李幸周，孟凡宇

（東北電力設計院，長春 130021）

法蘭連接是鋼管塔桿件連接的最常見節(jié)點類型。鋼管塔用到的法蘭可以分為有勁法蘭（剛性法蘭）、無勁法蘭以及帶頸鍛造法蘭。

在國內(nèi)一些1 000kV 特高壓工程中使用的鋼管塔，基本上是在塔身變坡處和塔腳處設置剛性法蘭，其余位置采用帶頸對焊法蘭。剛性法蘭的設計計算是鋼管桿塔結構中一個十分重要的節(jié)點設計工作，它的合理與否將直接影響特高壓工程鋼管桿塔結構設計的安全性和經(jīng)濟性。剛性法蘭的設計計算在DL/T 5154—2002《架空送電線路桿塔結構設計技術規(guī)定》、DL/T 5254—2010《架空輸電線路鋼管塔設計技術規(guī)定》以及CECS 236—2008《鋼結構單管通信塔技術規(guī)程》等規(guī)程中的表述有所差異，有必要從剛性法蘭的計算模型、計算理論以及計算公式和設計構造要求等方面進行梳理和總結。

1 剛性法蘭的計算模型

剛性法蘭連接一般由法蘭盤以及加勁板與鋼管端部焊接而成，兩法蘭之間通過螺栓將鋼管連成一個整體，具有比較高的強度和較大的剛度，能夠較好地滿足承載要求，圖1為剛性法蘭的幾何模型。法蘭板及加勁板的受力、傳力情況比較復雜，工程實際中常采用簡化的計算方法，將加勁板及鋼管視為法蘭板的支撐，選取法蘭板被加勁板及鋼管所劃分成的一個扇環(huán)形板區(qū)格為研究對象。

DL/T 5154—2002將區(qū)格板視為3邊簡支，一邊自由的彈性體系，將扇環(huán)平面簡化為矩形平面，按彈性薄板小撓度理論求解，從而確定法蘭板的厚度，其計算模型見圖2。圖中，Lx為簡化后的矩形板的自由邊的長度，Ly為簡化后的矩形板的簡支邊的長度，q為板上均布荷載。而DL/T 5254—2010 及CECS 236—2008則是考慮加勁板兩側法蘭板所受彎矩變化不大且對稱，定為固定邊，管壁與法蘭板連接邊抗彎剛度不大，定為簡支邊，從而將區(qū)格板簡化為兩邊固定，一邊簡支，一邊自由的彈性矩形板體系，采用彈性薄板理論結合厚板分析的計算結果給出了計算方法，計算模型見圖3。圖中，Ly2為螺栓孔中心與簡化后矩形板的自由邊的距離，Ly1為螺栓孔中心與簡化后矩形板的自由邊的對邊的距離。

圖1 剛性法蘭的幾何模型

圖2 法蘭板計算模型1

圖3 法蘭板計算模型2

剛性法蘭加勁板（又稱為肋板）的計算各規(guī)范所給出的計算模型是一致的，計算公式不一致。DL/T 5254—2010及CECS 236—2008對于剛性法蘭加勁板的計算模型見圖4。圖中，h為加勁板高度；B為加勁板寬度；p為加勁板承擔的反力，即受力最大的一個螺栓的拉力與加勁板反力比的乘積；e為p的偏心距；S1為加勁板下端切角高度；S2為加勁板下端橫向切角高度。

圖4 加勁板計算模型

2 電力行業(yè)標準中剛性法蘭的計算理論

剛性法蘭的計算內(nèi)容主要包括法蘭板、加勁板、螺栓及加勁板的豎向焊縫和水平焊縫。管壁和法蘭板之間的內(nèi)外環(huán)連接焊縫不計算，但鋼管需穿過法蘭板剖口焊接，2條環(huán)向焊縫的強度大于等于鋼管強度，因此，剛性法蘭的計算理論主要圍繞法蘭板、加勁板、螺栓和焊縫展開。下面對電力行業(yè)標準DL/T 5154—2002與DL/T 5254—2010中的計算公式進行比較。

2.1 DL/T 5154—2002的計算公式

2.1.1 法蘭板

DL/T 5154—2002第9.3.2 條中規(guī)定法蘭板的受力及厚度按公式（1）計算。

2.1.2 加勁板

DL/T 5154—2002第9.3.3 條給出了加勁板應力計算公式，即：

式中：fv為鋼材的抗剪強度設計值，σ為垂直于焊縫長度方向的拉應力；τ為平行于焊縫長度方向的剪應力；h為加勁板的高度，tj為加勁板的厚度；b為螺栓中心至管外壁的距離。

2.1.3 螺栓

DL/T 5154—2002第9.3.1 條給出了軸心受拉作用時，受力最大螺栓的拉力計算公式：

式中：N為法蘭所受的拉力；n為法蘭板上螺栓數(shù)量；為螺栓的抗拉強度。

2.1.4 焊縫

加勁板與管壁及法蘭板的焊縫采用對接焊縫。DL/T 5154—2002第9.3.4條中規(guī)定“應按9.2節(jié)的有關公式計算”。

豎向對接焊縫應力計算公式：

水平對接焊縫應力計算公式：

式中：σf為垂直于焊縫長度方向的拉應力；τf為平行于焊縫長度方向的剪應力；為對接焊縫抗剪強度設計值；為對接焊縫抗拉強度設計值。

2.2 DL/T 5254—2010的計算公式

DL/T 5154—2012《架空送電線路桿塔結構設計技術規(guī)定》取消了法蘭連接相關章節(jié)?，F(xiàn)在輸電桿塔設計的法蘭計算只能依據(jù)DL/T 5254—2010中的9.3相關章節(jié)。

