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新型锻造法兰节点受力性能研究

曾德伟  
【摘要】:现阶段钢管结构中使用的钢管法兰连接形式,主要分为焊接法兰节点和锻造法兰节点两种。焊接法兰是一种较常见也是较成熟的连接形式,常用的有带加劲肋法兰和无加劲肋平板法兰。锻造法兰又分为平焊带颈法兰(插入式)和对焊带颈法兰(对接式)两种。 然而,上述两种在输电线路中推广应用的锻造法兰连接节点尚存在一些问题,主要有以下4点: 1、平焊带颈法兰和对焊带颈法兰节点的环形焊缝位于钢管的同一断面,焊缝中存在的焊缝缺陷也集中于此断面,这使得该断面的强度下降,最终只能达到母材的强度60%。因而,节点的承载能力由该薄弱环节处的强度控制,使杆件近40%的强度无法被充分利用,造成钢材的浪费或节点可靠度降低。 2、在相对较小荷载作用下,由于焊接残余应力的存在,使得钢管与法兰之间焊缝的某区域会因为残余应力与工作应力叠加的总应力值较早达到材料屈服强度,从而引发该断面首先发生强度破坏进而导致整个断面发生齐口破坏。目前对于残余应力对法兰节点的承载力的影响,较少有研究成果论及,《架空送电线路塔架结构设计技术规定》(DL/T5154-2002)关于焊接构件承载力计算中没有考虑焊接残余应力。 3、环形焊缝的焊接热影响区集中于环形焊缝周围的同一断面,该断面热影响区钢材的脆性大大增加,容易出现齐口脆性破坏现象。现有的设计较少考虑钢材由于焊接热而导致脆性增加的不利影响。 4、在平焊带颈法兰节点的连接强度计算中,只考虑法兰颈部焊缝的传力能力,而法兰底部焊缝仅当做构造措施而未计入其传力能力,这将使得法兰节点的传力能力被低估。 考虑到以上问题,本研究提出新型波型法兰节点形式与详细尺寸,并运用理论计算、有限元分析和试验研究相结合的方法,着重研究Q345、Q420、Q460共3种强度等级,φ219和φ273共2种管径的平焊带颈法兰、对焊带颈法兰、新型齿型法兰和新型波型法兰共4种形式的法兰节点的受力性能以及破坏机理,同时在分析中考虑了焊接热残余应力对构件承载力的影响。 研究表明: 1、新型波型法兰节点的连接强度比平焊带颈法兰节点提高40%左右,可以达到钢管强度的100%。故波型法兰节点能使钢管的强度得到充分利用,大大降低整塔用钢量。 受拉试验得出的Q345和Q420新型波型法兰节点极限承载力比相应的平焊带颈法兰节点极限承载能力提高的平均程度分别为:Q345法兰节点为54.0%;Q420法兰节点为34.0%。受拉试验得出的极限承载能力提高程度值,与理论公式计算结果39.7%和有限元计算结果42.1%相近。 受拉试验得出的Q460新型波型法兰节点极限承载力比平焊带颈法兰节点极限承载能力的提高平均程度为1.3%,与理论公式计算结果39.7%和有限元计算结果42.1%相差较大。其原因是本次受拉试验中,卷制的Q460钢管试件所采用的钢板材质不稳定,在强度、厚度等方面存在较大误差,特别是其极限强度偏低较多,这对试验产生了定的影响。因此,在实际工程中,应该慎用Q460。 2、平焊带颈法兰节点焊缝附近的钢管是薄弱部位,存在应力集中的现象,但波型法兰节点的焊缝及其附近管壁的应力集中程度得到了极好的改善。不同形式的法兰节点中,平焊带颈法兰节点的受拉破坏主要是由焊缝的破坏引起的。 3、法兰底部焊缝在传递钢管的轴力方面有不可忽略的贡献,试验和有限元分析结果均表明:法兰颈部焊缝与法兰底部焊缝分担的钢管传来的轴向压力的比例约为3.5:1左右。设计中可以利用这一焊缝的潜力。 法兰底部焊缝在约束钢管变形、改善节点应力分布、降低应力集中等方面的作用较大。因此,该焊缝的重要作用不容忽略,设计和制造中应对这条焊缝足够重视。 4、不同形式的法兰节点在轴向力作用下的极限承载能力不尽相同。在几种形式的法兰节点中,极限承载能力从高到底的顺序依次是新型波型法兰节点、新型齿型法兰节点;平焊带颈法兰节点和对焊带颈法兰节点。新型波型法兰节点的连接强度可以达到钢管强度的100%。 5、新型波型法兰节点的水平承载能力和抗震耗能性能较传统平焊带颈法兰节点均有明显提高。 6、实际工程中,法兰的设计应力比一般不超过0.8,此类锻造法兰可以认为是刚性法兰。法兰节点连接螺栓撬力的影响比规范中要大,建议规范中的公式更改为ftb=0.75f 另外,通过对法兰生产厂家和铁塔生产厂家的调研得知,新型波型法兰节点的角焊缝相对对焊带颈法兰的对接焊缝而言,易于实现,工艺简单,焊缝质量有保障。新型波型法兰对钢管材料的初始缺陷要求降低,可以降低对钢管圆度的要求。新型波型法兰节点的焊缝探伤检测的难度较对焊带颈法兰检测的难度低,精度高,可以省下焊缝检测的成本。厂家技术人员和工人均倾向于采用这种连接焊缝。铁塔生产厂家表示,利用现有焊接设备,引入数控编程技术,新型波型法兰与钢管之间的焊缝是可以实现自动焊的。 新型波型法兰节点真有较好的力学性,可靠的安全性,合理的经济性和可行的工艺性,将成为钢管塔节点连接的优选形式。


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