大跨越钢管塔内外法兰连接节点纯弯承载力特性试验研究

钢管外圈螺栓连接的常规刚性法兰连接形式难以满足高度高、荷载大的大跨越钢管塔连接承载力要求,提出一种新型内外双圈法兰节点形式来解决传统刚性法兰的承载力不足。以某大跨越塔为背景,设计内外法兰的缩尺模型试验,开展了纯弯荷载下内外法兰的承载性能试验,考察其承载力特点、传力机理及计算理论。分析荷载增大过程中主管、连接螺栓应变的变化情况,得到法兰连接界面上的中和轴、旋转轴位置及内外螺栓内力分布规律。同时,建立内外法兰的非线性有限元模型分析内外法兰承载力特性,重点考察了连接螺栓的传力特点。基于试验及有限元分析结果可知:随着荷载的增大,法兰板间发生张开,螺栓发生颈缩破坏;内外法兰的抗弯承载力设计时,连接螺栓旋转轴位置可取距离管中心0. 6R处(R为主管半径)。     

钢管塔新型内外法兰节点试验研究与有限元分析

提出了一种适用于钢管塔的新型内外法兰节点连接形式,阐述了该法兰的特点,指出其内外圈螺栓拉力的确定是该法兰节点设计的关键。为考察这种内外法兰节点的受力性能、破坏模式及内外圈螺栓的拉力,以榕江大跨越塔为背景,进行了2个内外塔脚法兰节点的大尺寸缩尺模型静力试验。同时,对试验模型进行了有限元非线性数值分析。试验与有限元分析结果表明:这种法兰节点受力合理,可用于实际工程;榕江大跨越塔新型内外塔脚法兰节点是安全可靠的。最后,结合试验与有限元参数分析结果,建议实际工程中在进行内外法兰节点设计时,当内外圈螺栓规格相同时,其外内圈拉力比值可统一取1.0;当内外圈螺栓规格不同时,建议外内圈螺栓直径相差不宜超过2个级别,其拉力比值可取为1.1。     

大跨越钢管塔内外法兰节点偏压承载力特性试验研究

传统刚性法兰仅在钢管外侧设置一圈连接螺栓,难以满足高度高、荷载大的大跨越钢管塔连接承载力要求。为此,提出一种新型内外双圈法兰节点,它克服了传统刚性法兰存在的不足。以某大跨越钢管塔为背景,设计了与内外法兰原型节点相对应的法兰缩尺模型,模拟实际偏压受力工况开展偏压荷载下内外法兰承载力特性的试验研究;测试分析主管及螺栓应变随荷载变化的情况,研究内外法兰截面的中和轴、旋转轴位置及内外螺栓内力分布规律。大偏压荷载作用下法兰板间发生张开,螺栓发生颈缩破坏,小偏压荷载下钢管发生局部失稳破坏。最后,提出偏压荷载作用下内外法兰设计时,计算连接螺栓拉力可以取旋转轴位置为距离管中心0.6R(R为主管半径)。     

轴拉荷载下内外法兰连接屈服承载力试验研究

为研究超高钢管输电塔内外法兰连接在轴拉作用下内外圈螺栓力的分布规律及内外法兰连接屈服承载力计算方法，对10个具有不同参数的内外法兰连接试件进行了轴向拉伸试验；利用经试验验证的有限元模型，进行了外、内圈螺栓力比值(螺栓力比值η)的参数敏感性分析；将内外法兰连接等效为弹性转动约束梁提出了力学模型和螺栓力比值的理论计算式。试验结果表明：内圈和外圈的螺栓力并不相等，法兰连接屈服承载力小于内外圈螺栓屈服承载力之和；在弹性阶段，内外法兰连接的螺栓力比值保持不变；在弹塑性阶段，内圈和外圈的螺栓力随外荷载增加趋于一致。参数敏感性分析和试验结果均表明，螺栓力比值随螺距比、螺栓数量、法兰板厚度和钢管径厚比的增加而单调增加。是否考虑内外螺栓力不等所得的屈服承载力之比的最小值为0.8。螺栓力比值理论计算式很好地阐释了试验及参数敏感性分析获得的螺栓力比值随参数变化的规律，计算结果与试验和有限元结果吻合良好。由62 382个内外法兰连接模型的有限元计算结果与理论结果之比的均值为1.0,变异系数为1.3%,螺栓力比值理论计算式适用于钢管径厚比为40～100的内外法兰连接。     

中空夹层圆钢管混凝土构件内外法兰连接 受弯性能分析

为研究中空夹层圆钢管混凝土内外法兰连接的受弯性能,用ABAQUS软件建立了该节点的力学模型,分析了中空夹层圆钢管混凝土内外法兰节点受弯时节点中和轴和旋转轴的位置,并分析了内外法兰错开间距、螺栓预紧力、空心率、法兰板厚度、混凝土强度、螺栓内外边距比值等参数对节点极限承载力、最大螺栓拉力的影响。结果表明:节点的中和轴和旋转轴随弯矩变化,在外法兰板底端最大螺栓屈服前,旋转轴位置大约为0.6R(R为外钢管半径),并且节点的中和轴和旋转轴不在同一截面; 外圈最大螺栓拉力随法兰板厚度、内外法兰错开间距、螺栓内外边距比值增大而减小,随空心率、螺栓预紧力增大而增大; 混凝土强度对最大螺栓拉力影响不大,可以不作为主要参数进行分析。     

