近年来,城市建设高速发展,钢管杆以美观、占地少、安装快捷等优点受到城市规划者的青睐,在城市及市郊的高压输电线路中得到了广泛使用 ^[1,2]。由于钢管杆主要受弯,其节点连接常采用刚性法兰和柔性法兰。刚性法兰由于需要设置加劲肋,焊接工作量大,且加劲肋与主管连接处存在较大的应力集中。而柔性法兰焊缝数量大大减少,制作简单、安装方便,法兰板平整度更易得到保证,但是节点刚度较小,且法兰板和两道内外角焊缝的受力状态均较为复杂 ^[3,4,5,6,7]。

　　 目前,国内外对柔性法兰在纯弯受力下内外焊缝受力特性的研究较少。日本学者Igarashi ^[8]对于主管无肋连接进行了试验,并对基于屈服线理论推导出的计算公式进行了验证。薛伟辰 ^[9]对500kV吴淞口大跨越输电线路工程开展了无加劲肋柔性法兰原型试验研究,结果表明,焊缝应力对试件极限承载力影响较大,柔性法兰在轴拉受力下内焊缝受拉、外焊缝受压,且焊缝的受力都较小,螺栓外边距、法兰板厚度对焊缝受力影响不大。孙铭泽 ^[10]等开展E50角焊缝承载力试验,得到角焊缝的极限强度是设计强度的3倍,焊缝弹性模量与钢材基本相同。国内相关技术规定 ^[11,12]采用与钢结构规范 ^[13]相同的计算方法,并规定内外角焊缝在受载时均匀受力,而未考虑到柔性法兰角焊缝受力的复杂性。因此,研究纯弯荷载作用下柔性法兰的内外角焊缝受力机理显得尤为重要。

　　 本文通过受弯承载力试验对柔性法兰节点的安全可靠度进行验证,测定内外焊缝的应变发展,同时,利用有限元软件ANSYS对其进行非线性模拟,并与试验结果相比较,考察柔性法兰受弯承载力特性及焊缝传力机理,探讨并提出柔性法兰焊缝计算方法,为柔性法兰焊缝设计及加工提供参考。

　　 本文共设计两种不同板厚的柔性法兰受弯试件,编号分别为RX-W-1和RX-W-2。柔性法兰主要通过内外两条环向角焊缝与钢管连接,钢管与法兰板材质均为Q345钢,焊缝采用E50型焊条。试件参数见表1。

　　 柔性法兰受弯承载力试验装置如图1所示,试验采用四点弯加载方式,使法兰节点处于纯弯段。采用2000kN千斤顶加载端作用于分配梁,并将力传至距主管端1/3管长的两个对称加载点,从而在两集中力之间形成纯弯段,确保法兰连接纯弯受力。

　　 测试内容包括法兰盘上侧盘面、内外焊缝上侧主管、内外焊缝斜坡应变及法兰变形,所有测点具体布置见图2。

　　 (1) 在法兰盘面宽度的三分点及二分点处布置4个应变片,分别监测法兰盘平面内的应变。

　　 (2) 距外侧角焊缝焊脚上侧100mm和200mm、顺时针12∶00受拉侧和24∶00受压侧,共布置4个单向应变片,分别监测试验过程中钢管受压区是否发生屈曲和受拉区是否应变过大等问题。

　　 (3) 在内外焊缝受拉区和受压区分别布置4个应变片,监测内外焊缝应变发展情况。

　　 试验过程共分四个步骤完成:1) 第一步,按照实际工程中的要求,试验前用扭矩扳手对各高强螺栓施加大小为750N·m的扭矩;2)第二步,预加载到10%设计荷载后停止3min,检查加载及测试系统是否正常;3) 第三步,卸除预加荷载,采用力控制施加荷载,分级加载至钢管屈曲;4)第四步,每级加载后均用应变测试系统采集并记录各节点应变值和位移情况,直至试验加载完毕。

　　 四点弯加载得到纯弯受力的柔性法兰RX-W-1,RX-W-2的荷载-变形特性如图3所示。可以看出,荷载达到约1 010kN之前柔性法兰RX-W-1,RX-W-2荷载-位移曲线呈线性,此后法兰非线性特性得到发展,荷载随位移增长较弹性阶段缓慢。同时,整个加载过程中随着荷载的增大,受拉侧法兰板盘面间的张开量逐渐增大,停止加载时法兰板最大张开量分别为1.97mm和1.86mm。

　　 在整个加载过程中,主管发生轻微的弯曲变形。随着荷载的增加,受拉侧法兰盘内缘相互张开,外缘相互接触顶紧,存在撬力作用,法兰盘发生翘起变形。加载结束时,法兰RX-W-1受拉区法兰盘中部和受压区主管屈服,法兰RX-W-2受压区主管屈服;受拉侧外焊缝与主管连接处存在应力集中,但内外两条环向角焊缝均未发生屈服。

