角钢塔连接螺栓考虑预紧力的拉剪计算方法研究.pdf

角钢塔连接螺栓考虑预紧力的拉剪计算方法研究鄢秀庆龚 涛刘翔云蒲 凡李 钟(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司四川 成都)摘 要:角钢塔普通螺栓施工过程中规定了其施工紧固扭矩的下限值但在抗剪设计时没有考虑施工紧固扭矩所产生的预紧力对其抗剪承载力的影响计算表明目前的紧固扭矩值会使得设计偏于不安全 结合钢结构基本原理推导了输电塔普通受剪螺栓在预紧力作用下的抗剪剩余承载力比的计算方法并结合精细化数值模拟论证了预紧力对普通螺栓抗剪承载力的影响 研究表明预紧力越大螺栓的抗剪承载力削弱越明显近似呈二次抛物线关系最终依据预紧力和抗剪承载力之间的关系推荐了输电塔普通抗剪螺栓的紧固扭矩值为工程设计提供了设计依据关键词:输电塔 抗剪螺栓 预紧力 计算方法 数值模拟中图分类号:文献标志码:文章编号:():./.(.):.:引 言角钢塔一般采用螺栓连接螺栓主要承受剪力作用 但 架空输电线路施工及验收规范基于拧紧及防松的目的要求在施工时施加一定的扭矩该扭矩将在螺杆内形成一定的拉力在叠加剪力后使得螺栓处于拉剪受力状态/架空输电线路杆塔结构设计技术规程未要求对螺栓进行拉剪受力的复核仅给出了纯剪力的计算公式导致计算结果偏于冒进民用钢结构领域的 钢结构高强度螺栓连接技术规程 仅规定了高强度螺栓的紧固扭矩值对普通螺栓的紧固扭矩值并没有作明确规定文献主要针对高强度螺栓预紧力对其受剪影响进行了系统研究 计算表明目前规范规定的紧固扭矩值会使得设计偏于不安全主要是依四 川 电 力 技 术 年 月 第 卷 第 期 靠螺栓强度的安全系数进行抵抗 因此很有必要研究紧固扭矩对普通螺栓受剪的影响下面结合钢结构设计原理理论推导了输电塔普通受剪螺栓在预紧力作用下的抗剪剩余承载力比的计算方法并结合有限元分析对该方法进行了论证 同时采用有限元精细化数值模拟分析了预紧力对普通螺栓抗剪承载力的影响验证了理论推导结论最终依据预紧力和抗剪承载力之间的关系推荐了输电塔普通抗剪螺栓的紧固扭矩值为工程设计提供了设计依据 紧固扭矩对普通螺栓受剪的影响.紧固扭矩的取值、/给出了受剪螺栓紧固扭矩的最小值并注明了 为.级螺栓如表 所示表 常见规格螺栓的施工紧固扭矩值螺栓规格扭矩值/()国家电网公司企业标准/架空输电线路施工及验收规范第.条给出了.级、.级角钢塔螺栓的最小紧固扭矩如表 所示表 常见规格螺栓的施工紧固扭矩值螺栓规格.级扭矩值/().级扭矩值/()特高压钢管杆塔法兰螺栓的最小紧固扭矩如表 所示表 特高压工程推荐的施工紧固扭矩值螺栓规格.级扭矩值/().级扭矩值/()表 至表 表明对于.级 螺栓工程中规定的紧固扭矩值为 对于.级 螺栓工程中规定的紧固扭矩值为 对于.级 螺栓工程中规定的紧固扭矩值为.施工预紧力的计算方法依据机械设计手册普通螺栓预紧力 的计算方法为()式中:为拧紧力矩系数计算表明可近似取.为螺栓公称直径 为紧固扭矩根据各规范紧固扭矩取值反算预紧力如表 所示表 紧固扭矩的预紧力计算值螺栓规格/()/(.级).(.级).(.级).注:为预紧力与螺栓抗拉承载力设计值的比值/为螺栓抗拉承载力设计值假定预紧力在输电塔普通螺栓的服役过程中一直存在此时螺栓会承受拉剪耦合效应这一定程度削弱了螺栓的抗剪作用根据 钢结构设计标准第.条规定承受拉剪耦合作用时普通螺栓的承载力应满足式()要求.()式中:为螺栓承受的剪力设计值 为螺栓承受的轴拉力设计值为螺栓的抗剪承载力设计值为螺栓的抗拉承载力设计值由式()可以推导出抗剪螺栓考虑预紧力后的剩余承载力比为.()根据式()计算得到考虑预紧力后的抗剪剩余承载力比如表 所示表 考虑预紧力后的抗剪剩余承载力比螺栓规格/(.级).(.级).(.级).表 表明由于预紧力的影响受剪螺栓的抗剪剩余承载力比在.