新型內(nèi)外雙層法蘭抗彎性能試驗(yàn)研究

新型內(nèi)外雙層法蘭抗彎性能試驗(yàn)研究

1節(jié)點(diǎn)抗彎性能多孔夾混凝土具有良好的力學(xué)性能，在土木工程中得到了廣泛應(yīng)用。剛性法蘭結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)促進(jìn)了法蘭的工程應(yīng)用,目前的大部分研究認(rèn)為在確定抗彎承載力時可采用旋轉(zhuǎn)軸來進(jìn)行法蘭螺栓拉力的計(jì)算。對于電力桿塔的設(shè)計(jì),《規(guī)定》也采用了該方法。高湛等對剛性法蘭進(jìn)行了有限元分析,認(rèn)為受彎時的中和軸在0.6R(R為外鋼管半徑)的位置大跨越鋼管鐵塔的發(fā)展使得主材直徑越來越大,而適合大直徑鋼管結(jié)構(gòu)的法蘭節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)大部分表現(xiàn)為雙層法蘭形式,即法蘭有內(nèi)、外兩個法蘭盤。鄧洪洲等通過對單鋼管雙層法蘭進(jìn)行拉、壓試驗(yàn),受壓時的破壞為鋼管屈曲,而受拉時則為螺栓破壞(螺栓螺紋發(fā)生滑絲);他們還通過有限元分析發(fā)現(xiàn),拉、壓狀態(tài)下的內(nèi)、外法蘭螺栓拉力之比在1.0左右本文針對中空夾層鋼管混凝土剛性雙層法蘭,通過試驗(yàn)對該類型節(jié)點(diǎn)的抗彎性能進(jìn)行相關(guān)研究。試驗(yàn)中采用四點(diǎn)彎的加載方式,實(shí)現(xiàn)了純彎荷載的施加。通過布置應(yīng)變和位移測點(diǎn),對法蘭的受彎性能、張開位移分布規(guī)律、中和軸位置、旋轉(zhuǎn)軸位置進(jìn)行了試驗(yàn)研究,獲得了可指導(dǎo)工程實(shí)踐的重要研究結(jié)論。2法蘭試件的材料、結(jié)構(gòu)及加載形式圖1給出了試驗(yàn)中采用的法蘭節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造及尺寸。內(nèi)、外鋼管均采用壁厚為12mm的Q345鋼管。在內(nèi)外鋼管之間采用構(gòu)造的定位板保證內(nèi)、外鋼管的同心要求。定位板設(shè)置在試件的4個截面位置處,分別為近法蘭板處和近端部處。定位板為厚6mm方形鋼板,每個截面位置處均對稱布置4塊,板平面平行于鋼管母線,兩對邊分別焊于內(nèi)、外鋼管壁,另兩對邊的延長線通過鋼管圓心。外鋼管直徑為800mm,內(nèi)鋼管直徑為600mm,定位板固定好后焊接內(nèi)、外法蘭盤和加勁板。與實(shí)際施工工藝一致,首先采用螺栓連接兩段中空夾層鋼管混凝土的內(nèi)、外法蘭盤,然后再在內(nèi)、外鋼管中間填充C30的細(xì)石混凝土,以保證在法蘭連接處混凝土的連續(xù)性。由于螺栓是反映法蘭抗彎承載能力的關(guān)鍵構(gòu)件,因此在法蘭試件設(shè)計(jì)中,采用了弱螺栓、強(qiáng)法蘭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念。為了使得問題純粹化,即在研究抗彎時盡量保證法蘭節(jié)點(diǎn)中不出現(xiàn)剪力和軸力,試驗(yàn)時采用了如圖2所示的四點(diǎn)彎加載形式。