1 概述

由于鋼管構(gòu)件穩(wěn)定性好、承載力高，能充分發(fā)揮鋼材的強(qiáng)度，還可以避免使用組合構(gòu)件和輔助材料，使得鐵塔結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)潔美觀，鋼管風(fēng)阻小，可以減小塔身風(fēng)荷載30%以上，同時(shí)也降低了基礎(chǔ)荷載。

目前我國(guó)正在建設(shè)的特高壓工程以及大跨越工程的輸電桿塔采用鋼管塔結(jié)構(gòu)。

然而，鋼管連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是鋼管塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，傳統(tǒng)的連接形式包括加勁法蘭和無(wú)加勁法蘭。

無(wú)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(yōu)點(diǎn)。但無(wú)加勁法蘭的連接螺栓、法蘭盤的受力狀態(tài)均比有加勁法蘭復(fù)雜［1］。

對(duì)于無(wú)加勁法蘭的計(jì)算方法，我國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［2，3］依據(jù)力學(xué)原理給出了具體的計(jì)算公式，我國(guó)對(duì)于這一理論的工程安全性也做過了一些試驗(yàn)研究。但是，一些試驗(yàn)現(xiàn)象沒有在公式中得到體現(xiàn)，計(jì)算公式是否合理還需要做進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證［4，5］。此外，日本也提出了無(wú)加勁法蘭的計(jì)算理論，它跟中國(guó)的計(jì)算公式存在一定差異，并且公式中涉及的參數(shù)也不同。因此，有必要對(duì)無(wú)加勁法蘭的計(jì)算方法做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。

本文主要是對(duì)中國(guó)和日本的計(jì)算理論作一個(gè)比較性研究，找到更為合理的計(jì)算理論，為今后鋼管結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)和分析提供一個(gè)更為精確的計(jì)算方法。

2 計(jì)算理論的比較

2．1 我國(guó)的設(shè)計(jì)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(shí)需考慮剪切力的作用。我國(guó)現(xiàn)行《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》等規(guī)范中［2，3］計(jì)算公式的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 無(wú)加勁法蘭受力計(jì)算簡(jiǎn)圖

當(dāng)螺栓僅受拉力時(shí)，Tb=;當(dāng)螺栓受拉(壓)及彎矩時(shí)，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(shù)，取0． 65。

我國(guó)按以下公式計(jì)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(shè)計(jì)理論

日本的鋼管法蘭連接采用極限設(shè)計(jì)法，其設(shè)計(jì)原則是:

其中，F(xiàn)d為設(shè)計(jì)荷載;F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3及FL3分別為法蘭發(fā)生Mode 1，Mode 2，Mode 3及Mode L3這四種不同破壞機(jī)構(gòu)下的破壞荷載［5］;n為螺栓數(shù)量;T0為單個(gè)螺栓的屈服軸力。法蘭受力簡(jiǎn)圖見圖2。

圖2 法蘭受力簡(jiǎn)圖

當(dāng)按法蘭板破壞進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，日本采用F3作為法蘭連接的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算時(shí)用近似值f3代替F3:

日本采用的法蘭板最小板厚的計(jì)算公式:

其中，σ0f為法蘭的屈服應(yīng)力值。

另外，法蘭板的強(qiáng)度驗(yàn)算要求其法蘭板厚度應(yīng)同時(shí)滿足公式:

其中，dw為墊圈直徑。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及分析比較

3．1 我國(guó)的試驗(yàn)裝置及方法

文獻(xiàn)［1］中，法蘭試驗(yàn)全部為拉力試驗(yàn)，不涉及法蘭承壓情況。

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

表1 文獻(xiàn)［6］中無(wú)加勁法蘭試驗(yàn)樣本實(shí)測(cè)值與日本理論計(jì)算值的對(duì)比

表2 文獻(xiàn)［6］中無(wú)加勁法蘭試驗(yàn)樣本實(shí)測(cè)值與中國(guó)理論計(jì)算值的對(duì)比

3．2 日本的試驗(yàn)裝置及方法

文獻(xiàn)［6］中介紹的試驗(yàn)，試件采用φ216．3×4．5的鋼管，高強(qiáng)螺栓的規(guī)格為M20，試驗(yàn)總共15組。試驗(yàn)構(gòu)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(yàn)構(gòu)件的上下板厚為28 mm，法蘭板與高強(qiáng)螺栓緊密連接。兩臺(tái)液壓千斤頂對(duì)構(gòu)件施加牽引力F，加載過程分四個(gè)階段:

其中，F(xiàn)npy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(yàn)結(jié)果分析和比較

文獻(xiàn)［6］中，螺栓個(gè)數(shù)最少的 No．1，No．2 兩組試件，法蘭盤發(fā)生面外較大變形，隨之螺栓破壞，并且法蘭板發(fā)生局部破壞。試件No．3～No．15發(fā)生鋼管斷裂破壞，而兩個(gè)焊接的法蘭No．3和No．13都是在連接焊縫處發(fā)生斷裂。對(duì)于法蘭板較薄的試件，板屈服后，面外變形增加，并且板內(nèi)出現(xiàn)膜應(yīng)力，增加了面外荷載的抗力。鋼管屈服后，發(fā)生軸向塑性化，剛度降低，之后材料發(fā)生硬化現(xiàn)象，荷載再次緩慢增加。試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與理論值的比較情況見表 1，表 2。

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

表3 文獻(xiàn)［1］中無(wú)加勁法蘭試驗(yàn)樣本實(shí)測(cè)值與日本理論計(jì)算值的對(duì)比

表4 文獻(xiàn)［1］中無(wú)加勁法蘭試驗(yàn)樣本實(shí)測(cè)值與中國(guó)理論計(jì)算值的對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

不論是文獻(xiàn)［1］還是文獻(xiàn)［6］中的試驗(yàn)，在計(jì)算法蘭板厚方面，用日本的計(jì)算理論得出的結(jié)果與試驗(yàn)值更為接近。因此，日本關(guān)于無(wú)加勁法蘭的強(qiáng)度計(jì)算方法和法蘭板設(shè)計(jì)理論更為精確，鋼管塔結(jié)構(gòu)的無(wú)加勁法蘭設(shè)計(jì)時(shí)用來(lái)計(jì)算校核。

［1］陳海波，何長(zhǎng)華，李振福，等．鋼管結(jié)構(gòu)無(wú)加勁法蘭計(jì)算方法的試驗(yàn)研究［J］．電力建設(shè)，2005(8):32-33．

［2］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［S］．

［3］GB 50135-2006，高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［4］陳 亦，馬 星，王肇民．無(wú)肋法蘭盤節(jié)點(diǎn)的研究與應(yīng)用［J］．建筑結(jié)構(gòu)，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(yàn)研究［J］．工業(yè)建筑，2004，34(3):68-70．

［6］五十嵐定義，脇山厷三，井上一朗，等．高強(qiáng)螺栓法蘭連接設(shè)計(jì)方法研究［A］．日本建筑學(xué)會(huì)構(gòu)造系論文報(bào)告集［R］．第354號(hào)，昭和60年8月．