特高压角钢塔锻造法兰优化设计研究

侯森　仇学仕

摘要：近年来，我国电力产业发展迅速，且为促进我国国民经济的增长做出了较大贡献，随着输电规模的不断扩大，杆塔所承受的荷载与塔中也不断增加，与传统的钢管塔相比，特高压角钢塔在承担线路荷载方面具有突出的技术和经济优势。本文以特高压角钢塔锻造法兰的优化设计作为研究对象，通过对锻造法兰的角钢选才进行分析，在结合强度差级锻造法兰应用原则的基础上，对特高压角钢塔锻造法兰的优化设计展开了深入研究。

关键词：特高压角钢塔；锻造法兰；强度级差

前言

角钢塔在电力工程，特别是高压电力工程中的应用对其自身技术的可靠性与经济性提出了较高的要求。如何利用角钢塔降低锻造法兰的比重已成为电力运输和电力工程建设中亟需解决的问题。本文结合锻造法兰对钢管进行选才，通过阐述锻造法兰在应用过程中出现的问题，并结合锻造法兰的强度级差，进而对锻造法兰的优化设计方法做出了详细探讨。

1.基于锻造法兰的角钢选材

就现阶段而言，钢管构件，特别是角钢中锻造法兰占据的比重较大，因此，在进行角钢塔的设计选才时，应将法兰重量对角钢塔的影响予以充分考虑，进而使整个构件达到最优化。在充分考虑到锻造法兰对构件的影响后，还需对构成角钢塔的钢管本身进行考虑。但由于构件锻造法兰的结构尺寸是由钢管的直径直接决定的，因此，钢管直径的减小会使得锻造法兰的重量也随之减小，并使得叫钢管的自身重量降低。借助SSZT2试验塔对角钢塔的经济性进行分析可知，在利用锻造法兰进行选才时，对角钢塔规格的影响较大。

2.强度差级锻造法兰

2.1锻造法兰在应用过程中出现的问题

由于锻造法兰的使用条件具有多样性，加之钢管壁厚具有较强的离散型，使得锻造法兰在应用过程中易出现下列问题：（1）钢管壁厚存在较大差异。对钢管规格库进行分析可知，对于直径较大的钢管，其一般具有四种或四种以上的壁厚，据国家电力部门统计，最小壁厚与最大壁厚钢管，其对于荷载的承载力可相差41%，若全部利用最大厚度的钢管进行锻造法兰的设计，则会使得钢管壁厚度处于较小值时，锻造法兰的裕度过大。（2）当前锻造法兰自身抗拉承载力的利用效率仍然不高。由于杆塔塔身是以轴压稳定对其进行控制的，而法兰的抗拉强度设计要求在建设过程中钢管需要与法兰焊接到一起，进而使二者作为一个整体共同承受相应荷载，但在实际设计的过程中，钢管与法兰的设计方法具有较大差异，这使得二者的承载力无法达到“共鸣”，降低了法兰抗拉承载力利用效率的同时，也不利于角钢塔架设工作的有序进行。

2.2锻造法兰的强度级差的应用原则

利用锻造法兰强度级差可以有效提高法兰抗拉承载力的利用效率，并在有效减少锻造法兰在角钢塔中所占比重的同时，减少了特高压角钢塔应用的经济成本。将等管径法兰分为三个级差，分别为100%、85%和70%，对于管径不等的锻造法兰应设置两个级差，分别为100%和85%。此外，配对所用的大管径法兰级差也为两个，分别为100%和85%[1]。

对于具有相同直径的角钢管，其2-3级规格的壁厚应选取85%的锻造法兰，其他壁厚则应选用级差为70%的锻造法兰。对于具有较小直径的钢管，考虑到其多用于斜材，且在划分级差后所节约的锻造法兰重量相当有限，因此，只对其配置级差为100%的锻造法兰。对于横担在上平面主材的受拉构件，应选用级差为100%的锻造法兰，而对于受l/M（長细比）影响严重的角钢塔构建，则以选用级差为70%的锻造法兰最为适宜[2]。

3.锻造法兰优化设计

3.1变坡节点的优化

设置加劲法兰的优化的变坡节点，在角钢塔中引入加劲法兰后，具体数量设置为8，可以在减轻角钢塔荷载和自身重量的基础上，减少16根锻造法兰的安装和设置，由于单个加劲法兰的重量等同于单个锻造法兰的重量，因此，以加劲法兰代替其双倍数量的锻造法兰，等效于减少了8个锻造法兰为角钢塔带来的额外负载。

3.2改变节点法兰在节点附近设置的常规办法

对角钢塔锻造法兰的主材分段长度进行合理调整，进而减少锻造法兰的整体数量。根据角钢塔的具体设置方式，适当取消角钢塔上层的部分法兰，并将下层法兰逐层上移，进而使原设计的五段主管减少到四段。由于主管的层级减少，因此，主管的平均长度应适当加长（具体长度根据施工情况计算获得）[3]。对常规法兰节点的设置进行分析可知，单根构件的重量大都在2t以下，以此为主管平均长度的设计（增加）依据，进而确定出加长的尺寸。移动锻造法兰节点的位置，使其由主材的K节点移至到节间中部，进而降低角钢塔钢管杆端的弯矩。

3.3取消塔脚位置的锻造法兰

将塔脚位置的锻造法兰取消，移动遮水板使其到达上段法兰的连接位置，虽然在塔脚位置设置锻造法兰可以为其上段锻造法兰的安装与加工提供较大便利，但随着角钢塔自身加工与安装水平的不断提高，使得即便取消其塔脚处的锻造法兰也不会对整个构件的结构产生较大影响。此外，由于塔脚处的锻造法兰是全塔范围内最大的规格的法兰，因此，取消该法兰的设置，一方面有利于降低塔重，另一方面在减少大规格锻造法兰的加工和安装的同时，也有效节约了角钢塔的生产成本，提高了其支撑电力运行的效率和经济效益。由此可知，要提高角钢塔的经济性，必须对锻造法兰进行优化，进而减少其在整个角钢塔中所占的比重，并取消不必要的法兰，以减少其为角钢塔所带来的多余的符合，提高角钢塔建设的经济效益。

4.结论

本文通过对基于锻造法兰的角钢选才进行分析，在结合强度差级锻造法兰设计原则和方法的基础上，从变坡节点的优化、改变节点在法兰在节点附近的设置方法以及取消塔脚位置锻造法兰等方面对特高压角钢塔锻造法兰的优化设计方法做出了具体研究。可见，未来加强对锻造法兰优化方法的研究与应用力度，对于节约电力成本、提高输电效率，并促进我国电力产业的整体发展具有重要的历史作用和现实意。

参考文献：

[1]舒兴平，严兴华，邹浩.通信角钢塔脉动风荷载模拟及风振响应分析[J].工业建筑，2011，04（12）：119-123.

[2]鞠彦忠，刘磊.角钢塔空间TT型节点极限承载力研究[J].科学之友，2013，08（05）：1-3.

[3]姚云龙，张佚伦，任高杰.地面角钢塔及楼顶角钢塔的基本自振周期研究[J].钢结构，2014，02（21）：44-47.