CN109711024A - 一种螺栓连接点受力优化分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力技术领域，尤其涉及一种螺栓连接点受力优化分析方法。包括考虑螺栓预紧力时的节点受力优化分析和考虑极限承载力时的节点受力优化分析。本发明针对500kV输电线路铁塔钢材及焊缝在低温条件下的机械力学特性进行研究，分析低温条件下螺栓连接节点的力学性能随温度的变化规律，分析加工工艺对输电铁塔塔材力学性能的影响规律；建立包含螺栓的塔材构件精细有限元模型，研究塔材构件上的应力分布情况，分析影响应力集中的因素，研究改善构件应力分布的方法，并优化塔材螺栓连接处的受力。本发明将极大提高输电线路工程的设计和建设水平，确保高寒地区输电线路的安全运行。

Description

一种螺栓连接点受力优化分析方法

技术领域

本发明属于电力技术领域，尤其涉及一种螺栓连接点受力优化分析方法。

背景技术

在我国严寒地区重要的超高压输电线路，线路大范围进入冻土及寒冻影响区，个别标段最低气温达到-45℃，这不仅使得工程施工面临较大挑战，而且直接影响着输电线路的安全运行。

在低温条件下，输电线路铁塔塔材容易发生低温脆性破坏，不同于一般铁塔的强度破坏，铁塔低温下的脆性破坏具有很大的危险性，低温脆性破坏时钢材没有明显塑性变形过程，具有很大的突然性，危险极大。随着输电工程的发展，尤其是特高压工程的推进，寒冷地区的超高压、特高压输电线路日益增多，铁塔在低温环境下的材料性能、结构性能问题已经开始日益受到关注。

对于极端寒冷地区，如何提高输电线路铁塔结构抵御自然灾害的能力，提高线路安全运行水平是一个重要的研究课题。输电铁塔节点多采用螺栓连接，作为铁塔结构的关键部位，其受力情况复杂，因此一直是结构设计过程中关注的重点。在低温情况下，塔材的材料性能会发生韧性和塑性降低现象，同时由于在塔材冲孔工艺开孔过程中，螺栓孔内表面存在微裂纹，成为裂纹源，从而容易导致脆断事故的发生。研究表明影响钢材力学性能和断裂韧性的主要因素有温度、化学成分、几何形状及尺寸、加工工艺和加载速率等。温度对钢材的力学性能有较大影响，钢材的强度随温度降低而提高，钢材的塑性和韧性随温度的降低而减小，因此在低温条件下，如何对合理选择钢材的设计强度显得尤为重要。目前针对低温条件下钢材的力学性能特征已经进行了大量研究，然而针对输电铁塔螺栓连接节点在低温条件下的破坏机理和过程的研究还很不充分。因此，研究输电线路杆塔材料的低温力学和韧性性能、螺栓连接节点的力学性能，防止铁塔结构发生低温脆断，提出杆塔材料的选材原则，在高电压等级输电线路工程中具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明提出了一种螺栓连接点受力优化分析方法，其目的是为了提高螺栓连接节点的受力，提高塔材构件的拉伸强度，提高输电线路工程的建设水平，确保高寒地区输电线路的安全运行。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种螺栓连接点受力优化分析方法，包括以下步骤：

步骤1：考虑螺栓预紧力时的节点受力优化分析；

步骤2：考虑极限承载力时的节点受力优化分析。

所述考虑螺栓预紧力时的节点受力优化分析，包括：在螺栓节点受力优化分析中，考虑螺栓的预紧力会对节点的拉伸过程产生影响，因此分别对单排螺栓节点和双排螺栓节点施加预紧力设计值的0%、50%、150%和200%的载荷进行节点拉伸试验；

所述对单排螺栓节点施加预紧力设计值的0%、50%、150%和200%的载荷进行节点拉伸试验；得出，节点的破坏形式均为螺栓剪断；节点的载荷-位移曲线基本重合，其中0%的预紧力设计值和40%的预紧力设计值载荷-位移曲线1-1节点和1-2节点的滑移过程较接近，且滑移载荷较小；150%的预紧力设计值和200%的预紧力设计值载荷-位移曲线1-3节点和1-4节点的滑移过程较接近，且滑移载荷相对较大；四根曲线破坏载荷基本一致，说明预紧力的不同除了影响节点的滑移载荷外，并没有对节点的最终破坏产生根本的影响，没有改变节点的极限承载力。