区间承载力较纯剪时下降了 紧固扭矩越大其抗剪剩余承载力越小 螺栓在实际受力时由于连接板面镀锌与螺栓连接面存在摩擦 螺栓抗剪滑移时是一个缓慢 四川电力技术 第 卷运动的过程可以假定这种由于预紧力产生的摩擦力是一直存在分担了一部分外部剪力使得螺栓螺杆实际承载的剪切力减小了 镀锌连接面的摩擦系数 近似取.结合 高强度摩擦型螺栓的抗剪承载力计算形式可以假定预紧力产生的摩擦力为.()考虑摩擦力后的抗剪剩余承载力比为 .()考虑螺栓摩擦力后抗剪剩余承载力比如表 所示表 螺栓考虑摩擦力后抗剪剩余承载力比螺栓规格/(.级).(.级).(.级).表 表明考虑螺栓摩擦力后剪切螺栓的抗剪剩余承载力比在.区间仍小于.表明按照规范规定的紧固扭矩进行螺栓紧固后所产生的预紧力对螺栓的抗剪承载力具有较大削减作用而这种影响在结构设计中并没有考虑主要是通过材料的分项系数来抵抗从设计上来讲这是偏于不安全的降低了螺栓的可靠度 数值模型验证为进一步研究预紧力状态下受剪螺栓的抗剪性能采用数值模型进行验证 采用板式双剪模型进行数值分析为了避免螺栓的承压破坏板件材料强度为 加载板厚度取 固定板厚度取 螺栓采用.级 屈服强度取 预紧力在螺杆中部截面对称施加摩擦系数取.模型构造见图 所示.数值模型为了精确模拟螺栓的受力螺栓与板之间采用接触约束采用实体单元模拟材料采用理想弹塑性本构约束住约束板的左端在板的右端施加拉伸荷载进行几何非线性分析 数值模型如图 所示按照屈服强度计算出单颗螺栓的全截面塑性抗剪承载力为.由此得到双剪模型的抗剪极图 板式双剪模型构造图 板式双剪模型限承载力为 为了研究预紧力对螺栓抗剪承载力的影响设计了 种加载工况如表 所示表 工况信息工况加载工况预紧力/摩擦系数加载荷载/工况 无预紧力摩擦.工况 预紧力摩擦.工况 预紧力摩擦.工况 预紧力摩擦.应力云图在极限破坏状态下双剪模型的整体应力云图如图 所示图 表明极限破坏状态下螺栓附近板的应力已经进入了塑性螺杆大部分区域也进入了塑性存在明显的剪切变形螺栓最终被剪坏.预紧力对螺栓抗剪承载力的影响数值计算得到了所设计的 种加载工况下双剪模型抗剪承载力如表 所示由表 可知预紧力为 时抗剪承载力为.随着预紧力的增加双剪模型的抗剪承载力逐渐减小预紧力越大这种减小趋势越明显近似呈二次抛物线减小如图 所示第 期 鄢秀庆等:角钢塔连接螺栓考虑预紧力的拉剪计算方法研究 图 双剪模型的应力云图表 各工况的极限抗剪承载力工况预紧力/有限元计算抗剪承载力/工况 .工况.工况.工况.图 预紧力对螺栓抗剪承载力的影响 数值分析表明随着预紧力增大螺栓的抗剪承载力是减小的这与第.节理论分析结论是一致的且预紧力越大螺栓抗剪承载力减小越明显 因此工程设计中需要考虑预紧力对普通螺栓的抗剪承载力影响.参数分析论证为了综合对比理论计算公式的有效性和可靠性进行参数分析如表 所示 参数分析的变量包括螺栓型号、预紧力及摩擦系数共计 组改变有限元模型的部分参数进而计算、及螺栓在各工况下的抗剪剩余承载力比表 各工况的抗剪剩余承载力比螺栓摩擦系数预紧力/抗剪剩余承载力比理论计算 有限元计算工况序号.并定义 为理论计算与有限元计算抗剪剩余承载力比的比值作出各工况下的 如图 所示 可以看出:理论计算抗剪剩余承载力比略大于有限元计算抗剪剩余承载力比且保证率约为 整体吻合良好 四川电力技术 第 卷图 各工况的理论计算与有限元计算抗剪剩余承载力比的比值 普通螺栓紧固扭矩取值推荐理论推导和数值研究结论表明预紧力对普通螺栓抗剪承载力存在一定的影响预紧力越大其抗剪承载力削弱越明显 目前输电塔普通螺栓在抗剪设计时并没有考虑紧固扭矩所产生的预紧力影响计算表明按照现有标准规定的紧固扭矩进行螺栓拧紧其产生的预紧力对设计来说是偏于不安全的因此有必要重新推荐普通螺栓的紧固扭矩值保证设计的可靠性按照式()计算.级、.级 和.级 螺栓在不同预紧力下的螺栓抗剪剩余承载力比如图 所示图 预紧力对螺栓抗剪剩余承载力比的影响图 表明预紧力越大螺栓抗剪剩余承载力比越低近似呈二次抛物线关系 不大于.