即對整個試件采用簡支約束體系,然后在法蘭節(jié)點(diǎn)兩外側(cè)施加相等的力,這兩個加載的力采用分配梁來實(shí)現(xiàn),從而實(shí)現(xiàn)法蘭的純彎加載。為防止鋼管受集中應(yīng)力影響而破壞,加載位置采用3個環(huán)板來實(shí)現(xiàn)集中力的傳遞,同時兩加載點(diǎn)之間相距1.8倍外鋼管直徑,以消除端部效應(yīng)。法蘭構(gòu)件中采用的連接螺栓為4.8級M20普通螺栓。螺栓本構(gòu)關(guān)系中一般沒有明顯的屈服平臺,可采用三折線線性模型描述:式中:ε根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)推出三線性本構(gòu)關(guān)系的參數(shù)建議值,見表1。法蘭的鋼管、肋板及法蘭板則適合采用四線性模型,即:式中:ε法蘭各個組件的材性試驗(yàn)結(jié)果見表2。對留樣試件進(jìn)行混凝土強(qiáng)度及棱柱體抗壓試驗(yàn)的結(jié)果表明,其本構(gòu)關(guān)系為:式中:σ采用位移和應(yīng)變測試來研究法蘭節(jié)點(diǎn)的受彎特性。如圖3a所示,布置了3個測點(diǎn)來測試節(jié)點(diǎn)受彎時左、右法蘭盤之間的相對位移,從而間接地反映左右兩個法蘭截面的接觸特征。法蘭結(jié)構(gòu)中的螺栓是關(guān)鍵的受力構(gòu)件,因此需對內(nèi)、外法蘭螺栓的變形及內(nèi)力分布特征進(jìn)行觀測分析。圖3b給出了布置有應(yīng)變測點(diǎn)的螺栓的位置。這些螺栓上的應(yīng)變測點(diǎn)均為量測螺栓縱向的應(yīng)變,且成對布置,實(shí)現(xiàn)方法與文獻(xiàn)[15]一致。如圖3c所示,繞截面一周,布置了順著中空夾層鋼管混凝土桿件縱向的應(yīng)變片,這些應(yīng)變片順次布置在外鋼管和外法蘭的肋板上,應(yīng)變測點(diǎn)離法蘭板距離約為30mm。并且,肋板上的應(yīng)變片為成對布置,分別布置在肋板兩側(cè),以消除肋板局部彎曲的影響。3螺栓抗彎性能分析圖4給出了法蘭試件的左、右法蘭盤之間的張開量隨荷載增長的情況。由圖4a可見,法蘭的荷載位移曲線初始基本呈線性關(guān)系,該線性關(guān)系在法蘭混凝土開裂前、后基本保持不變,說明混凝土所提供的拉力相較于螺栓可忽略不計(jì)。隨著螺栓發(fā)生屈服,荷載-位移曲線的非線性特征明顯,并最終使得螺栓拉斷,試件發(fā)生破壞。在荷載較小時,法蘭盤各測點(diǎn)的間隙值并不符合線性增長規(guī)律,隨著荷載的增加,螺栓逐漸進(jìn)入塑性,此時各測點(diǎn)的間隙值隨高度變化接近于線性。這說明中空夾層鋼管混凝土中混凝土開裂前,混凝土對變形的約束明顯。混凝土開裂表現(xiàn)為從底部開始,并沿高度方向擴(kuò)展,其開裂高度隨著荷載的增加而增加?；炷灵_裂導(dǎo)致法蘭截面拉區(qū)的混凝土失效,截面拉力由螺栓承擔(dān)。此后,隨著荷載的繼續(xù)增加,從底部螺栓開始,法蘭截面受拉區(qū)的螺栓沿著高度方向?qū)㈨槾芜M(jìn)入屈服,相應(yīng)地各測點(diǎn)位置量測到的張開量將趨于直線。當(dāng)加載至1728kN,即法蘭受到的彎矩為1685kN·m時,法蘭試件發(fā)生了破壞,試件的最終破壞形態(tài)如圖5所示。破壞時,底部螺栓拉斷,法蘭張開,混凝土露出,而法蘭板本身及連接焊縫處未出現(xiàn)明顯屈服或開裂現(xiàn)象。