　　 试验测得受拉侧法兰板应变随荷载增大而变化的曲线如图4所示。法兰盘中部应变发展较快,法兰盘外边缘应变发展较慢。当法兰盘厚度t为28mm时,法兰盘的刚度相对于连接螺栓的刚度较小,法兰盘的弯曲变形较大;当荷载达到995.1kN时,盘面中部应变增长到2 831με(图4(a)),表明法兰盘中部已经屈曲。而当法兰盘厚度t为32mm时,法兰盘只有轻微弯曲变形,盘面荷载-应变曲线呈线性关系(图4(b))。

　　 试验测得拉压两侧主管应变随荷载增大而变化的曲线如图5所示。在整个加载过程中,受压侧钢管轴向压应变发展较快,受拉侧应变发展较慢。受拉侧钢管应变呈线性发展趋势,处于弹性状态;在荷载达到1 013kN时,受压侧钢管(距法兰板100mm处)应变达到2 500με左右,而距法兰板200mm处钢管应变均小于靠近法兰板处的钢管应变,表明越靠近法兰板,钢管压应变越大,最终发生屈服破坏。

　　 试验测得拉压两侧内外角焊缝应变随荷载增大而变化的曲线如图6、图7所示。在整个加载过程中,受拉侧外焊缝应变发展较快,内焊缝应变发展较慢,表明柔性法兰受力过程中,内外焊缝受力不均匀,外焊缝为主要受力焊缝;受压侧外焊缝先受压后受拉,内焊缝一直处于受压状态,表明受压侧内外焊缝受力不一致。加载结束后,内外焊缝仍处于弹性阶段。

　　 由于受弯法兰的受力及几何空间对称,为了节省计算时间和单元数量,选取1/2模型进行建模分析。钢管、法兰板、内外焊缝以及高强螺栓均采用三维实体单元Solid185模拟。使用体扫略Sweep方式进行模型网格的划分,如图8所示。通过预紧力单元Prest179模拟高强螺栓预紧力。内外两条环向焊缝间的主管与法兰接触、上下螺帽与法兰板接触、法兰盘面接触采用接触单元Contact174和目标单元Target170模拟,接触单元的摩擦系数取0.3。

　　 钢管及法兰板采用Q345钢材,屈服强度f_y为345MPa,弹性模量E为2×10⁵MPa,泊松比μ为0.3;8.8级高强螺栓屈服强度f_y为640MPa,弹性模量E为2×10⁵MPa,泊松比μ为0.3。内外焊缝采用E50型焊条,屈服强度f_y为390MPa,弹性模量E为2×10⁵MPa,泊松比μ为0.3。法兰板、钢管及高强螺栓的本构关系均采用三折线等向强化模型,并应用von Mises屈服准则。

　　 在与钢管两端相连的MPC刚性梁中心点施加转角模拟弯矩,法兰对称面施加环向对称约束。为保证有限元模型的受力情况与实际相同,施加荷载分为两步:第一步施加螺栓预紧力;第二步拧紧螺栓,并分别在钢管两端MPC刚性梁中心施加绕Y轴的对称转角。

　　 有限元分析与试验得到的转角-弯矩曲线如图9所示。试验得到的柔性法兰受弯屈服荷载较有限元模拟值大,造成这一结果的原因主包括:Q345钢材实际的屈服强度大于345MPa,且内外两道环向角焊缝的弹性模量、强度均大于理论值。考虑到钢及焊缝材料的理论值与实际强度及屈服准则的差异,可以认为上述模拟结果能够反映试验承载力-变形特性。

　　 有限元分析得到柔性法兰在纯弯荷载作用下的弯矩-转角曲线如图9所示。两种法兰模型在纯弯荷载作用下的弯矩-转角曲线发展趋势基本一致,转角随着纯弯荷载增大而增大。加载初始阶段,转角与弯矩呈线性关系;当弯矩达到约500kN·m后,法兰非线性特性得到发展,弯矩随转角增长较弹性阶段缓慢;分析得到柔性法兰节点的极限荷载值要小于试验值。但是,两种法兰板厚的分析模型极限承载力相差很小,分析结果也说明法兰板厚度对法兰受弯承载力的影响很小。

　　 主管达到受拉屈服时,不同法兰节点的受拉侧von Mises应力分布情况如图10(a)所示。模型受拉侧法兰盘外缘存在挤压应力,但法兰内缘张开,说明法兰盘之间存在撬力,这与试验现象及测试结果相吻合。

　　 为了考察钢管插入式柔性法兰的内侧及外侧连接焊缝的受力特点及传力机理,提取主管达到受拉屈服时内外焊缝应力分布,如图10(b),(c)所示。可以看出,纯弯荷载作用下,受拉侧外焊缝上部与主管连接处存在应力集中现象,且外焊缝的应力发展较内焊缝迅速,说明柔性法兰受弯时受拉侧外焊缝为主要受力部位。受压侧外焊缝应力发展存在不一致的现象,即先出现压应力后变化为拉应力;内焊缝一直处于受压状态,这与试验测得受压侧外焊缝应变发展规律相符,也表明有限元模型是可靠的。