圆钢管刚性异形法兰轴拉承载力特性分析及设计方法

钢管塔结构构件普遍采用圆形法兰连接,大型杆塔的交叉材、斜材与主管相贯连接,支管采用与其垂直的圆形法兰连接接长;该连接法兰在一定程度上增大了节点域尺寸,可能造成节点过大给镀锌及运输带来困难。为此,研究开发一种法兰盘面平行于主管轴线的新型异形法兰。该法兰盘面形状为椭圆形,以法兰盘面与支管夹角为参数,开展轴拉荷载作用下刚性异形法兰承载力特性的非线性模拟,考察其轴拉荷载-变形特性及连接螺栓的受力特点。新型异形法兰轴拉承载力与圆形法兰基本具有相似的特性,但在轴拉荷载增大过程中,由于法兰盘面滑移导致连接节点轴向位移突然增大,荷载-变形关系继续线性增大并进入弹塑性阶段;滑移荷载与夹角和预紧力大小有关。连接螺栓受拉剪共同作用而发生弯曲,其应力最大位置位于两侧法兰板接触面。最后,提出异形刚性法兰的设计方法,包括法兰板、加劲肋及连接螺栓的强度设计理论。     

钢管柔性法兰偏心受拉承载力特性分析及其计算理论

柔性法兰节点通过内外两道角焊缝传力,具有安装快捷、加工简单且省材省时等特点,以柔性法兰的法兰板厚、连接螺栓的内外边距比、预紧力以及轴拉力的偏心距大小为参数,建立柔性法兰节点的非线性有限元模型,分析不同参数下柔性法兰的承载力特性以及螺栓受力特点、应力分布及发展。结果表明:法兰板厚度和螺栓边距比对法兰偏心受拉承载力和最大受力螺栓轴力作用影响较大,其他因素影响较小。最后,研究并提出柔性法兰偏心受拉承载力计算理论,相对轴心受拉时柔性法兰连接螺栓受力修正系数应适当增大,建议修正系数m取为0.8。     

轴拉荷载下内置加劲肋内外刚性法兰承载力性能研究

结合国内外现有研究成果,在传统内外刚性法兰的基础上,提出一种内置加劲肋的新型法兰连接形式。采用ANSYS有限元软件,对含内置加劲肋法兰节点进行轴向拉伸参数分析,找出参数变化导致内外螺栓受力的不均匀度变化。结果表明:含内置加劲肋法兰比无内置加劲肋法兰较早达到屈服极限,且最大承载力略小于无内置加劲肋法兰;含内置加劲肋双圈法兰受力情况比较复杂,尤其是内置加劲肋两侧的螺栓轴力明显大于其他地方;内外圈螺栓受力不均匀度随内置加劲肋厚度的增大而增大。     

拉-弯-剪组合作用下法兰连接方钢管柱受力性能研究

为研究多高层钢结构柱连接在拉-弯-剪组合作用下的受力性能,对4个不同法兰板厚度的法兰连接柱进行了足尺模型试验和有限元分析,并通过有限元模型分析了轴拉比对法兰连接柱性能的影响。结果表明：随着法兰板厚度增大,连接柱的侧向刚度和水平承载力增大,受拉区法兰接触面翘力减小;在拉-弯-剪组合作用下,法兰中性轴位置在受压侧第二排螺栓附近,且随着法兰板厚度的增大,中性轴位置由法兰受压区逐渐向其几何中心移动。轴向拉力对法兰产生的作用效应与水平荷载产生的作用同向。轴向拉力降低了法兰连接柱的水平屈服荷载,法兰转角随着轴拉比的增大而增大。     

钢管填充混凝土对内外法兰节点抗弯承载力特性影响研究

特大型钢管结构(如大跨越输电铁塔等)主材内力及直径均非常大,钢管接长后采用传统刚性法兰连接不能满足承载力要求且不经济。在钢管内外侧均设置连接螺栓,形成钢管内外法兰。并针对钢管填充混凝土与否,设计并制作钢管内外法兰及钢管混凝土内外法兰试件,开展2种内外法兰抗弯承载力性能试验、有限元模拟分析和抗弯旋转轴计算理论研究,考察其承载力特性、传力机理及旋转轴位置。分析加载过程中连接螺栓、钢管及混凝土应变的发展情况,得到法兰啮合面旋转轴位置及内外螺栓内力分布规律。研究表明,钢管混凝土内外法兰受弯时可以避免钢管发生局部屈曲,提高了法兰节点整体抗弯刚度;且随着荷载的增大,法兰板张开,混凝土开裂,螺栓发生颈缩破坏。钢管内外法兰及钢管混凝土内外法兰抗弯承载力设计时,连接螺栓旋转轴位置分别可取距离管中心0.6R,0.8R(R为钢管半径)。     

