李幸周,孟凡宇
(東北電力設(shè)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(shè)置剛性法蘭,其余位置采用帶頸對焊法蘭。剛性法蘭的設(shè)計計算是鋼管桿塔結(jié)構(gòu)中一個十分重要的節(jié)點設(shè)計工作,它的合理與否將直接影響特高壓工程鋼管桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性和經(jīng)濟性。剛性法蘭的設(shè)計計算在DL/T 5154—2002《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》、DL/T 5254—2010《架空輸電線路鋼管塔設(shè)計技術(shù)規(guī)定》以及CECS 236—2008《鋼結(jié)構(gòu)單管通信塔技術(shù)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(shè)計構(gòu)造要求等方面進行梳理和總結(jié)。
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(cè)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(jié)合厚板分析的計算結(jié)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
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。
2.1.1 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(yīng)力計算公式,即:
式中:fv為鋼材的抗剪強度設(shè)計值,σ為垂直于焊縫長度方向的拉應(yīng)力;τ為平行于焊縫長度方向的剪應(yīng)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(yīng)按9.2節(jié)的有關(guān)公式計算”。
豎向?qū)雍缚p應(yīng)力計算公式:
水平對接焊縫應(yīng)力計算公式:
式中:σf為垂直于焊縫長度方向的拉應(yīng)力;τf為平行于焊縫長度方向的剪應(yīng)力;為對接焊縫抗剪強度設(shè)計值;為對接焊縫抗拉強度設(shè)計值。
DL/T 5154—2012《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》取消了法蘭連接相關(guān)章節(jié)?,F(xiàn)在輸電桿塔設(shè)計的法蘭計算只能依據(jù)DL/T 5254—2010中的9.3相關(guān)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(shè)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(guān)規(guī)定,即考慮了彈性薄板計算結(jié)果和彈性厚板計算結(jié)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(jié)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(yīng)力計算公式。
豎向?qū)雍缚p應(yīng)力計算公式:
水平對接焊縫應(yīng)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(jié)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(guān)。DL/T 5154—2002和DL/T 5254—2010兩本規(guī)范均立足于工程設(shè)計所需,對其計算模型和邊界條件進行簡化,給出了設(shè)計計算公式,后者法蘭板的計算結(jié)果要比前者略大,加勁板的計算結(jié)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(shè)計應(yīng)依據(jù)DL/T 5254—2010計算。
剛性法蘭的設(shè)計中,主要涉及到以下設(shè)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(yīng)的計算公式,有必要進一步明確計算公式中相應(yīng)參數(shù)的準確含義。
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(yīng)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(guān)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(gòu)造要求,建議按照計算出的螺栓直徑對應(yīng)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(gòu)造法蘭板寬度:
其中d0為螺栓的孔徑。
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(shè)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(gòu)造要求設(shè)定,即:
加勁板的厚度tj可取稍大于管壁的厚度。
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(shè)計單位采用新規(guī)程、新技術(shù),在實踐中逐步提高線路行業(yè)鋼管塔設(shè)計技術(shù)水平。