新型避雷针法兰节点疲劳寿命分析

Fatigue Performance Analysis of a New Type of Lightning Rod Flange Joint

摘要

本文基于单钢管避雷针中刚性法兰和柔性法兰提出了新型法兰节点，该节点中采用了芯管代替加劲板，以增强节点的平面外刚度。新型法兰节点相较于工程中常用的刚性法兰，应力集中的现象更少，具有更好的疲劳性能。本研究设计了四种节点形式，并用ABAQUS和FE-SAFE分析软件对各个节点进行了疲劳寿命评估。结果表明，新型法兰节点可以有效地减少刚性法兰中的应力集中现象，并具有更长的疲劳寿命。

Abstract

A novel flange joint is proposed for single-tube lightning rod structures， improving upon conventional rigid and flexible flange designs. The innovation lies in the incorporation of a central tube， which replaces traditional stiffeners to enhance the out-of-plane stiffness of the connection. In comparison with commonly used rigid flanges， the proposed joint demonstrates reduced stress concentration and superior fatigue performance. Four types of flange joints were designed， and their fatigue lives were evaluated using ABAQUS and FE-SAFE. Results show that the new flange joint effectively alleviates the stress concentration observed in conventional rigid flanges and achieves a significantly extended fatigue life.

Graphical abstract

关键词

避雷针 / 新型法兰节点 / 芯管 / 有限元分析 / 应力集中 / 疲劳

Key words

lightning rod / new flange joint / core tube / finite element analysis / stress concentration / fatigue

0 引 言

在经济高速发展以及对新能源的大力倡导下，电力资源已成为我国最主要的资源。变电站作为电力系统中非常重要的一环，其正常的运作对于日常生活十分重要。为保证变电站的正常运作，实际变电站工程中常通过安装避雷针来确保变电站内部电气设备的安全。单杆式钢管避雷针具有构造简单、标准化、安装便捷等优点，在电力系统中得到了最广泛的应用^［1］。

近年来，变电站中避雷针断裂的情况时有发生，图1所示即为避雷针断裂事故现场^［2］。并且，大多数避雷针断裂问题均与节点的疲劳破坏有关。因此改进避雷针节点的构造并研究其疲劳性能有着重要的意义。

国内外许多学者对避雷针法兰节点做了大量的研究，并取得了相应的成果。Igarashi等^［3］通过理论分析提出了钢管法兰节点承载力的计算方法以及设计方法。Cao等^［4］进行了法兰节点的拉力试验，研究了螺栓预紧力和法兰尺寸对其的影响，并将试验结果与有限元分析和数学分析结果进行了比较，结果吻合较好。Van-Long等^［5］进行了法兰节点在循环荷载作用下的试验研究，对初始刚度、极限承载力、破坏模式、应力分布和疲劳强度等试验结果进行分析，并对现有的相关规范进行对比，发现现有规范较为保守且在一些方面没有考虑完全。陈亦等^［6］以无肋法兰（即柔性法兰）为研究目标，基于弹性力学原理，推出了其拉力计算公式，并在分析中考虑了螺栓对法兰盘的力学作用，通过有限元和试验加以验证，给出了柔性法兰节点的使用建议以及该节点的使用范围。高湛等^［7］研究了变电构架中刚性法兰节点的抗拉性能，采用ANASYS进行了数值分析，并将数值计算的结果与《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T 5154—2002）的计算结果进行比较，为规程中刚性法兰连接部分的修编给出了相关参考依据。王元清等^［8］分别对刚性和柔性法兰节点的承载力开展了有限元研究，其研究发现螺栓布置越靠近钢管越好，增加法兰盘厚度和螺栓数目（即加劲肋数目）可分别有效地增加柔性法兰节点和刚性法兰节点承载力，刚性法兰节点承载力受焊缝影响大。邓洪洲等^［9］提出了一种新型内外法兰连接节点形式，对其开展了试验研究及有限元分析，并检验了榕江大跨越新型塔脚法兰的设计，研究结果表明，新型法兰节点中各测点应力较低，皆处于弹性阶段，体现了这一节点形式结构合理、安全可靠，可用于实际工程。

已有研究及避雷针倒塌事故分析表明，现有刚性法兰连接的单杆式钢管避雷针主要破坏出现在法兰附近，包括法兰边上的钢管断裂、法兰螺栓断裂、法兰与钢管的焊缝断裂等，都是脆性破坏，其主要原因是：目前的刚性法兰连接节点的主要受力集中在法兰盘、加劲肋和螺栓上，该处有刚度突变，存在应力集中问题，这使得法兰节点在动荷载下容易出现脆性的疲劳破坏。为了改变这种受力过于集中在法兰盘、加劲肋和螺栓的受力方式，使得节点传力更加分散，应减小法兰盘、加劲肋和螺栓的受力，缓解应力集中状况，从而解决法兰节点的脆性疲劳破坏问题。本文综合柔性和刚性法兰节点的承载特性，提出了4种新型法兰节点构造，采用数值分析的方法，对比分析其在循环水平荷载作用下的疲劳寿命，为新型法兰节点的工程推广应用提供依据。

