钢管塔结构设计柔性法兰强度计算理论的探讨

1 概述

由于钢管构件稳定性好、承载力高，能充分发挥钢材的强度，还可以避免使用组合构件和辅助材料，使得铁塔结构形式简洁美观，钢管风阻小，可以减小塔身风荷载30%以上，同时也降低了基础荷载。

目前我国正在建设的特高压工程以及大跨越工程的输电杆塔采用钢管塔结构。

然而，钢管连接节点设计是钢管塔结构设计的重要内容，传统的连接形式包括加劲法兰和无加劲法兰。

无加劲法兰也称柔性法兰，由于去掉了加劲肋板，使其具有焊接工作量小，加工、安装方便，法兰平整度更易得到保证等优点。但无加劲法兰的连接螺栓、法兰盘的受力状态均比有加劲法兰复杂［1］。

对于无加劲法兰的计算方法，我国电力行业标准［2，3］依据力学原理给出了具体的计算公式，我国对于这一理论的工程安全性也做过了一些试验研究。但是，一些试验现象没有在公式中得到体现，计算公式是否合理还需要做进一步的试验验证［4，5］。此外，日本也提出了无加劲法兰的计算理论，它跟中国的计算公式存在一定差异，并且公式中涉及的参数也不同。因此，有必要对无加劲法兰的计算方法做进一步的实验研究。

本文主要是对中国和日本的计算理论作一个比较性研究，找到更为合理的计算理论，为今后钢管结构连接设计和分析提供一个更为精确的计算方法。

2 计算理论的比较

2．1 我国的设计理论

法兰盘的变形以弯曲变形为主，法兰盘厚度由弯矩控制，同时需考虑剪切力的作用。我国现行《高耸结构设计规范》《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》等规范中［2，3］计算公式的计算简图如图1所示。

图1 无加劲法兰受力计算简图

当螺栓仅受拉力时，Tb=;当螺栓受拉(压)及弯矩时，Tb=

受力最大螺栓的拉力为:

其中，Tb为受力最大螺栓管径中的拉力; m 为法兰螺栓受力修正系数，取0． 65。

我国按以下公式计算法兰板厚度:

其中，Mmax为径向弯矩最大值，Mmax=Nbt，max× b。

2．2 日本的设计理论

日本的钢管法兰连接采用极限设计法，其设计原则是:

其中，Fd为设计荷载;F1，F2，F3及FL3分别为法兰发生Mode 1，Mode 2，Mode 3及Mode L3这四种不同破坏机构下的破坏荷载［5］;n为螺栓数量;T0为单个螺栓的屈服轴力。法兰受力简图见图2。

图2 法兰受力简图

当按法兰板破坏进行设计时，日本采用F3作为法兰连接的强度标准值，计算时用近似值f3代替F3:

日本采用的法兰板最小板厚的计算公式:

其中，σ0f为法兰的屈服应力值。

另外，法兰板的强度验算要求其法兰板厚度应同时满足公式:

其中，dw为垫圈直径。

3 试验验证及分析比较

3．1 我国的试验装置及方法

文献［1］中，法兰试验全部为拉力试验，不涉及法兰承压情况。

试验加载装置主要是龙门架、千斤顶、横梁、夹具、突盘和底座构成，用于施加轴向拉力。试验中，采用P—Δ曲线来判定法兰试件的承载力。

表1 文献［6］中无加劲法兰试验样本实测值与日本理论计算值的对比

表2 文献［6］中无加劲法兰试验样本实测值与中国理论计算值的对比

3．2 日本的试验装置及方法

文献［6］中介绍的试验，试件采用φ216．3×4．5的钢管，高强螺栓的规格为M20，试验总共15组。试验构件的加载装置主要有液压千斤顶、加载梁、支撑、传感器和底座。

试验构件的上下板厚为28 mm，法兰板与高强螺栓紧密连接。两台液压千斤顶对构件施加牵引力F，加载过程分四个阶段:

其中，Fnpy为钢管的短期容许拉力;Fpy为钢管屈服轴力;Fc为破坏荷载。

3．3 试验结果分析和比较

文献［6］中，螺栓个数最少的 No．1，No．2 两组试件，法兰盘发生面外较大变形，随之螺栓破坏，并且法兰板发生局部破坏。试件No．3～No．15发生钢管断裂破坏，而两个焊接的法兰No．3和No．13都是在连接焊缝处发生断裂。对于法兰板较薄的试件，板屈服后，面外变形增加，并且板内出现膜应力，增加了面外荷载的抗力。钢管屈服后，发生轴向塑性化，刚度降低，之后材料发生硬化现象，荷载再次缓慢增加。试验实测值与理论值的比较情况见表 1，表 2。

文献［1］中的试验表明，当螺栓较密时，其对于法兰的约束作用较强，法兰板变形较小，承载力提高。螺栓的边距a减小，相应的承载力降低。柔性法兰受拉时，法兰盘外边缘存在撬力。试验值与理论值的比较见表3，表4。

表3 文献［1］中无加劲法兰试验样本实测值与日本理论计算值的对比

表4 文献［1］中无加劲法兰试验样本实测值与中国理论计算值的对比

4 结语

不论是文献［1］还是文献［6］中的试验，在计算法兰板厚方面，用日本的计算理论得出的结果与试验值更为接近。因此，日本关于无加劲法兰的强度计算方法和法兰板设计理论更为精确，钢管塔结构的无加劲法兰设计时用来计算校核。

［1］陈海波，何长华，李振福，等．钢管结构无加劲法兰计算方法的试验研究［J］．电力建设，2005(8):32-33．

［2］DL/T 5154-2002，架空送电线路杆塔结构设计技术规定［S］．

［3］GB 50135-2006，高耸结构设计规范［S］．

［4］陈 亦，马 星，王肇民．无肋法兰盘节点的研究与应用［J］．建筑结构，2002(5):67-68．

［5］薛伟辰，黄永嘉，王贵年．500 kV吴淞口大跨越柔性法兰原型试验研究［J］．工业建筑，2004，34(3):68-70．

［6］五十嵐定義，脇山厷三，井上一朗，等．高强螺栓法兰连接设计方法研究［A］．日本建筑学会构造系论文报告集［R］．第354号，昭和60年8月．