时可不考虑预紧力对螺栓受剪力的影响 同时文献中关于承压型螺栓将其分为适度拧紧型和完全预紧型适度拧紧型为采用扳手拧紧达到连接面紧密结合的目的主要用于受拉或拉剪组合螺栓与输电塔受剪普通螺栓受力一致 因此对于输电塔受剪普通螺栓建议结合文献的规定以观察为主同时施加扭矩时的预紧力不超过设计抗拉承载力的 推荐施工紧固扭矩如表 所示施工过程中紧固扭矩值应不大于表 中的值表 输电塔普通螺栓紧固扭矩推荐值螺栓规格扭矩/()预紧力/预紧力/抗拉强度剪力/螺栓抗剪力(.级).(.级).(.级).结 论上面结合钢结构基本原理推导了输电塔普通受剪螺栓在预紧力作用下的抗剪剩余承载力比计算方法并结合有限元分析对该方法进行了论证结合精细化数值模拟论证了预紧力对普通螺栓抗剪承载力的影响验证了理论分析的结果最终依据预紧力和抗剪承载力之间的关系推荐了输电塔普通抗剪螺栓的紧固扭矩值为工程设计提供了设计依据具有一定的工程价值 主要研究结论如下:)总结了目前各标准对于普通螺栓紧固扭矩的相关规定 各标准对于、要求差异较大产生的预紧力占螺栓抗拉承载力比例较高 分析并提出了预紧力对普通螺栓抗剪承载力的影响)结合钢结构设计原理推导了普通螺栓在预紧力作用下的抗剪剩余承载力比计算方法 结果表明考虑预紧力及板件表面摩擦力后剪切螺栓的抗剪剩余承载力比在.区间采用有限元参数分析论证了这一分析结论)结合精细数值模拟分析论证了预紧力对普通螺栓抗剪承载力的影响 研究表明预紧力会影响普通螺栓的抗剪承载力预紧力越大抗剪承载力减小越明显近似呈二次抛物线关系)计算表明不大于.时可不考虑预紧力对螺栓抗剪承载力的影响)基于研究结论和文献关于螺栓的相关紧固要求推荐了输电塔施工过程中普通螺栓紧固扭矩值参考文献 中国电力企业联合会.架空输电线路施工及验收规范:.北京:中国计划出版社.能源行业电网设计标准化技术委员会.架空输电线路杆塔结构设计技术规程:/.北京:中国计划出版社.(下转第 页)第 期 鄢秀庆等:角钢塔连接螺栓考虑预紧力的拉剪计算方法研究 许强.四川省 特大泥石流灾害特点、成因与启示.工程地质学报():.谭炳炎.泥石流沟严重程度的数量化综合评判.水土保持通报():.高桥保中川一佐藤宏章.扇状地土砂泛滥灾害危险度评价.京都大学防灾研究所年报():.唐川.汶川地震区暴雨滑坡泥石流活动趋势预测.山地学报():.():.:.:.:.:.():.():.():.匡乐红刘宝琛.基于模糊可拓方法的泥石流危险度区划研究灾害学():.孟凡奇 李广杰 李明 等.逐步判别分析法在筛选泥石 流 评 价 因 子 中 的 应 用 .岩 土 力 学():.():.():.:.:.():.():.郭晓军苏鹏程崔鹏.月 日茂县棉簇沟特大泥石流成因和特征分析.水利学报():.作者简介:卜祥航()男高级工程师研究电网地震及地质灾害防御工作(收稿日期:)(上接第 页)中华人民共和国住房和城乡建设部.钢结构高强度螺栓连接技术规程:.北京:中国建筑工业出版社.徐建设 陈以一 韩琳等.普通螺栓和承压型高强螺栓抗剪连接滑移过程.同济大学学报(自然科学版)():.杜运兴 欧阳卿.高强螺栓承压型连接抗剪承载力计算.湖南大学学报:自然科学版 ():.刘素丽陈传新魏文辉等.承压型高强螺栓受力性能试验研究.安徽建筑 ():.陈绍蕃.钢结构设计原理.北京:科学出版社.国家电网有限公司科技创新部.架空输电线路施工及验收规范:/.北京:中国电力出版社.汝元功唐照民.机械设计手册.北京:高等教育出版社.中华人民共和国住房和城乡建设部.钢结构设计标准:.北京:中国建筑工业出版社.全国架空线路标准化技术委员会.输电线路杆塔及电力金具用热浸镀锌螺栓与螺母:/.北京:中国电力出版社.作者简介:鄢秀庆()男硕士高级工程师从事输电线路工程设计及管理工作(收稿日期:)第 期 卜祥航等:强震区电网降雨型地质灾害暴发识别模型研究