1 新型法兰节点概述

刚性法兰节点的部件主要包括上下段钢管、法兰盘与加劲板，如图2所示。而柔性法兰节点没有加劲板这一部分。

本文中的新型法兰节点外观上接近柔性法兰节点，也没有加劲板，以插入下钢管内的芯管来代替加劲板的作用，以增加节点的整体刚度，并能够减少因加劲板带来的一些缺陷，提升节点的疲劳性能，有效增加节点的疲劳寿命。本文一共设计了四种新型法兰节点，如图3所示。

其中，转换段法兰节点由上下两段钢管及其法兰和转换段法兰组成，并与上下芯管通过螺栓连接。双芯管法兰节点是在一个法兰盘上下位置设置芯管插入避雷针上下钢管内后，通过法兰盘与上下段钢管端部的法兰盘进行连接。单芯管法兰节点只在避雷针上法兰盘底部设置芯管插入下段钢管中，并通过螺栓将上下管端对应位置的法兰盘进行连接。而无螺栓连接的单芯管法兰节点，主要是为了对比分析在水平荷载作用下芯管对法兰节点的作用。

对于芯管插入式法兰节点，为了便于安装，在芯管与下段钢管之间留有一定的间隙，但需要采用橡胶圈来填充芯管与下段钢管之间的空隙，以提高这类节点的承载性能和疲劳性能。

2 疲劳寿命分析

采用软件进行疲劳寿命分析的思路一般为：先采用ABAQUS有限元软件进行静力分析，并将其输出结果导入FE-SAFE，定义材料和荷载作用，进行疲劳分析，得到各个部分的疲劳寿命。流程如图4所示。

2.1　分析对象

本文以实际工程应用中35 m高的单管避雷针典型构造作为对比分析研究的对象。单管避雷针共分为7段，每段长5 m，第2—7段每两段之间采用法兰连接，避雷针钢管直径从底面向上逐渐减小（图5）。

对比分析中采用的刚性法兰节点形式为避雷针2至3段处的法兰连接构造，即下段采用ϕ559×8钢管，上段采用ϕ478×8钢管。其详细的构造要求如图6所示。而新型法兰节点的构造形式是在这一基础上去除加劲板并增加芯管，其中芯管与外钢管径向间距为2 mm，芯管厚度也为8 mm，芯管伸入外钢管的长度为1倍上段钢管的直径。

2.2　有限元模型及边界条件

采用ABAQUS对上述几何模型进行有限元分析，主要采用实体单元C3D8R（八节点线性六面体单元）和C3D8RH（八节点六面体杂交单元）进行模拟，其中C3D8RH是为了模拟橡胶这种超弹性材料所用。图7展示了五种法兰节点的有限元模型，节点顶部到底部的距离为2.1 m。图7（b）节点的法兰盘在竖向1/3和2/3位置处，其余节点的法兰盘均在竖向1/2位置处。分析步采用静力通用，并打开几何大变形，考虑非线性效应。为了方便施加位移荷载同时更贴近真实试验情况，建模时，在上段钢管顶部设端板。所有模型均采用位移加载，在端板上沿X负方向施加5 mm的位移荷载。所有结构均在底部固定所有方向自由度。

钢材均采用Q235B，螺栓采用8.8级M27高强螺栓，施加230 kN的预紧力。主要单元采用实体单元C3D8R，采用硬接触（Hard Contact）来模拟法向接触行为。钢材弹性模量取206 GPa，泊松比为0.3，材料屈服强度为235 MPa^［10］，极限强度为400 MPa。橡胶的本构关系采用两参数的Mooney-Rivlin模型来模拟，其中两个参数C₀₁和C₁₀的值则是根据橡胶的硬度和假设这两个参数的比值来确定^［11-12］。选用橡胶假定为丁腈橡胶，硬度为70邵尔，根据其硬度可得到相应的换算弹性模量为5.54 MPa，C₀₁=0.18 472，C₁₀=0.73 889。

该有限元模型中，在表面的接触关系上，除橡胶与芯管采用绑定之外，其余均采用有限滑移，并定义摩擦系数来定义接触关系。其中，钢材与钢材的摩擦系数为0.3，钢材与橡胶的摩擦系数为0.2。

2.3　静力分析结果

采用ABAQUS进行分析，各节点的应力分布如图8所示。

刚性法兰节点在加劲板与钢管焊接部位存在一定的应力集中现象，而在四种新型法兰节点中不存在这一现象，其应力分布更加均匀。

2.4　疲劳寿命分析

将ABAQUS静力分析后得到的odb文件导入FE-SAFE中。定义材料时，利用材料的抗拉强度、弹性模量及泊松比来确定S-N曲线。确定材料并引入荷载谱后，进行分析。其中，云图中图例上的数字N与实际的循环次数有对数关系，折算成循环次数应为10^N次。

1） 刚性法兰

刚性法兰的整体疲劳寿命云图如图9所示。疲劳寿命最短的部分出现于加载板下方和底部，并且最短疲劳寿命为10^4.985=96 605次，这是由约束条件所引起较大应力所导致的。刚性法兰中法兰盘及大部分加劲板疲劳寿命都较长，但可发现加劲板所引起的应力集中现象，使得部分加劲板与钢管焊接位置或是加劲板顶部位置疲劳寿命较短。

