鋼管塔結構設計柔性法蘭強度計算理論的探討

1 概述

由于鋼管構件穩定性好、承載力高，能充分發揮鋼材的強度，還可以避免使用組合構件和輔助材料，使得鐵塔結構形式簡潔美觀，鋼管風阻小，可以減小塔身風荷載30%以上，同時也降低了基礎荷載。

目前我國正在建設的特高壓工程以及大跨越工程的輸電桿塔采用鋼管塔結構。

然而，鋼管連接節點設計是鋼管塔結構設計的重要內容，傳統的連接形式包括加勁法蘭和無加勁法蘭。

無加勁法蘭也稱柔性法蘭，由于去掉了加勁肋板，使其具有焊接工作量小，加工、安裝方便，法蘭平整度更易得到保證等優點。但無加勁法蘭的連接螺栓、法蘭盤的受力狀態均比有加勁法蘭復雜［1］。

對于無加勁法蘭的計算方法，我國電力行業標準［2，3］依據力學原理給出了具體的計算公式，我國對于這一理論的工程安全性也做過了一些試驗研究。但是，一些試驗現象沒有在公式中得到體現，計算公式是否合理還需要做進一步的試驗驗證［4，5］。此外，日本也提出了無加勁法蘭的計算理論，它跟中國的計算公式存在一定差異，并且公式中涉及的參數也不同。因此，有必要對無加勁法蘭的計算方法做進一步的實驗研究。

本文主要是對中國和日本的計算理論作一個比較性研究，找到更為合理的計算理論，為今后鋼管結構連接設計和分析提供一個更為精確的計算方法。

2 計算理論的比較

2．1 我國的設計理論

法蘭盤的變形以彎曲變形為主，法蘭盤厚度由彎矩控制，同時需考慮剪切力的作用。我國現行《高聳結構設計規范》《架空送電線路桿塔結構設計技術規定》等規范中［2，3］計算公式的計算簡圖如圖1所示。

圖1 無加勁法蘭受力計算簡圖

當螺栓僅受拉力時，Tb=;當螺栓受拉(壓)及彎矩時，Tb=

受力最大螺栓的拉力為:

其中，Tb為受力最大螺栓管徑中的拉力; m 為法蘭螺栓受力修正系數，取0． 65。

我國按以下公式計算法蘭板厚度:

其中，Mmax為徑向彎矩最大值，Mmax=Nbt，max× b。

2．2 日本的設計理論

日本的鋼管法蘭連接采用極限設計法，其設計原則是:

其中，Fd為設計荷載;F1，F2，F3及FL3分別為法蘭發生Mode 1，Mode 2，Mode 3及Mode L3這四種不同破壞機構下的破壞荷載［5］;n為螺栓數量;T0為單個螺栓的屈服軸力。法蘭受力簡圖見圖2。

圖2 法蘭受力簡圖

當按法蘭板破壞進行設計時，日本采用F3作為法蘭連接的強度標準值，計算時用近似值f3代替F3:

日本采用的法蘭板最小板厚的計算公式:

其中，σ0f為法蘭的屈服應力值。

另外，法蘭板的強度驗算要求其法蘭板厚度應同時滿足公式:

其中，dw為墊圈直徑。

3 試驗驗證及分析比較

3．1 我國的試驗裝置及方法

文獻［1］中，法蘭試驗全部為拉力試驗，不涉及法蘭承壓情況。

試驗加載裝置主要是龍門架、千斤頂、橫梁、夾具、突盤和底座構成，用于施加軸向拉力。試驗中，采用P—Δ曲線來判定法蘭試件的承載力。

表1 文獻［6］中無加勁法蘭試驗樣本實測值與日本理論計算值的對比

表2 文獻［6］中無加勁法蘭試驗樣本實測值與中國理論計算值的對比

3．2 日本的試驗裝置及方法

文獻［6］中介紹的試驗，試件采用φ216．3×4．5的鋼管，高強螺栓的規格為M20，試驗總共15組。試驗構件的加載裝置主要有液壓千斤頂、加載梁、支撐、傳感器和底座。

試驗構件的上下板厚為28 mm，法蘭板與高強螺栓緊密連接。兩臺液壓千斤頂對構件施加牽引力F，加載過程分四個階段:

其中，Fnpy為鋼管的短期容許拉力;Fpy為鋼管屈服軸力;Fc為破壞荷載。

3．3 試驗結果分析和比較

文獻［6］中，螺栓個數最少的 No．1，No．2 兩組試件，法蘭盤發生面外較大變形，隨之螺栓破壞，并且法蘭板發生局部破壞。試件No．3～No．15發生鋼管斷裂破壞，而兩個焊接的法蘭No．3和No．13都是在連接焊縫處發生斷裂。對于法蘭板較薄的試件，板屈服后，面外變形增加，并且板內出現膜應力，增加了面外荷載的抗力。鋼管屈服后，發生軸向塑性化，剛度降低，之后材料發生硬化現象，荷載再次緩慢增加。試驗實測值與理論值的比較情況見表 1，表 2。

文獻［1］中的試驗表明，當螺栓較密時，其對于法蘭的約束作用較強，法蘭板變形較小，承載力提高。螺栓的邊距a減小，相應的承載力降低。柔性法蘭受拉時，法蘭盤外邊緣存在撬力。試驗值與理論值的比較見表3，表4。

表3 文獻［1］中無加勁法蘭試驗樣本實測值與日本理論計算值的對比

表4 文獻［1］中無加勁法蘭試驗樣本實測值與中國理論計算值的對比

4 結語

不論是文獻［1］還是文獻［6］中的試驗，在計算法蘭板厚方面，用日本的計算理論得出的結果與試驗值更為接近。因此，日本關于無加勁法蘭的強度計算方法和法蘭板設計理論更為精確，鋼管塔結構的無加勁法蘭設計時用來計算校核。

［1］陳海波，何長華，李振福，等．鋼管結構無加勁法蘭計算方法的試驗研究［J］．電力建設，2005(8):32-33．

［2］DL/T 5154-2002，架空送電線路桿塔結構設計技術規定［S］．

［3］GB 50135-2006，高聳結構設計規范［S］．

［4］陳 亦，馬 星，王肇民．無肋法蘭盤節點的研究與應用［J］．建筑結構，2002(5):67-68．

［5］薛偉辰，黃永嘉，王貴年．500 kV吳淞口大跨越柔性法蘭原型試驗研究［J］．工業建筑，2004，34(3):68-70．

［6］五十嵐定義，脇山厷三，井上一朗，等．高強螺栓法蘭連接設計方法研究［A］．日本建筑學會構造系論文報告集［R］．第354號，昭和60年8月．