鄢秀慶,龔 濤,劉翔云,蒲 凡,李 鐘

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司,四川 成都 610021)

0 引 言

角鋼塔一般采用螺栓連接,螺栓主要承受剪力作用。但GB 50233—2014《110 kV～750 kV架空輸電線路施工及驗(yàn)收規(guī)范》[1]基于擰緊及防松的目的,要求在施工時(shí)施加一定的扭矩,該扭矩將在螺桿內(nèi)形成一定的拉力,在疊加剪力后使得螺栓處于拉剪受力狀態(tài)。DL/T 5486—2020《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[2]未要求對(duì)螺栓進(jìn)行拉剪受力的復(fù)核,僅給出了純剪力的計(jì)算公式,導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏于冒進(jìn)。

民用鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的JGJ 82—2011《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》[3]僅規(guī)定了高強(qiáng)度螺栓的緊固扭矩值,對(duì)普通螺栓的緊固扭矩值并沒有作明確規(guī)定;文獻(xiàn)[4-7]主要針對(duì)高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊力對(duì)其受剪影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究。計(jì)算表明,目前規(guī)范規(guī)定的緊固扭矩值會(huì)使得設(shè)計(jì)偏于不安全,主要是依靠螺栓強(qiáng)度的安全系數(shù)進(jìn)行抵抗。因此,很有必要研究緊固扭矩對(duì)普通螺栓受剪的影響。

下面結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[8]理論推導(dǎo)了輸電塔普通受剪螺栓在預(yù)緊力作用下的抗剪剩余承載力比的計(jì)算方法,并結(jié)合有限元分析對(duì)該方法進(jìn)行了論證。同時(shí)采用有限元精細(xì)化數(shù)值模擬分析了預(yù)緊力對(duì)普通螺栓抗剪承載力的影響,驗(yàn)證了理論推導(dǎo)結(jié)論;最終依據(jù)預(yù)緊力和抗剪承載力之間的關(guān)系,推薦了輸電塔普通抗剪螺栓的緊固扭矩值,為工程設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 緊固扭矩對(duì)普通螺栓受剪的影響

1.1 緊固扭矩的取值

GB 50233—2014、DL/T 5486—2020給出了受剪螺栓緊固扭矩的最小值,并注明了M24為8.8級(jí)螺栓,如表1所示。

表1 常見規(guī)格螺栓的施工緊固扭矩值

國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 10115—2022《110 kV～1000 kV架空輸電線路施工及驗(yàn)收規(guī)范》[8]第9.1.7條給出了4.8級(jí)、6.8級(jí)角鋼塔螺栓的最小緊固扭矩,如表2所示。

表2 常見規(guī)格螺栓的施工緊固扭矩值

特高壓鋼管桿塔法蘭螺栓的最小緊固扭矩,如表3所示。

表3 特高壓工程推薦的施工緊固扭矩值

表1至表3表明,對(duì)于6.8級(jí)M16螺栓,工程中規(guī)定的緊固扭矩值為80 N·m;對(duì)于6.8級(jí)M20螺栓,工程中規(guī)定的緊固扭矩值為100～160 N·m;對(duì)于8.8級(jí)M24螺栓,工程中規(guī)定的緊固扭矩值為250～380 N·m。

1.2 施工預(yù)緊力的計(jì)算方法

依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[9],普通螺栓預(yù)緊力P的計(jì)算方法為

(1)

式中:K為擰緊力矩系數(shù),計(jì)算表明可近似取0.2;d為螺栓公稱直徑,mm;T為緊固扭矩。

根據(jù)各規(guī)范緊固扭矩取值,反算預(yù)緊力如表4所示。

表4 緊固扭矩的預(yù)緊力計(jì)算值

假定預(yù)緊力在輸電塔普通螺栓的服役過程中一直存在,此時(shí)螺栓會(huì)承受拉剪耦合效應(yīng),這一定程度削弱了螺栓的抗剪作用,根據(jù)GB 50014—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[10]第11.4.1條規(guī)定,承受拉剪耦合作用時(shí),普通螺栓的承載力應(yīng)滿足式(2)要求。

(2)

由式(2)可以推導(dǎo)出抗剪螺栓考慮預(yù)緊力后的剩余承載力比為

(3)