　　 不同纯弯荷载下RX-W-1和RX-W-2受拉侧内外焊缝的最大应力及应力比如表2所示。外焊缝为主要受力焊缝,且外焊缝先开始受力,随着荷载的增加,外焊缝与内焊缝轴向拉应力比值逐渐减小;外焊缝与内焊缝应力比值在3.6以上。

　　 根据钢结构规范 ^[13]和架空输电线路钢管塔设计规定 ^[12]中的有关规定,直角角焊缝的破坏截面在有效截面处,柔性法兰外焊缝采用坡口焊缝,内焊缝属于直角角焊缝。在纯弯荷载下,拉压两侧内外焊缝受力不均匀,由于受压侧内外焊缝应力水平较受拉侧内外焊缝应力水平小很多,故计算抗弯柔性法兰焊缝承载力时,只需考虑受拉侧内外焊缝承载力。

　　 柔性法兰的内外角焊缝受力简图如图11所示,根据有限元模拟的应力分布,经积分可知,插入式法兰外焊缝应力σ₁与内焊缝应力σ₂之间的关系为:

　　 $\sigma {}_1=4\sigma {}_2(1)$

　　 根据平衡条件,得:

　　 $\begin{array}{l}{\rm P}=({\rm P}{}_1+{\rm P}{}_2)\cdot \cos 45°=\frac{\sqrt{2}}{2}({\rm P}{}_1+{\rm P}{}_2)(2)\\ {\rm P}{}_1=\sigma {}_{1}A{}_{\text{e}1}(3)\\ {\rm P}{}_2=\sigma {}_{2}A{}_{\text{e}2}(4)\end{array}$

　　 将式(3),(4)代入式(1),(2)中,可得:

　　 ${\rm P}=\frac{\sqrt{2}}{2}\sigma {}_1\left(A{}_{\text{e}1}+\frac{1}{4}A{}_{\text{e}2}\right)(5)$

　　 式中:σ₁,σ₂分别为插入式法兰外焊缝、内焊缝的应力;A_e1为外侧焊缝有效截面面积;A_e2为内侧焊缝有效截面面积;P₁为外侧焊缝所受轴拉力;P₂为内侧焊缝所受轴拉力;P为主管所受轴拉力。

　　 根据式(5)可以得到外焊缝的设计应力σ₁为:

　　 $\sigma {}_1=\frac{\sqrt{2}{\rm P}}{A{}_{\text{e}1}+1/4A{}_{\text{e}2}}\le f{}_{\text{f}}^{\text{w}}(6)$

　　 式中f^w_f为角焊缝强度设计值。

　　 先计算主管拉力或环向单位长度上的拉力,然后根据式(6)进行插入式柔性法兰外焊缝(即主焊缝)的强度设计及校核。

　　 在纯弯荷载作用下,柔性法兰破坏形式以受压侧主管屈服为主,但在受拉侧外焊缝与主管连接处存在较大的应力集中,易发生焊缝处断裂破坏,这对柔性法兰受弯承载力的不利影响很大,故有必要采取一定的构造措施,改善该部位的应力集中现象。

　　 根据试验和有限元分析可知,受拉侧外焊缝为主要受力焊缝。在纯弯荷载下,受拉侧外焊缝应力比内焊缝应力大很多,外焊缝应力与内焊缝应力比值大约为3.6以上;受压侧内外焊缝应力水平发展不一致,外焊缝先受压后受拉,内焊缝一直处于受压状态,但受压侧内外焊缝应力较受拉侧内外焊缝应力小很多,故计算柔性法兰焊缝承载力时可按受拉侧内外焊缝承载力计算。

　　 因此,在柔性法兰设计时,要特别注意外焊缝的计算和焊接质量。在满足相关规范的前提下,可以适当减小内焊缝焊脚尺寸,使内外焊缝焊脚尺寸成一定比例,比例约为2/3,满足外焊缝为主要传力焊缝的承载力要求,从而优化柔性法兰两道角焊缝的构造措施,此措施也更加经济。

　　 (1) 在纯弯荷载作用下,柔性法兰受拉侧法兰盘外缘相互接触挤压,内缘相互张开,盘面发生明显的弯曲变形;当法兰盘厚度相对较小时,法兰盘会发生屈服破坏。

　　 (2) 柔性法兰纯弯试验的破坏模式主要为受压侧主管屈服破坏,法兰的抗弯承载力主要由主管受压承担。试验结果表明,主管达到设计承载力后,还有继续承担荷载的能力,有一定的安全裕度。

　　 (3) 柔性法兰受拉侧外焊缝为主要的受力焊缝;受拉侧外焊缝应力约为内焊缝的3.6倍以上。

　　 (4) 在弯矩和撬力作用下,受拉侧外焊缝与主管连接处存在较大应力集中,且应力发展较快,易发生脆性断裂而失效,有必要优化柔性法兰两道角焊缝的构造措施,建议适当减小内焊缝焊脚尺寸至外焊缝焊脚尺寸的2/3,使法兰焊缝构造更加合理,更加经济。