2.2.1 法蘭板

DL/T 5254—2010第9.3.3 條給出的法蘭板受力及厚度計算公式與DL/T 5154—2002計算公式一致，見公式（1）。

設計時需要注意，該規(guī)程指出Lx取值時取扇形區(qū)域的平均寬度，Ly為固定邊長度，但是當螺栓不位于板面積形心時，Ly＝min（1.8Ly1，2.2Ly2）；β可在表9.3.3中查到。

DL/T 5254—2010針對彎矩系數(shù)和加勁板反力比的取值，沒有明確說明其計算公式，而是指出DL/T 5254—2010遵從了CECS 236—2008的相關規(guī)定，即考慮了彈性薄板計算結果和彈性厚板計算結果，從而給出了彎矩系數(shù)和加勁板反力比。在求解法蘭板時，其邊界條件見圖3。比較DL/T 5154—2002表9.3.2和DL/T 5254—2010表9.3.3可知，按照DL/T 5254—2010計算法蘭板厚度會比DL/T 5154—2002的計算結果略大。

2.2.2 加勁板和焊縫

加勁板與管壁及法蘭板的焊縫采用對接焊縫，焊縫強度不大于加勁板，故加勁板不用計算，僅計算加勁板焊縫即可。加勁板和焊縫計算可以合并計算公式，DL/T 5254—2010在9.3.4條給出了法蘭板和焊縫的應力計算公式。

豎向對接焊縫應力計算公式：

水平對接焊縫應力計算公式：

式中α為加勁板受力比。

比較公 式（4）、（5）和（6）、（7）可 知，DL/T 5254—2010規(guī)范在計算加勁板時考慮了一個小于1的受力比，從而加勁板的計算結果較DL/T 5154－2002要小些。

2.2.3 螺栓

DL/T 5254—2010第9.3.2 條給出的軸心受拉作用時，受力最大螺栓的拉力計算公式與DL/T 5154—2002第9.3.1條中公式表述一致。

通過上述分析，可知法蘭板和加勁板的受力、傳力是一個相當復雜的問題，與眾多因素有關。DL/T 5154—2002和DL/T 5254—2010兩本規(guī)范均立足于工程設計所需，對其計算模型和邊界條件進行簡化，給出了設計計算公式，后者法蘭板的計算結果要比前者略大，加勁板的計算結果卻比前者略小。由于DL/T 5154—2002 已經(jīng)由DL/T 5154—2012代替，故現(xiàn)在的鋼管塔剛性法蘭的實際工程設計應依據(jù)DL/T 5254—2010計算。

3 對DL/T 5254—2010中剛性法蘭設計參數(shù)確定的建議

剛性法蘭的設計中，主要涉及到以下設計參數(shù)，即法蘭板厚度，加勁板厚度和高度，螺栓直徑和數(shù)量，現(xiàn)行電力行業(yè)標準DL/T 5254—2010給出相對應的計算公式，有必要進一步明確計算公式中相應參數(shù)的準確含義。

3.1 法蘭板計算

DL/T 5254—2010法蘭板計算公式（1）中，Ly、Lx這兩個參數(shù)的說明較含糊。

Lx沒有說明怎么取值，在圖形中標示的是沿螺栓中心線的寬度，但是在彎矩系數(shù)的備注1中卻說明是扇形區(qū)域的平均寬度，這樣就造成了取值的微小差異。Ly的概念也較含糊，規(guī)范規(guī)定Ly為等效矩形板的固定邊長度，但是當螺栓不位于板面積形心時，Ly＝min（1.8Ly，2.2Ly2），這就是說實際在考慮法蘭盤底面尺寸時，應該盡量將螺栓布置在區(qū)格的面積形心，這對法蘭板受力有利。關于判斷扇環(huán)區(qū)格的面積形心位置，建議利用CAD 中的組合命令region＋massprop查詢后很方便地獲得。

扇環(huán)區(qū)格的Ly1、Ly2的取值，根據(jù)構造要求，建議按照計算出的螺栓直徑對應的螺栓孔的1.6倍，1.5倍取整后作為Ly1、Ly2的取值，即按下式構造法蘭板寬度：

其中d0為螺栓的孔徑。

3.2 加勁板計算

按照DL/T 5254—2010規(guī)定，加勁板的計算只需要考慮加勁板焊縫的計算即可。在實際設計中，當計算加勁板的高度時，加勁板的寬度B和厚度tj往往已經(jīng)根據(jù)構造要求設定，即：

加勁板的厚度tj可取稍大于管壁的厚度。

4 結束語

特高壓交直流工程中廣泛采用了鋼管塔，可降低工程造價，減少材料用量，其經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益良好，符合“資源節(jié)約、環(huán)境友好”之政策。

鑒于輸電線路桿塔剛性法蘭節(jié)點承受荷載的復雜性以及目前送電線路工程的施工現(xiàn)狀，建議在保證安全、降低造價的前提下，支持鼓勵設計單位采用新規(guī)程、新技術，在實踐中逐步提高線路行業(yè)鋼管塔設計技術水平。