主,同時施加扭矩時的預緊力不超過設計抗拉承載力的30%。推薦施工緊固扭矩如表10所示,施工過程中緊固扭矩值應不大于表10中的值。

表10 輸電塔普通螺栓緊固扭矩推薦值

4 結 論

上面結合鋼結構基本原理推導了輸電塔普通受剪螺栓在預緊力作用下的抗剪剩余承載力比計算方法,并結合有限元分析對該方法進行了論證;結合精細化數值模擬論證了預緊力對普通螺栓抗剪承載力的影響,驗證了理論分析的結果;最終依據預緊力和抗剪承載力之間的關系,推薦了輸電塔普通抗剪螺栓的緊固扭矩值,為工程設計提供了設計依據,具有一定的工程價值。主要研究結論如下:

1)總結了目前各標準對于普通螺栓緊固扭矩的相關規定。各標準對于M20、M24要求差異較大,產生的預緊力占螺栓抗拉承載力比例較高。分析并提出了預緊力對普通螺栓抗剪承載力的影響。

2)結合鋼結構設計原理推導了普通螺栓在預緊力作用下的抗剪剩余承載力比計算方法。結果表明,考慮預緊力及板件表面摩擦力后,剪切螺栓的抗剪剩余承載力比在0.92～0.99區間,采用有限元參數分析,論證了這一分析結論。

3)結合精細數值模擬分析論證了預緊力對普通螺栓抗剪承載力的影響。研究表明,預緊力會影響普通螺栓的抗剪承載力,預緊力越大,抗剪承載力減小越明顯,近似呈二次拋物線關系。

4)計算表明,ηt不大于0.3時,可不考慮預緊力對螺栓抗剪承載力的影響。

5)基于研究結論和文獻[3]關于螺栓的相關緊固要求,推薦了輸電塔施工過程中普通螺栓緊固扭矩值。