根據(jù)式(3)計(jì)算得到考慮預(yù)緊力后的抗剪剩余承載力比如表5所示。

表5 考慮預(yù)緊力后的抗剪剩余承載力比

表5表明,由于預(yù)緊力的影響,受剪螺栓的抗剪剩余承載力比在0.83～0.94區(qū)間,承載力較純剪時(shí)下降了6%～17%,緊固扭矩越大,其抗剪剩余承載力越小。螺栓在實(shí)際受力時(shí),由于連接板面鍍鋅與螺栓連接面存在摩擦。螺栓抗剪滑移時(shí)是一個(gè)緩慢運(yùn)動(dòng)的過程,可以假定這種由于預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力是一直存在,分擔(dān)了一部分外部剪力,使得螺栓螺桿實(shí)際承載的剪切力減小了。鍍鋅連接面的摩擦系數(shù)μ近似取0.15,結(jié)合GB 50014—2017高強(qiáng)度摩擦型螺栓的抗剪承載力計(jì)算形式,可以假定預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力為

Vμ=0.9μP

(4)

考慮摩擦力后的抗剪剩余承載力比為

(5)

考慮螺栓摩擦力后抗剪剩余承載力比如表6所示。

表6 螺栓考慮摩擦力后抗剪剩余承載力比

表6表明,考慮螺栓摩擦力后,剪切螺栓的抗剪剩余承載力比在0.92～0.99區(qū)間,仍小于1.0,表明按照規(guī)范規(guī)定的緊固扭矩進(jìn)行螺栓緊固后,所產(chǎn)生的預(yù)緊力對(duì)螺栓的抗剪承載力具有較大削減作用。而這種影響在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中并沒有考慮,主要是通過材料的分項(xiàng)系數(shù)來(lái)抵抗,從設(shè)計(jì)上來(lái)講,這是偏于不安全的,降低了螺栓的可靠度。

2 數(shù)值模型驗(yàn)證

為進(jìn)一步研究預(yù)緊力狀態(tài)下受剪螺栓的抗剪性能,采用數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證。采用板式雙剪模型進(jìn)行數(shù)值分析,為了避免螺栓的承壓破壞,板件材料強(qiáng)度為Q420,加載板厚度取30 mm,固定板厚度取15 mm,螺栓采用8.8級(jí)M24,屈服強(qiáng)度取640 MPa[11],預(yù)緊力在螺桿中部截面對(duì)稱施加,摩擦系數(shù)取0.15,模型構(gòu)造見圖1所示。

圖1 板式雙剪模型構(gòu)造

2.1 數(shù)值模型

為了精確模擬螺栓的受力,螺栓與板之間采用接觸約束,采用實(shí)體單元模擬;材料采用理想彈塑性本構(gòu);約束住約束板的左端,在板的右端施加拉伸荷載,進(jìn)行幾何非線性分析。數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 板式雙剪模型

按照屈服強(qiáng)度計(jì)算出單顆螺栓的全截面塑性抗剪承載力為289.5 kN,由此得到雙剪模型的抗剪極限承載力為1158 kN,為了研究預(yù)緊力對(duì)螺栓抗剪承載力的影響,設(shè)計(jì)了4種加載工況,如表7所示。

表7 工況信息

2.2 應(yīng)力云圖

在極限破壞狀態(tài)下,雙剪模型的整體應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 雙剪模型的應(yīng)力云圖

圖3表明,極限破壞狀態(tài)下,螺栓附近板的應(yīng)力已經(jīng)進(jìn)入了塑性,螺桿大部分區(qū)域也進(jìn)入了塑性,存在明顯的剪切變形,螺栓最終被剪壞。

2.3 預(yù)緊力對(duì)螺栓抗剪承載力的影響

數(shù)值計(jì)算得到了所設(shè)計(jì)的4種加載工況下雙剪模型抗剪承載力,如表8所示。

表8 各工況的極限抗剪承載力

由表8可知,預(yù)緊力為0時(shí),抗剪承載力為1 005.28 kN;隨著預(yù)緊力的增加,雙剪模型的抗剪承載力逐漸減小,預(yù)緊力越大,這種減小趨勢(shì)越明顯,近似呈二次拋物線減小,如圖4所示。

圖4 預(yù)緊力對(duì)螺栓抗剪承載力的影響

數(shù)值分析表明,隨著預(yù)緊力增大,螺栓的抗剪承載力是減小的,這與第1.2節(jié)理論分析結(jié)論是一致的,且預(yù)緊力越大,螺栓抗剪承載力減小越明顯。因此,工程設(shè)計(jì)中需要考慮預(yù)緊力對(duì)普通螺栓的抗剪承載力影響。

2.4 參數(shù)分析論證

為了綜合對(duì)比理論計(jì)算公式的有效性和可靠性,進(jìn)行參數(shù)分析,如表9所示。參數(shù)分析的變量包括螺栓型號(hào)、預(yù)緊力及摩擦系數(shù),共計(jì)36組。

