鋼管塔剛性法蘭設(shè)計(jì)研究

李幸周，孟凡宇

（東北電力設(shè)計(jì)院，長春 130021）

法蘭連接是鋼管塔桿件連接的最常見節(jié)點(diǎn)類型。鋼管塔用到的法蘭可以分為有勁法蘭（剛性法蘭）、無勁法蘭以及帶頸鍛造法蘭。

在國內(nèi)一些1 000kV 特高壓工程中使用的鋼管塔，基本上是在塔身變坡處和塔腳處設(shè)置剛性法蘭，其余位置采用帶頸對(duì)焊法蘭。剛性法蘭的設(shè)計(jì)計(jì)算是鋼管桿塔結(jié)構(gòu)中一個(gè)十分重要的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)工作，它的合理與否將直接影響特高壓工程鋼管桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。剛性法蘭的設(shè)計(jì)計(jì)算在DL/T 5154—2002《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》、DL/T 5254—2010《架空輸電線路鋼管塔設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》以及CECS 236—2008《鋼結(jié)構(gòu)單管通信塔技術(shù)規(guī)程》等規(guī)程中的表述有所差異，有必要從剛性法蘭的計(jì)算模型、計(jì)算理論以及計(jì)算公式和設(shè)計(jì)構(gòu)造要求等方面進(jìn)行梳理和總結(jié)。

1 剛性法蘭的計(jì)算模型

剛性法蘭連接一般由法蘭盤以及加勁板與鋼管端部焊接而成，兩法蘭之間通過螺栓將鋼管連成一個(gè)整體，具有比較高的強(qiáng)度和較大的剛度，能夠較好地滿足承載要求，圖1為剛性法蘭的幾何模型。法蘭板及加勁板的受力、傳力情況比較復(fù)雜，工程實(shí)際中常采用簡化的計(jì)算方法，將加勁板及鋼管視為法蘭板的支撐，選取法蘭板被加勁板及鋼管所劃分成的一個(gè)扇環(huán)形板區(qū)格為研究對(duì)象。

DL/T 5154—2002將區(qū)格板視為3邊簡支，一邊自由的彈性體系，將扇環(huán)平面簡化為矩形平面，按彈性薄板小撓度理論求解，從而確定法蘭板的厚度，其計(jì)算模型見圖2。圖中，Lx為簡化后的矩形板的自由邊的長度，Ly為簡化后的矩形板的簡支邊的長度，q為板上均布荷載。而DL/T 5254—2010 及CECS 236—2008則是考慮加勁板兩側(cè)法蘭板所受彎矩變化不大且對(duì)稱，定為固定邊，管壁與法蘭板連接邊抗彎剛度不大，定為簡支邊，從而將區(qū)格板簡化為兩邊固定，一邊簡支，一邊自由的彈性矩形板體系，采用彈性薄板理論結(jié)合厚板分析的計(jì)算結(jié)果給出了計(jì)算方法，計(jì)算模型見圖3。圖中，Ly2為螺栓孔中心與簡化后矩形板的自由邊的距離，Ly1為螺栓孔中心與簡化后矩形板的自由邊的對(duì)邊的距離。

圖1 剛性法蘭的幾何模型

圖2 法蘭板計(jì)算模型1

圖3 法蘭板計(jì)算模型2

剛性法蘭加勁板（又稱為肋板）的計(jì)算各規(guī)范所給出的計(jì)算模型是一致的，計(jì)算公式不一致。DL/T 5254—2010及CECS 236—2008對(duì)于剛性法蘭加勁板的計(jì)算模型見圖4。圖中，h為加勁板高度；B為加勁板寬度；p為加勁板承擔(dān)的反力，即受力最大的一個(gè)螺栓的拉力與加勁板反力比的乘積；e為p的偏心距；S1為加勁板下端切角高度；S2為加勁板下端橫向切角高度。

