高強鋼鍛造高頸法蘭頸部變坡段的分析

羅 輝 張大長 王榮華

(南京工業大學，江蘇 南京 211816)

高強鋼鍛造高頸法蘭頸部變坡段的分析

羅 輝 張大長 王榮華

(南京工業大學，江蘇 南京 211816)

在已有鍛造高頸法蘭研究成果的基礎上，從理論分析和有限元模擬兩方面入手，對鍛造高頸法蘭頸部變坡段進行分析，重點考察了變坡坡度，法蘭頸高對法蘭受力特性的影響，并根據分析結果，提出了鍛造高頸法蘭頸部變坡段的建議值。

高強鋼，鍛造高頸法蘭，頸部坡度，有限元模擬

1 概述

鋼管塔在實際工程中越來越多的被采用[1]。法蘭連接是鋼管結構的主要連接形式。鍛造高頸法蘭連接無需焊接加勁肋，對接焊縫可采用機械焊，這樣既可以解決有加勁法蘭加勁肋手工施焊的繁重工作，提高制作效率和機械化效率。同時，在一定程度上彌補無加勁法蘭連接剛度低的缺陷，應該說鍛造高頸法蘭是一種較好的法蘭—鋼管連接形式[2，3]。

鍛造高頸法蘭在輸電桿塔結構中都有應用，特別是日本在大跨越鋼管塔特高壓及常規電壓等級的鋼管塔中均應用了高頸法蘭。但對于鍛造高頸法蘭的研究，我國還處于起步階段，且鍛造高頸法蘭的設計理論不夠完善。高頸法蘭具有比無加勁法蘭更好的連接剛度和結構性能，因為法蘭板彎矩最大處設有變截面的變坡段(即頸腋)。所以，高頸法蘭相對無加勁法蘭具有更好的結構性能，受力更加協調。因此，本文借助有限元分析方法，對擬定的法蘭尺寸進行分析，探討法蘭頸部變坡段對鍛造高頸法蘭性能的影響。

2 高頸法蘭受力特性分析

基于結構設計的一般原則——“強節點、弱構件”，即主管先于法蘭發生破壞，以及我國的《鋼結構設計規范》[9]的設計規定，同時兼顧經濟性，在確保結構性能的基礎上高頸法蘭的尺寸盡可能合理。

取出每個螺栓所對應的區段為隔離體，作為分析對象，如圖1所示。

當鋼管受軸心拉力Tc作用時，由于螺栓力Tb作用，法蘭盤承受彎、剪共同作用，螺栓的力傳給法蘭頸部。由于高頸鍛造法蘭板厚度t較大，具有足夠的剛度，使得法蘭盤邊緣撬力Rf較小或沒有撬力，邊緣脫開。法蘭盤變形和脫開間隙較小，主要是由高強螺栓應變引起的。所以適用于輸電線路鋼管塔主材接頭的節點連接。

坡度：θ1=5°，內坡:θ2=15°。

其中，D為等管徑對接時主管管徑；D1,D2分別為對接的大小管徑；

文獻[7]中，對高頸鍛造法蘭的計算方法：

頸高：H=Ed·t+H1。

其中，Ed為對焊法蘭高度系數，取2.2；H1為法蘭頸頂部(直頸段)高度。

坡度：未給出明確取值。

而日本《輸電線路鋼管塔制作標準》明確規定變截面的豎向夾角為8°～22°。

鍛造高頸法蘭在輸電桿塔結構中的應用，我國還處于起步階段，且設計理論不夠完善。針對高頸鍛造法蘭的受力特性，研究高頸對焊法蘭的選型，優化法蘭細部構造具有重要的工程應用價值。

3 有限元模擬

為了探討鍛造高頸法蘭的頸部變坡段對法蘭受力性能的影響，本文通過改變變坡角度和頸部高度，利用有限元軟件ANSYS對鍛造高頸法蘭進行分析，探討法蘭頸部變坡段的取值。

3.1 單元選取

鋼管及法蘭采用Solid185單元進行模擬；法蘭與法蘭接觸面及螺栓與法蘭接觸面通過目標單元Targe170、接觸單元Conta174來模擬。主管材質為Q460，法蘭材質為Q420，高強螺栓等級為8.8級。材料的屈服準則服從Von Mises屈服準則及其相關的流動法則。未考慮焊縫以及焊接殘余應力的影響[6]。

根據對象模型的特點，采用1/4簡化建模，將下部鋼管底部節點自由度全部約束，斷面沿垂直面的方向約束住位移。法蘭模型側向約束見圖2。

3.2 頸高和變坡角度的影響

主管406×8等管徑，坡度類型為外坡內直壁。法蘭頸高取1.75d，2d，2.5d，3d，分別分析其坡度為10°，12.5°，15°，17.5°，20°，22.5°和25°時的受力特性，如表1所示。法蘭頸部應力提取位置示意圖見圖3，各點應力如圖4所示，法蘭整體質量如表2所示，其中d為螺栓直徑。

表1 法蘭的尺寸

表2 不同頸高和變坡角度的法蘭質量 kg

4 結語

1)隨著變坡角度的增大，法蘭螺栓圓直徑增加，法蘭盤懸臂增大，所以法蘭頸頂部應力增大，當角度超過22.5°時，由于頂部

截面面積增加，使得應力略有降低。

2)隨著變坡角度的增大，頸部截面面積增加，使得法蘭頸中部應力減小。

3)法蘭應力最大值在法蘭頸底部，增加坡度可以有效的降低底部應力集中。

4)在頸部坡度不變時，增加法蘭的頸高，對法蘭頸部受力性能提高較小，甚至可能加劇法蘭頸底部的應力集中。

增大變坡角度，能有效降低法蘭頸部應力，并減小法蘭頸部應力集中，但會使法蘭外徑增大，使法蘭整體質量增加較快。綜合比較，變坡角度在17.5°和20°時，法蘭頸部的應力水平相對較小，建議法蘭頸的變坡角度取20°，法蘭頸高取2d。

[1] 劉振亞.特高壓交直流電網[M].北京：中國電力出版社,2013:73-81.

[2] 王笑峰,何敏娟.柔性法蘭節點試驗分析及簡化計算方法研究[J].2001,31(3):56-58.

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[7] DL/T 5130-2001，架空送電線路鋼管桿設計技術規定[S].

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[9] GB 50017-2003,鋼結構設計規范[S].

[10] 馮德奎.大型法蘭盤在輸電塔中的應用研究[D].上海：同濟大學,2007.

Analysis on high-strength steel WNF neck slope section

LUO Hui ZHANG Da-chang WANG Rong-hua

(NanjingUniversityofIndustry,Nanjing211816,China)

On the basis of existing WNF research achievements, starting from two aspects of theoretical analysis and finite element simulation, the paper analyzes the high-strength steel WNF neck slope section, mainly examines the impact of slope degree and WNF upon the stress, and finally puts forward its suggestion value.

high-strength steel, WNF, neck slope, finite element simulation

1009-6825(2014)22-0040-02

2014-05-08

羅 輝(1988- )，男，在讀碩士； 張大長(1971- )，男，教授； 王榮華(1990- )，男，在讀碩士

TU311

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