钢管杆塔新型内外法兰受弯性能试验研究及有限元分析

提出了一种适用于钢管杆塔的内外法兰连接型式,阐述了该法兰的特点,对节点的设计进行了系统分析,提出了节点螺栓拉力计算模型,指出确定计算螺栓拉力旋转轴的位置是整个新型法兰的研究重点。为考察新型内外法兰的受力性能、节点破坏模式、内外圈螺栓拉力及法兰螺栓群的受力分界线,以白花洞钢管杆工程为背景,进行了2个缩尺法兰模型的静力试验。同时,对试验模型进行了非线性有限元分析,试验结果与有限元分析结果吻合较好,分析结果均表明：这种法兰构造合理、安全可靠,可用于实际工程。最后,结合试验与有限元参数分析结果,给出了内外法兰受弯时的设计方法,建议计算螺栓拉力的旋转轴位置可取在距钢管中心0.7r处(r为钢管半径)。     

风-冰联合作用下风电塔高强螺栓疲劳可靠度分析

针对风力机塔筒法兰联结螺栓结构特殊、受力复杂、易于失效等特点,对风-冰联合作用下高强螺栓节点的疲劳可靠度进行了研究。首先通过谐波叠加法生成风速时程,按照概化冰力函数求出作用于风电塔上的冰力时程; 然后应用ANSYS建立风电塔模型,施加生成的风荷载及动冰荷载,得到法兰中心处的应力时程曲线; 基于Schmidt-Neuper理论及有限元方法分别对法兰联结螺栓结构进行计算,得到法兰受载与螺栓应力之间的关系; 通过MATLAB多项式拟合得到外荷载作用下螺栓的应力时程曲线; 最后基于累积损伤理论,计算螺栓在不同荷载工况下的疲劳可靠度,并讨论预紧力、螺栓位置、冰速对其疲劳可靠度的影响。结果表明:考虑冰载后螺栓的疲劳可靠度均有所下降,冰载对螺栓疲劳可靠度的影响不容忽视; 预紧力的大小对风载作用下的螺栓疲劳可靠度影响较大,对冰载作用下的螺栓疲劳可靠度影响不大; 螺栓所在位置对各荷载工况下的螺栓疲劳可靠度均存在较大影响,且对冰载作用下的螺栓疲劳可靠度影响最为明显; 法兰所受外荷载大于使螺栓节点分开所需的荷载时,会增加螺栓的应力幅值,从而降低其疲劳可靠度; 冰载作用下影响螺栓疲劳可靠度的主要因素为冰激作用导致的塔架共振。     

新型锻造法兰抗弯承载性能的有限元分析

针对大尺寸的输电线路钢管杆塔,提出一种新型内外锻造法兰的节点形式,对该法兰节点在受弯情况下的特性和受力状态进行系统分析。以白花洞电杆为研究背景,利用有限元分析软件ANSYS进行非线性分析,重点考察新型内外锻造法兰的螺栓受拉情况和法兰盘受力情况,并研究主要参数对螺栓拉力的影响。通过研究得出该法兰的受弯性能和理想的参数组合,以供实际工程设计时参考。     

轴向拉力作用下圆钢管法兰连接节点承载性能的试验研究

以法兰板形状(圆板、环板)、法兰板厚度、螺栓至管壁距离、螺栓个数及强度等级、螺栓有无预拉力等为参数,针对圆钢管有、无加劲肋法兰连接,共进行了13个法兰连接节点轴向拉伸试验,得到了节点破坏形式及承载力。研究表明:法兰连接节点承载力与法兰板厚度、螺栓边距、螺栓个数及强度等级、法兰板形状等有关,预拉力对节点承载力影响较小。     

Ermüdungssichere Bemessung vorgespannter Ringflanschstöße unter Berücksichtigung von Flanschimperfektionen

Fatigue design of preloaded ring flange connections taking flange imperfections into account. The fatigue life of the bolts in preloaded ring flange connections may drastically drop when there are gaps between the flange contact surfaces before preloading the bolts (“flange imperfections”). Preloaded ring flange connections are often used as site joints in tower‐like steel structures, e.g. in tubular towers of wind turbines (WEA). The fatigue‐detrimental effects of flange imperfections have been comprehensively investigated at the University of Essen. The conclusions to be drawn from it with regard to a fatigue‐safe design are described and commented in the present paper, based on the relevant rules in the new DIBt‐guidelines for WEA. Two calculation models are presented how to take flange imperfections approximately into account in the fatigue design. For the redeveloping of a site joint, which during erection turns out to be too imperfect, the method of packing the gaps is discussed.     

风电塔筒基础的设计研究

风电塔筒与基础连接一般采用地脚螺栓,因个别螺栓拧紧时断裂,处理较困难,有的工程改为埋入式基础.即在基础内埋置一段钢筒,与上部塔筒采用高强螺栓法兰盘连接,螺栓即使拧断,也可轻易更换.但这种基础受力较差,国内外均有整体拔出时出现倒塌事故的案例,且造价也较高.对风电塔筒基础设计进行研究,采用合理的地脚螺栓连接形式,可避免预埋...