圖4 加勁板計(jì)算模型

2 電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中剛性法蘭的計(jì)算理論

剛性法蘭的計(jì)算內(nèi)容主要包括法蘭板、加勁板、螺栓及加勁板的豎向焊縫和水平焊縫。管壁和法蘭板之間的內(nèi)外環(huán)連接焊縫不計(jì)算，但鋼管需穿過法蘭板剖口焊接，2條環(huán)向焊縫的強(qiáng)度大于等于鋼管強(qiáng)度，因此，剛性法蘭的計(jì)算理論主要圍繞法蘭板、加勁板、螺栓和焊縫展開。下面對(duì)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5154—2002與DL/T 5254—2010中的計(jì)算公式進(jìn)行比較。

2.1 DL/T 5154—2002的計(jì)算公式

2.1.1 法蘭板

DL/T 5154—2002第9.3.2 條中規(guī)定法蘭板的受力及厚度按公式（1）計(jì)算。

2.1.2 加勁板

DL/T 5154—2002第9.3.3 條給出了加勁板應(yīng)力計(jì)算公式，即：

式中：fv為鋼材的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，σ為垂直于焊縫長度方向的拉應(yīng)力；τ為平行于焊縫長度方向的剪應(yīng)力；h為加勁板的高度，tj為加勁板的厚度；b為螺栓中心至管外壁的距離。

2.1.3 螺栓

DL/T 5154—2002第9.3.1 條給出了軸心受拉作用時(shí)，受力最大螺栓的拉力計(jì)算公式：

式中：N為法蘭所受的拉力；n為法蘭板上螺栓數(shù)量；為螺栓的抗拉強(qiáng)度。

2.1.4 焊縫

加勁板與管壁及法蘭板的焊縫采用對(duì)接焊縫。DL/T 5154—2002第9.3.4條中規(guī)定“應(yīng)按9.2節(jié)的有關(guān)公式計(jì)算”。

豎向?qū)雍缚p應(yīng)力計(jì)算公式：

水平對(duì)接焊縫應(yīng)力計(jì)算公式：

式中：σf為垂直于焊縫長度方向的拉應(yīng)力；τf為平行于焊縫長度方向的剪應(yīng)力；為對(duì)接焊縫抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；為對(duì)接焊縫抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

2.2 DL/T 5254—2010的計(jì)算公式

DL/T 5154—2012《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》取消了法蘭連接相關(guān)章節(jié)。現(xiàn)在輸電桿塔設(shè)計(jì)的法蘭計(jì)算只能依據(jù)DL/T 5254—2010中的9.3相關(guān)章節(jié)。

2.2.1 法蘭板

DL/T 5254—2010第9.3.3 條給出的法蘭板受力及厚度計(jì)算公式與DL/T 5154—2002計(jì)算公式一致，見公式（1）。

設(shè)計(jì)時(shí)需要注意，該規(guī)程指出Lx取值時(shí)取扇形區(qū)域的平均寬度，Ly為固定邊長度，但是當(dāng)螺栓不位于板面積形心時(shí)，Ly＝min（1.8Ly1，2.2Ly2）；β可在表9.3.3中查到。

DL/T 5254—2010針對(duì)彎矩系數(shù)和加勁板反力比的取值，沒有明確說明其計(jì)算公式，而是指出DL/T 5254—2010遵從了CECS 236—2008的相關(guān)規(guī)定，即考慮了彈性薄板計(jì)算結(jié)果和彈性厚板計(jì)算結(jié)果，從而給出了彎矩系數(shù)和加勁板反力比。在求解法蘭板時(shí)，其邊界條件見圖3。比較DL/T 5154—2002表9.3.2和DL/T 5254—2010表9.3.3可知，按照DL/T 5254—2010計(jì)算法蘭板厚度會(huì)比DL/T 5154—2002的計(jì)算結(jié)果略大。

2.2.2 加勁板和焊縫

加勁板與管壁及法蘭板的焊縫采用對(duì)接焊縫，焊縫強(qiáng)度不大于加勁板，故加勁板不用計(jì)算，僅計(jì)算加勁板焊縫即可。加勁板和焊縫計(jì)算可以合并計(jì)算公式，DL/T 5254—2010在9.3.4條給出了法蘭板和焊縫的應(yīng)力計(jì)算公式。