表9 各工況的抗剪剩余承載力比

改變有限元模型的部分參數(shù),進(jìn)而計(jì)算M16、M20及M24螺栓在各工況下的抗剪剩余承載力比,并定義γ為理論計(jì)算與有限元計(jì)算抗剪剩余承載力比的比值,作出各工況下的γ如圖5所示?？梢钥闯?理論計(jì)算抗剪剩余承載力比略大于有限元計(jì)算抗剪剩余承載力比,且保證率約為97%,整體吻合良好。

圖5 各工況的理論計(jì)算與有限元計(jì)算抗剪剩余承載力比的比值

3 普通螺栓緊固扭矩取值推薦

理論推導(dǎo)和數(shù)值研究結(jié)論表明,預(yù)緊力對(duì)普通螺栓抗剪承載力存在一定的影響,預(yù)緊力越大,其抗剪承載力削弱越明顯。目前輸電塔普通螺栓在抗剪設(shè)計(jì)時(shí),并沒有考慮緊固扭矩所產(chǎn)生的預(yù)緊力影響。計(jì)算表明,按照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的緊固扭矩進(jìn)行螺栓擰緊,其產(chǎn)生的預(yù)緊力對(duì)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是偏于不安全的,因此有必要重新推薦普通螺栓的緊固扭矩值,保證設(shè)計(jì)的可靠性。

按照式(5)計(jì)算6.8級(jí)M16、6.8級(jí)M20和8.8級(jí)M24螺栓在不同預(yù)緊力下的螺栓抗剪剩余承載力比,如圖6所示。

圖6 預(yù)緊力對(duì)螺栓抗剪剩余承載力比的影響

圖6表明,預(yù)緊力越大,螺栓抗剪剩余承載力比越低,近似呈二次拋物線關(guān)系。ηt不大于0.3時(shí),可不考慮預(yù)緊力對(duì)螺栓受剪力的影響。同時(shí),文獻(xiàn)[3]中關(guān)于承壓型螺栓,將其分為適度擰緊型和完全預(yù)緊型,適度擰緊型為采用扳手?jǐn)Q緊達(dá)到連接面緊密結(jié)合的目的,主要用于受拉或拉剪組合螺栓,與輸電塔受剪普通螺栓受力一致。因此,對(duì)于輸電塔受剪普通螺栓,建議結(jié)合文獻(xiàn)[3]的規(guī)定,以觀察為主,同時(shí)施加扭矩時(shí)的預(yù)緊力不超過設(shè)計(jì)抗拉承載力的30%。推薦施工緊固扭矩如表10所示,施工過程中緊固扭矩值應(yīng)不大于表10中的值。

表10 輸電塔普通螺栓緊固扭矩推薦值

4 結(jié) 論

上面結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)基本原理推導(dǎo)了輸電塔普通受剪螺栓在預(yù)緊力作用下的抗剪剩余承載力比計(jì)算方法,并結(jié)合有限元分析對(duì)該方法進(jìn)行了論證;結(jié)合精細(xì)化數(shù)值模擬論證了預(yù)緊力對(duì)普通螺栓抗剪承載力的影響,驗(yàn)證了理論分析的結(jié)果;最終依據(jù)預(yù)緊力和抗剪承載力之間的關(guān)系,推薦了輸電塔普通抗剪螺栓的緊固扭矩值,為工程設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)依據(jù),具有一定的工程價(jià)值。主要研究結(jié)論如下:

1)總結(jié)了目前各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于普通螺栓緊固扭矩的相關(guān)規(guī)定。各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于M20、M24要求差異較大,產(chǎn)生的預(yù)緊力占螺栓抗拉承載力比例較高。分析并提出了預(yù)緊力對(duì)普通螺栓抗剪承載力的影響。

2)結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理推導(dǎo)了普通螺栓在預(yù)緊力作用下的抗剪剩余承載力比計(jì)算方法。結(jié)果表明,考慮預(yù)緊力及板件表面摩擦力后,剪切螺栓的抗剪剩余承載力比在0.92～0.99區(qū)間,采用有限元參數(shù)分析,論證了這一分析結(jié)論。

3)結(jié)合精細(xì)數(shù)值模擬分析論證了預(yù)緊力對(duì)普通螺栓抗剪承載力的影響。研究表明,預(yù)緊力會(huì)影響普通螺栓的抗剪承載力,預(yù)緊力越大,抗剪承載力減小越明顯,近似呈二次拋物線關(guān)系。

4)計(jì)算表明,ηt不大于0.3時(shí),可不考慮預(yù)緊力對(duì)螺栓抗剪承載力的影響。

5)基于研究結(jié)論和文獻(xiàn)[3]關(guān)于螺栓的相關(guān)緊固要求,推薦了輸電塔施工過程中普通螺栓緊固扭矩值。