[分享]柔性法兰节点轴拉承载力试验及盘面变形计算

柔性法兰是一种构造简单、盘面平整的钢管连接节点形式，通过内、外两道环向角焊缝传力。研究了柔性法兰节点轴心受拉承载力特性，以法兰盘厚度为参数，开展柔性法兰轴拉承载力试验研究，考察了柔性法兰盘面变形特点及节点应变发展规律，发现增大法兰盘厚度可使柔性法兰轴拉屈服承载力提高约15%。建立柔性法兰的非线性有限元模型，分析了轴拉作用下柔性法兰的变形特性及法兰盘和内、外角焊缝的应力分布及发展情况。分析结果表明：法兰盘根部内缘张开，外缘顶紧，盘面中部应力最大，与试验结果吻合良好。最后，提出轴心受拉柔性法兰盘面变形计算方法，建议法兰盘根部变形修正系数取1.4，提出的盘面变形计算公式可供柔性法兰设计时参考。

The flexible flange is a form of steel pipe joint with simple detail and flat surface.It transfers force through two inner and outer circumferential welds.The axial tensile bearing capacity of flexible flange joints is studied in this paper.With the flange plate thickness as a parameter，the deformation characteristics of flange plate and the development of joint strain are investigated.Increasing the flange thickness can increase the axial tensile yield strength of flexible flange by about 15%.A nonlinear finite element model of the flexible flange is established，and the deformation characteristics of flexible flange and the stress distribution and development of flange plate and inner and outer welds are analyzed.The results show that the inner edge of the flange plate is open，the outer edge is tight，and the stress in the middle of the plate is the largest，which is in a good agreement with the corresponding test results.At last，the deformation calculation method of flexible flange under axial tension is proposed.It is suggested that the correction coefficient of the deformation of the flange is 1.4，and the calculation formula for the deformation of flange plate can be used as a reference for the design of flexible flanges.

关键词：柔性法兰节点；轴拉试验；盘面变形；有限元模拟；变形修正系数；计算公式

flexible flange joint；axial tensile test；flange plate deformation；FEM simulation；deformation correction coefficient；calculation formula

近年来，随着我国电力需求的不断增长，输电电压等级也随之提高。输电铁塔多采用钢管结构。因圆钢管结构稳定性好、承载力高及抵抗风荷载能力强等优点得到设计者的广泛青睐。钢管杆塔各杆件之间力的传递都是通过节点来实现的，选择合理的节点构造形式就显得尤为重要。钢管塔的主材多采用法兰连接，法兰连接在构造上可分为刚性法兰（加劲法兰）和柔性法兰（无加劲法兰）。

刚性法兰整体刚度大、承载力高，但其焊接工作量大、加工效率低，且存在焊接残余应力对节点传力影响较大；而柔性法兰去除了加劲肋，具有制作简单、安装快捷、法兰盘更平整、外形整洁美观等特点，越来越受到人们的关注，在实际工程中得到了广泛应用。但是，柔性法兰节点刚度较小，法兰盘和连接螺栓的受力情况较为复杂。在轴拉力作用下，法兰盘面产生一定的翘起变形，法兰盘内缘相互张开，外缘相互顶紧，存在撬力作用，如图1所示。

图1 柔性法兰

Fig.1 Flexible flange

目前，国内外对轴拉力作用下柔性法兰的相关研究较多，但对柔性法兰盘面变形及受力状态的研究相对较少。KATO等对高强度方形柔性法兰节点设计方法进行了探究，开展了方形法兰节点在轴向拉力作用下的试验研究，同时基于屈服线理论和撬力作用，提出了方形法兰节点计算的理论公式。WHEELER等在考虑了撬力作用和法兰屈服、螺栓断裂等因素的基础上，提出了一种螺栓沿轴向等距布置的方形柔性法兰模型，简化了方形柔性法兰的轴拉承载力计算。薛伟辰等对500kV吴淞口大跨越塔柔性法兰进行了原型试验研究，研究表明柔性法兰具有良好的受力性能，在工程应用中是安全可靠的。王笑峰等对柔性法兰在拉弯作用下节点受力特性进行了足尺试验，重点考察了法兰盘变形特点及其对螺栓的附加弯曲作用，并提出了各螺栓对应的钢管管壁拉力的简化计算方法，但未提出法兰盘变形的计算公式。《建筑钢结构设计手册》给出了受拉法兰螺栓中心处的变位值，但未考虑法兰盘根部弯曲变形。因此有必要对柔性法兰在轴拉作用下的盘面变形进行深入研究。