豎向?qū)雍缚p應(yīng)力計(jì)算公式：

水平對(duì)接焊縫應(yīng)力計(jì)算公式：

式中α為加勁板受力比。

比較公 式（4）、（5）和（6）、（7）可 知，DL/T 5254—2010規(guī)范在計(jì)算加勁板時(shí)考慮了一個(gè)小于1的受力比，從而加勁板的計(jì)算結(jié)果較DL/T 5154－2002要小些。

2.2.3 螺栓

DL/T 5254—2010第9.3.2 條給出的軸心受拉作用時(shí)，受力最大螺栓的拉力計(jì)算公式與DL/T 5154—2002第9.3.1條中公式表述一致。

通過上述分析，可知法蘭板和加勁板的受力、傳力是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問題，與眾多因素有關(guān)。DL/T 5154—2002和DL/T 5254—2010兩本規(guī)范均立足于工程設(shè)計(jì)所需，對(duì)其計(jì)算模型和邊界條件進(jìn)行簡化，給出了設(shè)計(jì)計(jì)算公式，后者法蘭板的計(jì)算結(jié)果要比前者略大，加勁板的計(jì)算結(jié)果卻比前者略小。由于DL/T 5154—2002 已經(jīng)由DL/T 5154—2012代替，故現(xiàn)在的鋼管塔剛性法蘭的實(shí)際工程設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)DL/T 5254—2010計(jì)算。

3 對(duì)DL/T 5254—2010中剛性法蘭設(shè)計(jì)參數(shù)確定的建議

剛性法蘭的設(shè)計(jì)中，主要涉及到以下設(shè)計(jì)參數(shù)，即法蘭板厚度，加勁板厚度和高度，螺栓直徑和數(shù)量，現(xiàn)行電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5254—2010給出相對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式，有必要進(jìn)一步明確計(jì)算公式中相應(yīng)參數(shù)的準(zhǔn)確含義。

3.1 法蘭板計(jì)算

DL/T 5254—2010法蘭板計(jì)算公式（1）中，Ly、Lx這兩個(gè)參數(shù)的說明較含糊。

Lx沒有說明怎么取值，在圖形中標(biāo)示的是沿螺栓中心線的寬度，但是在彎矩系數(shù)的備注1中卻說明是扇形區(qū)域的平均寬度，這樣就造成了取值的微小差異。Ly的概念也較含糊，規(guī)范規(guī)定Ly為等效矩形板的固定邊長度，但是當(dāng)螺栓不位于板面積形心時(shí)，Ly＝min（1.8Ly，2.2Ly2），這就是說實(shí)際在考慮法蘭盤底面尺寸時(shí)，應(yīng)該盡量將螺栓布置在區(qū)格的面積形心，這對(duì)法蘭板受力有利。關(guān)于判斷扇環(huán)區(qū)格的面積形心位置，建議利用CAD 中的組合命令region＋massprop查詢后很方便地獲得。

扇環(huán)區(qū)格的Ly1、Ly2的取值，根據(jù)構(gòu)造要求，建議按照計(jì)算出的螺栓直徑對(duì)應(yīng)的螺栓孔的1.6倍，1.5倍取整后作為Ly1、Ly2的取值，即按下式構(gòu)造法蘭板寬度：

其中d0為螺栓的孔徑。

3.2 加勁板計(jì)算

按照DL/T 5254—2010規(guī)定，加勁板的計(jì)算只需要考慮加勁板焊縫的計(jì)算即可。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，當(dāng)計(jì)算加勁板的高度時(shí)，加勁板的寬度B和厚度tj往往已經(jīng)根據(jù)構(gòu)造要求設(shè)定，即：

加勁板的厚度tj可取稍大于管壁的厚度。

4 結(jié)束語

特高壓交直流工程中廣泛采用了鋼管塔，可降低工程造價(jià)，減少材料用量，其經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益良好，符合“資源節(jié)約、環(huán)境友好”之政策。

鑒于輸電線路桿塔剛性法蘭節(jié)點(diǎn)承受荷載的復(fù)雜性以及目前送電線路工程的施工現(xiàn)狀，建議在保證安全、降低造價(jià)的前提下，支持鼓勵(lì)設(shè)計(jì)單位采用新規(guī)程、新技術(shù)，在實(shí)踐中逐步提高線路行業(yè)鋼管塔設(shè)計(jì)技術(shù)水平。