所述对双排螺栓节点施加预紧力设计值的载荷进行节点拉伸试验，仿真了不同预紧力下节点的拉伸过程，得到了一组节点的载荷位移-曲线，在考虑不同预紧力时分别为50%屈服载荷下的预紧力、90%屈服载荷下的预紧力和100%屈服载荷下的预紧力的载荷-位移曲线与预紧力为设计值时的节点载荷-位移曲线没有太大变化，只是滑移载荷由于预紧力的不同差别较大，但滑移位移基本一致，都为1.5mm，不同的预紧力并没对角钢的极限承载力产生影响，角钢发生断裂时的强度极限没有发生变化，都为1500KN左右；通过有限元仿真也说明，改变预紧力并没有对节点的极限承载力产生影响；在对螺栓施加90%屈服载荷预紧力时，螺栓的初应力已经达到了576MPa，处于拉伸状态，但是在节点的拉伸过程中，螺栓并没有比正常预紧力下的螺栓先发生断裂，螺栓的极限承载力并没有因为初应力的增大而减小。

所述在螺栓节点受力优化分析中，包括分别提取节点最外侧相同螺栓上最大应力点随拉伸位移的变化过程曲线，在考虑不同预紧力时分别为50%屈服载荷下的预紧力、90%屈服载荷下的预紧力和100%屈服载荷下的预紧力的螺栓受力变化曲线与预紧力为设计值时的螺栓受力变化曲线总体上没有太大区别；但是在节点位移达到6mm左右之前，不同预紧力对螺栓的受力有很大影响；当预紧力为设计值时，螺栓的应力在发生滑移时保持不变，在螺栓与螺栓孔发生接触时急剧增加，达到650MPa左右；同样的，当预紧力为50%屈服载荷时，变化过程与预紧力为设计值时基本一致，应力先保持不变然后急剧增加；当预紧力为90%屈服载荷和100%屈服载荷时，变化过程与之前有所区别，螺栓的应力在发生滑移时并不是保持不变而是逐渐减小，在螺栓与螺栓孔发生接触时急剧增加，达到650Mpa左右；在达到650MPa左右后，4根曲线的变化过程基本一致，说明不同预紧力下节点的载荷-位移过程基本一致。

所述考虑极限承载力时的节点受力优化分析：包括：在材料和角钢、包钢尺寸参数均相同的情况下，比较不同节点的极限承载力，分析节点的最大承载力，对节点进行受力优化；在施加相同位移载荷的前提下，97节点在有限元仿真和节点实验中的极限承载力均为最大值，可见在Q345B钢材的节点中M24单排螺栓节点的承载力最大，双排M20和单排M20螺栓节点承载力次之，双排M16螺栓节点再次之，单排M16螺栓最小，因此得出结论螺栓直径越大，排列数目越多承载力一般也越高；在施加相同位移载荷的前提下，97节点在有限元仿真中的极限承载力为最大值，而85节点在实验中的极限承载力为最大值，考虑到有限元仿真为理想情况，实际中难以满足，因此，在Q420C钢材的节点中M20单排、M20双排以及M24单排螺栓节点的承载力接近，双排M16螺栓节点次之，单排M16螺栓最小，因此得出结论螺栓直径越大，排列数目越多承载力一般也越高。

所述通过有限元分析软件，对塔材的螺栓节点进行了精细化建模，给出了单元的选择、参数设置、材料非线性、有限元模型的建立、接触分析过程、确定螺栓预紧力及其模拟方法等，并对仿真结果进行了分析如下：

1）螺栓连接节点受到轴向拉伸载荷作用时会整体发生了弯曲变形，变形关于节点中点对称；

2）在节点实验中，节点的滑移不明显，而有限元仿真中螺栓发生滑移比较集中，有明显的滑移过程；

3）节点使用8.8级螺栓时，角钢断裂部位为角钢与包钢最外侧螺栓连接处所在的截面，节点的破坏形式为角钢肢孔壁撕裂；节点使用6.8级螺栓时，节点的破坏形式为螺栓剪断；

