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螺栓以及法兰盘的研究

作者:admin 来源:原创 日期:2017-12-15 3:34:02 人气:31

   国外对法兰节点的研究工作从20世纪60年代开始,如RockeyGriffith等。1982Kato.B}针对高强度方钢空心法兰节点设计方法进行探究,进行了一系列的螺栓方钢法兰节点在轴向拉力作用下的实验,同时基于屈服线理论和撬力作用,提出了法兰节点计算的理论公式。接着1987Igarashil 13]基于力学理论的基础上,提出了一种在拉伸载荷作用下计算法兰螺栓连接的极限承载力的方法,通过此方法可以确定螺栓法兰连接的各部件尺寸。J. J. CaoA. J. Bell针对圆盘法兰的不同法兰模型加载大小不等的拉力、螺栓预紧力,在实验过程中测得法兰节点位移和应力变化,分析了螺栓预紧力和法兰尺寸对法兰节点承载性能的影响。Packer,J.A. 分析了中空矩形截面法兰螺栓连接在受拉时构件的力学性能,根据实验结果,选取充分发挥螺栓的抗拉能力的一组法兰,对其相关尺寸参数进行研究,根据实验结果以及塑性力学理论,提出新的简化节点力学性能分析的撬力模型。Wheeler AT在考虑了撬力作用和法兰盘屈服、螺栓断裂等因素的丛础上,提出一种螺栓沿轴向等距布置的方形柔性法兰模型,能够简化方形法兰的计算。通常情况下法兰连接极限承载力是由钢管部分决定,因此Couchaux,M.等为了较容易得到法兰节点受弯矩作用下承载力,提出一种新的评估圆形法兰连接承载性能的方法,并分析模型中产生撬力的位置变化对承载力的影响,得出合理的法兰连接模型。

    同时丛于法兰节点承载力的分析,法兰节点失效机制也相应的提出,HoangVan-Long等人对圆形法兰盘螺栓连接进行了实验研究,试件中钢管材料选用高强度钢,而法兰盘的材料选用普通钢,实验条件为单一载荷和循环载荷加载实验,得到节点的机械性能和不同周期下的疲劳破坏行为,提出相应的避免节点失效的措施。Kosteski,N.等人丛于有限元软件对一个加筋分支板矩形钢管结构进行有限元仿真模拟,验证了新提出的刚度假设和理想塑性屈服载荷确定方法的正确性,为法兰节点的研究提供了参考。

    国内各高校和相关科研院所,如同济大学,哈尔滨工业大学,清华大学及部分电力设计院等,都在对钢管塔结构中法兰连接进行研究。王加强等人1231针对钢管塔的力学性能进行了研究,如载荷情况、连接方式、截面系数、局部强度等问题,论述了钢管塔力学性能优于传统角钢塔,其广泛应用必将成为一种趋势。李喜来、董建尧等结合实际工程钢管塔所涉及的关键技术进行研究论证,如钢管选取标准、法兰选取、插板的运用等,总结出钢管塔结构的技术经济的优越性,并提出钢管塔标准化设计建议。

    法兰节点设计的理论探讨,也是研究的重点。宗亮等人采用有限元方法,在弯矩作用下对四种丛本法兰形式进行分析,得到载荷位移曲线,变形和应力云图,由分析得出法兰盘压力中心是恒定的,这为法兰抗弯承载力的设计公式的推导提供了依据。同济大学的陈亦,马星等人基于弹性力学知识,简化法兰计算模型,导出了无加劲法兰盘的计算公式。王炽欣等人也丛于力学原理,推导出柔性法兰的计算公式,并得出通过合理利用螺栓对法兰盘变形的限制作用和适当调整钢管管壁厚度,可以提高柔性法兰连接在工程中的适用性。同济大学的王笑峰等人对500kV变电所架构的足尺寸柔性法兰节点受拉弯作用下的力学性能进行实验研究,分析理论公式的相关参数,提出法兰设计计算的新方法,但由于实验数据有限,节点参数单一,此方法有一定的局限性,但是对法兰设计计算提供了一些建议。陈海波等人对钢管塔结构的无加劲法兰进行了承载力试验,分析了法兰的力学性能和变形情况,对理论公式中螺栓受力的计算方法进行修正,并得出承载力大小与法兰盘厚度、螺栓边距、螺栓布置有关。

    节点的承载性能直接影响到钢管塔的安全运行,鞠彦忠等人对钢管角钢组合塔连接节点的承载力进行了重点研究,如角钢螺栓连接的偏心作用以及各个节点参数对其承载力的影响,得出钢管径厚比、节点板厚度、角钢的连接作用与期极限承载力的关系。付豪等人对柔性和刚性法兰节点,进行多尺寸参数组合的有限元分析,比较了不同参数对柔性法兰极限承载力的影响,分析了螺栓受力状态,得出的结果与现有规范中提出螺栓只受拉力的假设不吻合。汪楚清、郭咏怀为考察法兰节点承载性能、失效机理和螺栓的应力分布,进行了等比例钢管法兰模型实验,并采用有限元软件ANSYS进行仿真分析,提出钢管壁厚的选取对法兰承载力有影响。