本文设计了三对不同法兰盘厚度的柔性法兰构件来进行轴心受拉承载力试验，测定法兰盘的应变发展和盘面变形情况。同时，利用有限元软件ANSYS对其进行非线性模拟分析，并与试验结果相比较。基于试验和有限元结果，考察柔性法兰的轴拉承载力及法兰盘变形特性，探讨并对提出的理论公式进行修正，进而得到更为合理的计算公式。

表1 柔性法兰试件参数

Tab.1 Dimension of flexible flange specimens

注：t为钢管壁厚。

Fig.6 The outer weld upper side load-strain curves of the F219-2 flange plate

图9 1/4法兰盘模型

图10 荷载-位移曲线（模拟值）

Fig.10 Load-displacement curves （simulation value）

2.2.2 典型节点应力云图

主管屈服时，法兰整体轴向应力分布如图11所示。可以看出，外焊缝上侧主管存在较大应力集中现象，与试验中在外焊缝上侧主管被拉裂现象相符；螺帽内侧与法兰盘接触位置有较大的压应力，说明法兰受力过程中法兰盘受到螺帽的约束压力，法兰具有一定的约束弯矩。

图11 法兰整体轴向应力（单位：MPa）

Fig.11 Global axial stress of flange（Unit：MPa）

（2）法兰盘Von Mises应力

法兰盘Von Mises应力分布如图12所示。可以看出，法兰盘中部应力较大，外缘应力最小，与试验所测得的应变发展规律一致；模型中柔性法兰外缘在较大范围内存在挤压应力，内缘相互脱开，说明法兰盘之间存在撬力，这与试验现象相符；当盘面厚度较小时，法兰盘易发生翘曲变形，盘面中部应力较大，而随着盘面厚度的增加，法兰盘的弯曲刚度也随之增大，抵抗变形的能力也随之增强，法兰盘应力相对较小。

图12 法兰盘Von Mises应力（单位：MPa）

Fig.12 Von Mises stress of flange plates （Unit：MPa）

内、外环向角焊缝轴向应力分布如图13所示。可以看出，外焊缝上侧与主管连接处在轴拉荷载作用下应力发展最快，说明该处是法兰焊缝的主要受力部位。试验中，构件破坏时主管与外焊缝连接处发生撕裂现象也证实了这一点。外焊缝首先承受拉力作用，随着轴向荷载的增加，内侧焊缝开始承受拉力，但外焊缝应力远大于内焊缝，说明外侧角焊缝是柔性法兰节点的主要受力焊缝。

Fig.13 Axial stress of inner and outer welds（Unit：MPa）

表3 承载力的有限元值与试验及理论计算值的对比

Tab.3 Comparison of the bearing capacity between finite element values and experimental，theoretical calculation values

（1）规范计算值

《建筑钢结构设计手册》中给出了受拉法兰螺栓中心处的位移值v为：

实际受力过程中，柔性法兰盘外缘是顶紧的，所以法兰变形主要表现为法兰盘根部翘起变形，由式（1）换算得到法兰根部变形f可按下式计算。

Fig.14 The surface deformation of flange plate

表4 β1系数

（2）试验值与计算值对比

当达到主管屈服荷载时，将盘面变形实测值V2与规范计算值V1进行对比分析，对比结果如表5所示。盘面变形实测值与理论值的比值区间为1.19~1.54，所以在计算法兰翘曲变形时，应当按式（3）计算，并乘以修正系数α，α建议取值为1.4。

表5 法兰翘曲变形对比

本文基于上述试验研究和非线性有限元模拟分析，可以得出以下主要结论：

（1）在轴拉荷载作用下，柔性法兰的法兰盘内缘相互张开，外缘相互接触顶紧，存在撬力作用，盘面发生明显的翘起变形；当法兰盘厚度相对较小时，法兰盘发生屈服破坏。

（2）法兰盘厚度对柔性法兰轴拉承载力有一定的影响，当法兰盘厚度小于临界值时，随着法兰盘厚度的增加，法兰节点轴拉屈服承载力增大；当法兰盘厚度超过临界值时，随着法兰盘厚度的增加，此时法兰节点轴拉屈服承载力几乎保持不变。

（3）法兰盘厚度对柔性法兰轴拉承载力有一定的影响，且法兰盘厚度存在一个临界值，超过该值时，增加法兰盘厚度对屈服承载力几乎没有影响；而小于该值时，会直接降低法兰的屈服承载力。

（4）柔性法兰轴心受拉试验的破坏形式为主管中部颈缩变形或主管与法兰盘连接焊缝处被撕裂破坏，表明柔性法兰轴拉承载力主要由主管和外焊缝受拉强度控制。

（5）法兰盘变形建议公式考虑了法兰盘根部的弯曲变形，通过试验值与计算值对比分析，表明法兰盘面变形计算公式的计算结果较安全合理。

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