4）在材料和角钢、包钢尺寸参数均相同的情况下，螺栓直径越大，排列数目越多承载力也越高。

本发明具有以下优点及有益效果：

本发明针对500kV输电线路铁塔钢材及焊缝在低温条件下的机械力学特性进行研究，分析低温条件下钢材的设计强度的选择方法和韧性变化曲线，以及焊缝的强度随温度的变化规律；针对冲孔和钻孔工艺加工的螺栓连接节点，通过拉伸试验，研究螺栓连接节点的力学性能随温度的变化规律，分析加工工艺对输电铁塔塔材力学性能的影响规律；建立包含螺栓的塔材构件精细有限元模型，研究塔材构件上的应力分布情况，分析影响应力集中的因素，研究改善构件应力分布的方法，并优化塔材螺栓连接处的受力。本发明为低温环境下输电线路工程设计和建设提供理论基础，将极大提高输电线路工程的设计和建设水平，确保高寒地区输电线路的安全运行。

附图说明

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述，以下实施例用于说明本发明，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

图1是不同预紧力下节点载荷-位移曲线图；

图2是不同预紧力下节点载荷-位移曲线；

图3是不同预紧力下螺栓受力变化曲线；

图4是4-166 Q345B节点承载力比较图；

图5是 Q420C节点承载力比较图。

具体实施方式

本发明是一种螺栓连接点受力优化分析方法，包括以下步骤：

步骤1：考虑螺栓预紧力时的节点受力优化分析；

在螺栓节点受力优化分析中，考虑了螺栓的预紧力可能会对节点的拉伸过程产生影响，因此以Q345B-M16单排螺栓节点为例，分别对节点施加预紧力设计值的0%、50%、150%和200%的载荷进行节点拉伸试验，如图1所示，图1为不同预紧力下节点的载荷-位移曲线。从图1中可以看出，节点的破坏形式均为螺栓剪断；节点的载荷-位移曲线基本重合，其中0%的预紧力设计值和40%的预紧力设计值载荷-位移曲线1-1节点和1-2节点的滑移过程较接近，且滑移载荷较小；150%的预紧力设计值和200%的预紧力设计值载荷-位移曲线1-3节点和1-4节点的滑移过程较接近，且滑移载荷相对较大；四根曲线破坏载荷基本一致，这也说明了，预紧力的不同除了影响节点的滑移载荷外，并没有对节点的最终破坏产生根本的影响，没有改变节点的极限承载力。

此外还以Q345B-M16双排螺栓节点为例，仿真了不同预紧力下节点的拉伸过程，得到了一组节点的载荷位移-曲线，如图2所示。从图中可以看出：在考虑不同预紧力时分别为50%屈服载荷下的预紧力、90%屈服载荷下的预紧力和100%屈服载荷下的预紧力的载荷-位移曲线与预紧力为设计值时的节点载荷-位移曲线没有太大变化，只是滑移载荷由于预紧力的不同差别较大，但滑移位移基本一致，都为1.5mm，不同的预紧力并没对角钢的极限承载力产生影响，角钢发生断裂时的强度极限没有发生变化，都为1500KN左右。通过有限元仿真也说明，改变预紧力并没有对节点的极限承载力产生影响，与上一组节点实验相印证。

在对螺栓施加90%屈服载荷预紧力时，螺栓的初应力已经达到了576MPa，处于拉伸状态，但是在节点的拉伸过程中，螺栓并没有比正常预紧力下的螺栓先发生断裂，螺栓的极限承载力并没有因为初应力的增大而减小，为了分析这一情况，我们又在计算结果的基础上，分别提取了节点最外侧相同螺栓上最大应力点随拉伸位移的变化过程曲线，如图3所示。因为本次施加的时位移载荷，因此用应力-位移曲线代替了应力-时间曲线。从图中我们可以看出：在考虑不同预紧力时分别为50%屈服载荷下的预紧力、90%屈服载荷下的预紧力和100%屈服载荷下的预紧力的螺栓受力变化曲线与预紧力为设计值时的螺栓受力变化曲线总体上没有太大区别。但是在节点位移达到6mm左右之前，不同预紧力对螺栓的受力有很大影响。当预紧力为设计值时，螺栓的应力在发生滑移时保持不变，在螺栓与螺栓孔发生接触时急剧增加，达到650MPa左右；同样的，当预紧力为50%屈服载荷时，变化过程与预紧力为设计值时基本一致，应力先保持不变然后急剧增加；当预紧力为90%屈服载荷和100%屈服载荷时，变化过程与之前有所区别，螺栓的应力在发生滑移时并不是保持不变而是逐渐减小，在螺栓与螺栓孔发生接触时急剧增加，达到650Mpa左右。在达到650MPa左右后，4根曲线的变化过程基本一致，这也解释了为什么不同预紧力下节点的载荷-位移过程基本一致。