螺栓斷裂的順序,首先是底部螺栓,然后是其相鄰的螺栓,螺栓的破壞形式均為發(fā)生頸縮的受拉破壞,螺栓破壞斷面為45°斜面。法蘭破壞形式說明了螺栓是影響法蘭截面抗彎承載力的主要因素。圖6給出了主管應(yīng)變在截面高度方向上的分布情況?？芍?當(dāng)荷載較小時鋼管截面應(yīng)變基本呈線性變化。由于法蘭截面的上半部分的部分螺栓進(jìn)入了零應(yīng)力狀態(tài),即由于法蘭受彎引起的壓區(qū)應(yīng)力大于螺栓的預(yù)緊應(yīng)力,則此時中和軸并不出現(xiàn)在截面的中間。如圖7所示,中和軸略高于法蘭截面中心線,離法蘭截面中心線的距離約為外鋼管半徑的20%,即0.2R。為便于描述,將法蘭截面中心線和鋼管軸線組成的水平面定義為中面。該試驗(yàn)現(xiàn)象與文獻(xiàn)[6]的研究結(jié)論較為一致,需要引起注意的是,隨著法蘭所受彎矩的增加,法蘭截面受拉區(qū)的多個螺栓順次進(jìn)入了全截面屈服狀態(tài),法蘭鋼管截面的應(yīng)變分布也隨之發(fā)生了重分布。可以看出,法蘭中面以上部分應(yīng)力仍基本呈線性變化,而法蘭中面以下的鋼管應(yīng)變分布則趨于均勻。這就說明法蘭截面的上半部分仍存在彈性區(qū)域,而下半部分主要為螺栓受拉,因此其應(yīng)力分布較為復(fù)雜。在法蘭截面所受彎矩到達(dá)極限狀態(tài)時,其應(yīng)力分布也較為類似,但是應(yīng)力最大的區(qū)域發(fā)生在了中面附近。圖8給出了肋板應(yīng)變在截面高度方向上的分布情況。與主管應(yīng)變分布規(guī)律類似,法蘭下半部分的肋板承受著由于螺栓拉力傳過來的應(yīng)力,而在法蘭截面的上半部分則承受由于法蘭盤的接觸而傳遞到肋板截面的壓應(yīng)力。各個肋板的受力受到加工導(dǎo)致的法蘭盤表面不平整的影響,部分肋板受力偏小。由圖8可見,法蘭頂部肋板受到的壓力并不大,而下一個節(jié)間的肋板則受到較大的應(yīng)力。不考慮頂部肋板,則肋板應(yīng)力分布顯示的彈性區(qū)域與鋼管應(yīng)力分布顯示的彈性區(qū)域基本相近,從中面往下250mm獲得的界面為彈性區(qū)域的下限界面。與鋼管應(yīng)力分布所給出的結(jié)果一致。當(dāng)法蘭所受彎矩到達(dá)極限狀態(tài)時,其應(yīng)力最大的區(qū)域也發(fā)生在中面附近。另外,從圖8還可看出,肋板拉應(yīng)力較大處與內(nèi)鋼管底部螺栓基本位于同一水平高度處。這說明內(nèi)鋼管螺栓拉力中的一部分通過混凝土傳遞到了外鋼管,導(dǎo)致該位置處的應(yīng)力水平提高。而當(dāng)法蘭截面所受彎矩到達(dá)極限荷載(1685kN·m)時,由于底部螺栓接近于頸縮破壞,底部螺栓所提供的拉力下降,因此底部肋板的應(yīng)力反而下降。與圖6所示的外鋼管的應(yīng)變分布變化規(guī)律類似。由外鋼管和外肋板應(yīng)變所確定的截面中和軸離法蘭中面的高度如圖9所示?？煽闯?兩者所得中和軸位置基本一致,并且表現(xiàn)出了相同的變化規(guī)律。即截面所承受彎矩并不大時,其中和軸位置基本保持不變;當(dāng)截面彎矩到達(dá)一定值時,中和軸出現(xiàn)上移的情形,這是由于下部螺栓順次受拉屈服所致,只有當(dāng)發(fā)生屈服的螺栓的數(shù)量較多時才會引起中和軸位置的較大變化。圖10給出了內(nèi)、外法蘭螺栓變形隨高度的分布與彎矩之間的變化關(guān)系。