螺栓的疲劳寿命普遍较长，其最短疲劳寿命为10^5.188=154 170次，其最短疲劳寿命出现在与加载方向相垂直的一侧螺栓上。螺栓疲劳寿命云图如图10所示。

2） 转换段法兰

转换段法兰的整体疲劳寿命云图如图11所示。转换段法兰在其钢管与法兰盘处都具有长疲劳寿命，这是由于转换段法兰在原有刚性法兰的基础上增加了一定的节点高度，高度的增加使得节点整体应力较小，从而拥有长疲劳寿命。

转换段法兰的最短疲劳寿命出现在螺栓群中，其最短疲劳寿命为10^5.092=123 595次，且均出现在下排螺栓的螺帽上。螺栓疲劳寿命云图如图12所示。

3） 双芯管法兰

双芯管法兰的整体疲劳寿命云图如图13所示。相较于刚性法兰节点，双芯管法兰节点法兰盘附近钢管的疲劳寿命更长，但其最短疲劳寿命较短，为10^4.864=73 114次。

螺栓疲劳寿命云图如图14所示。其最短疲劳寿命均出现在螺栓上半部分和螺帽处，并且大多数螺栓都存在疲劳寿命较短的部分。这可以认为其芯管未得到较好的利用，节点仍由大部分螺栓承受荷载。

4） 单芯管法兰

单芯管法兰节点的整体疲劳寿命云图如图15所示。单芯管法兰的疲劳寿命分布类似于刚性法兰，但其上部钢管整体疲劳寿命分布更加优异，且最短疲劳寿命长于刚性法兰节点，为10^5.018=104 232次。

螺栓疲劳寿命分布也同刚性法兰节点相似，其最短疲劳寿命均分布于与加载方向垂直的一侧螺栓上，但其最短疲劳寿命也高于刚性法兰节点，为10^5.565=367 282次。螺栓疲劳寿命云图如图16所示。

5） 无螺栓法兰

无螺栓法兰节点的整体疲劳寿命云图如图17所示。无螺栓法兰节点下部钢管疲劳寿命分布不及刚性节点均匀，这是由于芯管的充分利用导致下部钢管部分应力较大导致的。但其最短疲劳寿命较长，为10^5.043=110 408次，这表明芯管对于疲劳寿命整体上起积极作用。

2.5　数值分析对比

为了方便对比各节点疲劳寿命，故将各节点整体最短疲劳寿命以及螺栓最短疲劳寿命进行整理。同时，将结果与通过规范^［10］计算得到的疲劳寿命进行了对比，其结果见表1。

综合上表与疲劳寿命云图对比分析可以发现：

（1） 除双芯管法兰节点外，其余各新型法兰节相较于刚性法兰节点均有更长的最短疲劳寿命。由于边界约束条件的存在，两端应力值较大，疲劳寿命最短处也均处于两端，但这也一定程度上表现出新型法兰节点的构造形式对于疲劳性能有一定的积极影响。

（2） 转换段法兰节点与双芯管法兰节点均在节点主体部分的疲劳寿命分布更加优异，但其螺栓的疲劳性能的表现都不如其他各节点。表明芯管在这两种节点中利用不充分，螺栓起主要承载作用。

（3） 单芯管法兰节点与刚性法兰节点在疲劳寿命云图上分布相似，且其螺栓疲劳性能表现最为优异，表明芯管在单芯管法兰节点中得到充分利用，且疲劳性能优于刚性法兰节点。

（4） 在无螺栓法兰节点中，钢管的疲劳寿命明显增加，疲劳性能明显更优，这也体现出芯管这一构造形式对于疲劳性能的积极作用。

（5） 通过规范计算得到的疲劳寿命会比数值结果略长。

3 结 论

本文在传统的避雷针法兰节点的基础上设计了四种新型法兰节点，并采用ABAQUS和FE-SAFE分析软件进行了疲劳寿命的模拟。通过分析各个节点应力和疲劳寿命云图，得到以下结论：

（1） 通过静力分析，可以得知，刚性法兰在加劲板与钢管焊接处常出现应力集中现象，而新型法兰节点没有这一现象，且应力分布更加均匀，其结构形式较为合理。

（2） 在对节点的疲劳寿命分析中，各新型法兰节点相较于刚性法兰节点，在疲劳寿命方面均表现更为优异，侧面体现了芯管对疲劳性能的积极作用。

（3） 通过静力和疲劳寿命的模拟与分析，单芯管构造的新型法兰节点不管是力学性能还是疲劳性能的表现均较为优异，并且这一构造形式相较于其他新型法兰节点与刚性节点，用钢量最小，更适合工程实际的运用。

（4） 虽然单芯管法兰节点在力学性能方面可以有效替代刚性法兰节点，但此类新型节点在装配，以及在芯管与下段钢管间填充橡胶这些方面较为复杂，还需要对节点的装配和施工做进一步的研究。

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