通过不同预紧力下节点载荷-位移曲线和不同预紧力下螺栓受力变化曲线及其过程分析可以看出：在螺栓先于角钢发生破坏时，预紧力的不同没有对节点的极限承载力产生影响，这可能是由于螺栓的破坏形式为剪切破坏，预紧力的不同只影响了螺栓轴向的预应力，而对径向的剪切破坏影响不大；在角钢先于螺栓发生破坏时，不同的预紧力对螺栓的极限承载力影响不大，改变预紧力并没有出现螺栓先于角钢发生破坏的情况，这可能是由于施加的预紧力相对于螺栓的极限承载力而言影响较小。

步骤2：考虑极限承载力时的节点受力优化分析。

在螺栓节点受力优化分析中，除了考虑螺栓预紧力可能会对节点的拉伸过程产生影响外，通多大量实验与仿真分析，在材料和角钢、包钢尺寸参数均相同的情况下，比较不同节点的极限承载力，分析节点的最大承载力，对节点进行受力优化。如图4至图5所示，为节点材料分别为Q3456B和Q420C钢材时节点有限元模型与实验结果极限承载力的比较图。

通过图4所示，可以看出，在施加相同位移载荷的前提下，97节点在有限元仿真和节点实验中的极限承载力均为最大值，可见在Q345B钢材的节点中M24单排螺栓节点的承载力最大，双排M20和单排M20螺栓节点承载力次之，双排M16螺栓节点再次之，单排M16螺栓最小。因此可以得出结论螺栓直径越大，排列数目越多承载力一般也越高。

通过图5所示，可以看出，在施加相同位移载荷的前提下，97节点在有限元仿真中的极限承载力为最大值，而85节点在实验中的极限承载力为最大值，考虑到有限元仿真为理想情况，实际中难以满足，因此，在Q420C钢材的节点中M20单排、M20双排以及M24单排螺栓节点的承载力接近，双排M16螺栓节点次之，单排M16螺栓最小。因此同样可以得出结论螺栓直径越大，排列数目越多承载力一般也越高。

本发明通过有限元分析软件，对塔材的螺栓节点进行了精细化建模，给出了单元的选择、参数设置、材料非线性、有限元模型的建立、接触分析过程、确定螺栓预紧力及其模拟方法等，并对仿真结果进行了分析，得出的结论有以下几点：

1）螺栓连接节点受到轴向拉伸载荷作用时会整体发生了弯曲变形，变形关于节点中点对称。

2）在节点实验中，节点的滑移不明显，而有限元仿真中螺栓发生滑移比较集中，有明显的滑移过程。

3）节点使用8.8级螺栓时，角钢断裂部位为角钢与包钢最外侧螺栓连接处所在的截面，节点的破坏形式为角钢肢孔壁撕裂。节点使用6.8级螺栓时，节点的破坏形式为螺栓剪断。

4）在材料和角钢、包钢尺寸参数均相同的情况下，一般螺栓直径越大，排列数目越多承载力也越高。

Claims (7)

1.一种螺栓连接点受力优化分析方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤1：考虑螺栓预紧力时的节点受力优化分析；

步骤2：考虑极限承载力时的节点受力优化分析。

2.根据权利要求1所述的一种螺栓连接点受力优化分析方法，其特征是：所述考虑螺栓预紧力时的节点受力优化分析，包括：在螺栓节点受力优化分析中，考虑螺栓的预紧力会对节点的拉伸过程产生影响，因此分别对单排螺栓节点和双排螺栓节点施加预紧力设计值的0%、50%、150%和200%的载荷进行节点拉伸试验。

3.根据权利要求2所述的一种螺栓连接点受力优化分析方法，其特征是：所述对单排螺栓节点施加预紧力设计值的0%、50%、150%和200%的载荷进行节点拉伸试验；得出，节点的破坏形式均为螺栓剪断；节点的载荷-位移曲线基本重合，其中0%的预紧力设计值和40%的预紧力设计值载荷-位移曲线1-1节点和1-2节点的滑移过程较接近，且滑移载荷较小；150%的预紧力设计值和200%的预紧力设计值载荷-位移曲线1-3节点和1-4节点的滑移过程较接近，且滑移载荷相对较大；四根曲线破坏载荷基本一致，说明预紧力的不同除了影响节点的滑移载荷外，并没有对节点的最终破坏产生根本的影响，没有改变节点的极限承载力。