隨著彎矩的增加,由于預(yù)緊力的存在,法蘭受壓區(qū)的外法蘭螺栓仍會出現(xiàn)一定的壓應(yīng)變,但當(dāng)該壓應(yīng)變和預(yù)緊產(chǎn)生拉應(yīng)變抵消后,該螺栓將不再受力。法拉受拉區(qū)的內(nèi)、外法蘭螺栓的變形則隨著彎矩的增加而增加。法蘭拉區(qū)的螺栓發(fā)生屈服之前,外法蘭螺栓的變形隨高度分布接近線性,而內(nèi)法蘭螺栓變形的分布并不呈線性,但是內(nèi)、外法蘭的螺栓均表現(xiàn)出越遠(yuǎn)離中和軸則變形越大的特點(diǎn)。從整個變形發(fā)展的情況看,當(dāng)荷載接近某一臨界荷載時,外法蘭底部螺栓首先出現(xiàn)屈服,其后各個螺栓順次出現(xiàn)屈服。內(nèi)、外法蘭對應(yīng)的該臨界荷載是不同的,對應(yīng)于外法蘭螺栓的臨界荷載約為400kN·m,對應(yīng)于內(nèi)法蘭螺栓的臨界荷載則約為850kN·m,這是由于內(nèi)、外法蘭底部螺栓的高度不同而引起的。根據(jù)《規(guī)定》所給出的法蘭計(jì)算公式,純彎時有:式中:N此時要求N式中:因此有:據(jù)此得到的圖11給出了根據(jù)本文試驗(yàn)結(jié)果和式(8)獲得的旋轉(zhuǎn)軸變化曲線。旋轉(zhuǎn)軸在荷載小于850kN·m時基本保持不變,荷載較大時旋轉(zhuǎn)軸位置不斷上移。這是由于荷載增加了,但螺栓達(dá)到屈服狀態(tài)而保持拉力基本不變的原因。試驗(yàn)表明,極限承載力為第一個螺栓出現(xiàn)屈服時的承載力的1.8倍左右。而試驗(yàn)結(jié)果獲得的旋轉(zhuǎn)軸距中面距離為300mm,略小于《規(guī)定》建議的鋼管直徑的80%,即320mm。由此可見,當(dāng)以底部螺栓屈服作為彎矩承載力設(shè)計(jì)選用條件時,中空夾層鋼管混凝土法蘭承載力計(jì)算時若簡單套用《規(guī)定》建議的旋轉(zhuǎn)軸,會使計(jì)算得到的承載力偏大,偏于不安全。研究還表明,旋轉(zhuǎn)軸和中和軸的位置相差甚遠(yuǎn),表現(xiàn)為中和軸離中面的高度遠(yuǎn)小于旋轉(zhuǎn)軸離中面的高度。所以若將中和軸視為旋轉(zhuǎn)軸計(jì)算螺栓拉力時,則根據(jù)《規(guī)定》的方法所計(jì)算得到的法蘭抗彎承載力將偏小許多。這雖然偏于安全,但并不是一種妥當(dāng)?shù)淖龇ā?法蘭螺栓的屈服分析1)在肋板及法蘭板未出現(xiàn)破壞的條件下,法蘭的抗彎承載力主要由螺栓受拉承擔(dān),相應(yīng)的破壞形式為法蘭螺栓發(fā)生頸縮拉伸破壞?；炷了峁┑睦ο鄬^小,其開裂對法蘭的承載力影響較小。2)通過鋼管及肋板的應(yīng)變隨高度的分布還可推算出法蘭在受彎時的中和軸位置,兩者推算出的中和軸位置較為一致,中和軸位置為高于法蘭截面中心線外鋼管半徑的20%。對應(yīng)變分布特征的分析表明,法蘭受彎時存在一個彈性區(qū)域,這間接說明了在推算剛性雙層法蘭受彎承載力時采用平截面假定具有一定的合理性。試驗(yàn)結(jié)果還表明,發(fā)生屈服的螺栓數(shù)量未達(dá)到一定量值時,中和軸位置變化較小。法蘭在極限狀態(tài)下的中和軸位置會大大提高。3)外法蘭螺栓早于內(nèi)法蘭螺栓進(jìn)入屈服。外法蘭受拉區(qū)螺栓的變形基本呈線性分布,而內(nèi)法蘭受拉區(qū)螺栓變形的線性分布特征并不明顯,但兩者均表現(xiàn)出距中面越