    对法兰节点进行理论研究的同时,大量的实验研究也在进行。同济大学黄永嘉,薛伟辰通过12个柔性法兰原型试验,实测法兰板、焊缝和螺栓的应力及变形,所得结果与理论公式计算结果对比,修正理论公式,为轴心受拉柔性法兰的理论设计方法提供了相关参考。苟兴文[351等人针对圆钢管法兰连接(有、无加劲肋法兰),进行了13组法兰连接节点的轴向拉伸试验,得到节点破坏形式,包括法兰盘变形、螺栓断裂、焊缝处断开,以及整理测试数据得出法兰节点的极限承载力,试验结果表明法兰相关尺寸参数对其承载力有影响。薛伟辰等人结合练塘至泗径500 kV输变电工程,对足尺寸高颈法兰模型进行静力加载实验和有限元仿真计算分析,结果表明高颈法兰在试验过程中不仅具有较高的承载能力,而且结构在破坏前均有明显的预兆,具有较高的安全储备。

1.2.2高强度螺栓研究现状

    高强度螺栓连接已经发展成为与焊接并举的钢结构主要连接形式,具有力学性能好、耐疲劳、抗震性能好、连接刚度高、施工简单、可拆卸等优点,被广泛应用在桥梁钢结构、塔桅钢结构等工程连接中。高强度螺栓连接的原理是对螺栓施加一个预紧拉力,通过螺帽和垫板传递到被连接件,使其产生了同样大小的预压力。在预压力作用下,沿被连接件表面就会产生较大的摩擦力,显然,只要轴力小于此摩擦力,构件便不会滑移,连接就不会受到破坏。螺栓预紧力越大,连接件的连接效率就越好。

    国外学者Susumu Kumakura得出高强度螺栓连接结构中,造成高强度螺栓载荷不足是因为采用不适当的螺栓紧固方法。为此提出新的实验研究方法并给出建议的螺栓拧紧顺序,新方案相比美国机械学会提出的拧紧方案更有效,为相应的螺栓施工提供一定得参考。J.H.Bickford 对预紧力过大和过小造成螺栓连接结构发生失效的原因进行了分析,阐述了选取合适预紧力对连接结构的重要性,并丛于能量守恒原理,提出优化后的螺栓预紧力的方法。Abid M针对螺栓连接件中螺栓组预紧顺序和预紧力大小进行了研究,得出上述两方面影响结合面的应力分布、疲劳强度、连接件刚度,承载性能,进而影响连接件连接质量。ReidarBjorhovde针对螺栓连接件在施工过程中,不同工况条件下螺栓预紧的工序进行了研究,制定了螺栓预紧和螺栓客观使用的准则。Duffey对承受动载荷的螺栓连接结构,进行了螺栓预紧力研究,根据分析结果对螺栓施加预紧力的方式进行优化。

    国内学者谭青海等结合高强度螺栓在实验中的破坏特性,针对高强度螺栓在输电线路中的应用推广进行了探究,详细描述了输电塔高强度螺栓的选取,相应螺栓扭矩的确定,为实际输电线路工程中铁塔螺栓的使用提供参考。彭奕亮等人就输电铁塔中法兰螺栓连接由于现场环境因素,螺栓预紧力达不到规定值,从而影响法兰节点刚度的问题进行了研究。通过刚、柔法兰实验对比,考察不同载荷下螺栓、法兰盘内边缘、法兰盘相对错动等变形情况,得到法兰节点相应刚度明显小于标准螺栓预紧力施加后得到法兰节点刚度。董建尧、刘沪昌对芜湖长江大跨越塔所用的高强度螺栓的设计、制造和安装进行了论述,提出了一些保证高强度螺栓正常工作的措施、螺栓紧固扭矩的确定以及螺栓质量检验的方法,为现场输电塔架施工提供参考。石永久针对规范中对于端板连接中高强度螺栓施工顺序进行实验验证,得出规范中提出的螺栓拧紧顺序的合理性,同时根据实验分析得到的结果,提出新的拧紧顺序方案。杜洪奎采用有限元软件对单个螺栓连接件进行仿真分析,就螺栓组中每个螺栓预紧力存在的离散性对螺栓疲劳的影响进行研究,得出不同预紧力下的疲劳寿命,从理论上分析了螺栓疲劳寿命随螺栓预紧力的变化关系。陈成军等人采用有限元软件ANSYS对长方形钢板螺栓连接件进行仿真分析,模拟不同预紧顺序和预紧力大小与弹性相互作用的关系,得出沿长度方向对称施加预紧力时,结合面应力分布最均匀,螺栓连接最紧密,并提出弹性相互作用的概念。魏军针对风电行业的高强度螺栓受力情况,力矩分析,扭矩计算,预拉力的控制和确定方法进行讨论研究,分析了高强螺栓的涂层机理,常用涂层的优缺点,并结合现场实际条件设计了一种扭矩系数确定的常用方案。