4.根据权利要求2所述的一种螺栓连接点受力优化分析方法，其特征是：所述对双排螺栓节点施加预紧力设计值的载荷进行节点拉伸试验，仿真了不同预紧力下节点的拉伸过程，得到了一组节点的载荷位移-曲线，在考虑不同预紧力时分别为50%屈服载荷下的预紧力、90%屈服载荷下的预紧力和100%屈服载荷下的预紧力的载荷-位移曲线与预紧力为设计值时的节点载荷-位移曲线没有太大变化，只是滑移载荷由于预紧力的不同差别较大，但滑移位移基本一致，都为1.5mm，不同的预紧力并没对角钢的极限承载力产生影响，角钢发生断裂时的强度极限没有发生变化，都为1500KN左右；通过有限元仿真也说明，改变预紧力并没有对节点的极限承载力产生影响；

在对螺栓施加90%屈服载荷预紧力时，螺栓的初应力已经达到了576MPa，处于拉伸状态，但是在节点的拉伸过程中，螺栓并没有比正常预紧力下的螺栓先发生断裂，螺栓的极限承载力并没有因为初应力的增大而减小。

5.根据权利要求2所述的一种螺栓连接点受力优化分析方法，其特征是：所述在螺栓节点受力优化分析中，包括分别提取节点最外侧相同螺栓上最大应力点随拉伸位移的变化过程曲线，在考虑不同预紧力时分别为50%屈服载荷下的预紧力、90%屈服载荷下的预紧力和100%屈服载荷下的预紧力的螺栓受力变化曲线与预紧力为设计值时的螺栓受力变化曲线总体上没有太大区别；但是在节点位移达到6mm左右之前，不同预紧力对螺栓的受力有很大影响；当预紧力为设计值时，螺栓的应力在发生滑移时保持不变，在螺栓与螺栓孔发生接触时急剧增加，达到650MPa左右；同样的，当预紧力为50%屈服载荷时，变化过程与预紧力为设计值时基本一致，应力先保持不变然后急剧增加；当预紧力为90%屈服载荷和100%屈服载荷时，变化过程与之前有所区别，螺栓的应力在发生滑移时并不是保持不变而是逐渐减小，在螺栓与螺栓孔发生接触时急剧增加，达到650Mpa左右；在达到650MPa左右后，4根曲线的变化过程基本一致，说明不同预紧力下节点的载荷-位移过程基本一致。

6.根据权利要求2所述的一种螺栓连接点受力优化分析方法，其特征是：所述考虑极限承载力时的节点受力优化分析：包括：

在材料和角钢、包钢尺寸参数均相同的情况下，比较不同节点的极限承载力，分析节点的最大承载力，对节点进行受力优化；

在施加相同位移载荷的前提下，97节点在有限元仿真和节点实验中的极限承载力均为最大值，可见在Q345B钢材的节点中M24单排螺栓节点的承载力最大，双排M20和单排M20螺栓节点承载力次之，双排M16螺栓节点再次之，单排M16螺栓最小，因此得出结论螺栓直径越大，排列数目越多承载力一般也越高；

在施加相同位移载荷的前提下，97节点在有限元仿真中的极限承载力为最大值，而85节点在实验中的极限承载力为最大值，考虑到有限元仿真为理想情况，实际中难以满足，因此，在Q420C钢材的节点中M20单排、M20双排以及M24单排螺栓节点的承载力接近，双排M16螺栓节点次之，单排M16螺栓最小，因此得出结论螺栓直径越大，排列数目越多承载力一般也越高。

7.根据权利要求4所述的一种螺栓连接点受力优化分析方法，其特征是：所述通过有限元分析软件，对塔材的螺栓节点进行了精细化建模，给出了单元的选择、参数设置、材料非线性、有限元模型的建立、接触分析过程、确定螺栓预紧力及其模拟方法等，并对仿真结果进行了分析如下：

1）螺栓连接节点受到轴向拉伸载荷作用时会整体发生了弯曲变形，变形关于节点中点对称；

2）在节点实验中，节点的滑移不明显，而有限元仿真中螺栓发生滑移比较集中，有明显的滑移过程；

3）节点使用8.8级螺栓时，角钢断裂部位为角钢与包钢最外侧螺栓连接处所在的截面，节点的破坏形式为角钢肢孔壁撕裂；节点使用6.8级螺栓时，节点的破坏形式为螺栓剪断；

4）在材料和角钢、包钢尺寸参数均相同的情况下，螺栓直径越大，排列数目越多承载力也越高。