法兰盘厚度对刚性法兰连接节点刚度影响的有限元分析

向 洋，苏明周，杨俊芬，强若辉

(西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安710055)

随着我国用电量的需求日益增加，输送电压也在不断地提高，各大电力设计院在实际工程中一般把输电线塔设计成钢管塔，这是由于钢管的风荷载体形系数较小，截面回转半径大，受力性能好[1]。在各种钢管的连接节点中，法兰连接是钢管连接的首选形式之一，因为法兰具有安装方便、承载力大、安全可靠等优点。常用的法兰分为刚性法兰和柔性法兰，而本文主要研究刚性法兰，且都用10.9级的高强螺栓[2]连接。在满足承载力的条件下，不同的法兰盘材质对应着不同的法兰盘厚度，虽然国内对钢管法兰连接有一定的研究[3-5]，但他们几乎都在研究法兰的受力特点、螺栓的受力特点以及法兰盘的设计等方面的内容，而对法兰连接节点刚度的研究目前国内还是一片空白，因此，有必要通过大型有限元程序ANSYS来分析不同的法兰盘厚度对节点轴向、剪切和弯曲刚度的影响。

1 有限元模型的建立

1.1 试件的设计

以某设计院设计的典型500 kV人字柱构架为例，构架采用钢管连接，其钢管型号为Ø480 mm×12 mm。法兰连接节点控制内力为:N=1 500 kN，M=200 kN◦m。法兰盘的直径为890 mm，周围一圈采用20个10.9级高强螺栓连接，且加劲肋板焊接在法兰盘上，其加劲肋的尺寸为120 mm×8 mm×200 mm，对刚性法兰、高强螺栓、Q235B、Q420B材质法兰盘进行组合，计算得出相应的法兰盘厚度和螺栓直 径[6]，其结果见表1。

表1 法兰盘计算结果表

1.2 单元类型的选取

由于本文分析法兰连接节点的刚度，在尽可能减少模型计算时间而又不削弱计算精度的前提下，ANSYS有限元分析模型所采用的单元[7]及应用区域见表2。

表2 有限元分析模型所采用的单元及应用区域

1.3 摩擦面与摩擦系数

为了更好的模拟法兰连接节点的受力性能，在有限元分析模型中，应考虑螺栓与法兰板以及法兰板之间的摩擦作用。因此，有限元分析模型中共考虑了三个摩擦面的作用，分别是螺栓杆与螺栓孔壁摩擦、螺栓螺帽与上下法兰板之间的摩擦、法兰板之间的摩擦，采用接触单元Conta174和Targel170[8]进行模拟。

变电构架通常采用热浸镀锌进行防腐蚀处理，此时钢材表面的摩擦系数(抗滑移系数)会有所降低。关于有限元分析模型中的摩擦系数取值，以10.9级高强度螺栓摩擦系数的测试结果为依据，统一取为0.17。

1.4 几何模型的建立

根据刚性法兰连接节点的实际尺寸以及表1的数据建模，其模型见图1(试件1)。

图1 试件1的有限元分析模型

1.5 荷载的施加

法兰连接节点的刚度分为轴向刚度、剪切刚度和弯曲刚度，轴向刚度主要受轴向荷载的影响，通过对构件施加竖向荷载来观测其节点的荷载位移曲线，而剪切刚度和弯曲刚度可以通过对构件先施加竖向荷载再施加水平荷载来观测其荷载位移曲线。所以在有限元中分析中，其加载步骤共设计了3步:

第1步:单独分级施加水平荷载到V=180 kN，然后卸载到0；

第2步:单独分级施加轴向拉力到 N=2033 kN，然后卸载到0；

第3步:先一次性施加轴向拉力到 N=1 333 kN，然后分级施加水平荷载到V=205 kN，全部加载完毕后先卸载水平荷载到0，然后卸载轴向拉力到0。

2 有限元分析结果

2.1 法兰盘的厚度对轴向刚度的影响

以第2荷载步，即单独施加轴力到N=2 033 kN的情况来考察法兰盘的厚度对刚性法兰连接节点轴向刚度的影响。其法兰连接各节点的荷载-位移曲线见图2。

从荷载位移曲线图2可以看出:随着竖向荷载的增加，两个试件的螺栓变形都很接近，且变形都很小。而对于法兰盘的内、外边缘，两个试件都被张开且试件2的变形较试件1大。又由于内边缘是轴向刚度的主要监测点，所以法兰盘的厚度对连接节点的轴向刚度有影响，即厚度越薄其轴向刚度越小。

图2 第2荷载步法兰连接各节点的荷载-位移曲线

2.2 法兰盘的厚度对轴向、剪切和弯曲刚度的影响

以第1荷载步，即单独施加水平荷载到V=180 kN的情况来考察法兰盘的厚度对刚性法兰连接节点剪切和弯曲刚度的影响。由于在水平荷载作用下，其柱顶有一定的位移，且法兰盘也会产生相对错动，所以还挑选了相应节点的位移，其荷载-位移曲线见图3。

在水平荷载的施加过程中，无论是从螺栓变形、柱子的顶点位移还是法兰盘的相对位移来看，试件1和试件2的变形都差不多。从法兰盘的内边缘相对变形可分析出:法兰盘的厚度对节点的弯曲刚度有影响，即试件2的弯曲刚度较试件1的小。法兰盘的相对位移主要用来衡量连接节点的剪切刚度，由于试件1和试件2的法兰盘相对位移相差甚小，所以法兰盘的厚度对剪切刚度几乎没有影响。

针对第3步:先单独施加轴力到N=1 333 kN，然后施加水平荷载到V=205 kN。其法兰盘各节点的荷载-位移曲线见图4。

对于螺栓和柱顶位置，这两个试件的变形都差不多；从法兰盘的内边缘相对变形不难发现:法兰盘的厚度对轴向和弯曲刚度有一定的影响，即试件2法兰的轴向和弯曲刚度较试件1小。由于法兰盘的相对变形相差很小，所以法兰盘的厚度对连接节点的剪切刚度几乎没有影响。

图3 第1荷载步法兰连接各节点的荷载-位移曲线

3 结 论

通过ANSYS对试件结果的分析以及对以上荷载-位移曲线图的研究，从法兰连接节点的变形规律来分析法兰盘的厚度对其节点刚度的影响，得出以下结论:

图4 第3荷载步法兰连接各节点的荷载-位移曲线

(1)在对构件的加载中，无论单独施加竖向荷载、水平荷载还是先施加竖向荷载再施加水平荷载，螺栓的变形都很小，而法兰内、外边缘的变形稍微大一些。

(2)法兰盘的厚度对钢管柱顶点位移的影响不大，即在满足承载力且螺栓的规格、型号都一样的条件下，法兰盘的厚度较薄者其顶点位移与厚度较厚者的顶点位移很接近。

(3)在满足承载力且螺栓的规格、型号都一样的条件下，法兰盘的厚度对刚性连接节点的轴向和弯曲刚度有影响，而对剪切刚度没有影响。即厚度较厚者其连接节点的轴向和弯曲刚度较大，而剪切刚度厚度较厚与较薄者相当。

[1]薛伟辰，黄永嘉，王贵年.500 kV吴淞口大跨越塔柔性法兰原型试验研究[J].工业建筑，2004，34(3):68-70.

[2]陈绍蕃.钢结构设计原理[M].北京:科学出版社，2001.

[3]王笑峰，何敏娟，马人乐，等.柔性法兰节点试验分析及简化计算方法研究[J].工业建筑，2001，31(3):56-58，61.

[4]高 湛，彭少民，刘宗辉，等.变电构架中刚性法兰的有限元分析[J].工业建筑，2005，33(增刊):294-297，309.

[5]邓洪洲，傅俊涛，吴 静.崖门大跨越输电塔节点强度试验报告[R].上海:同济大学建筑工程系，2002.

[6]上海市建设和交通委员会.GB 50135-2006.高耸结构设计规范[S].北京:中国计划出版社，2006.

[7]博嘉科技.有限元分析软件-ANSYS融会与贯通[M].北京:中国水利水电出版社，2002.

[8]黄书珍，胡仁喜，康士廷，等.ANSYS12.0土木工程有限元分析从入门到精通[M].北京:机械工业出版社，2010.