摘 要：双层法兰作为一种新的节点形式，在国内外输电线路行业内鲜有研究，在大跨越输电塔上应用更属首次，故有进一步研究的必要。本文主要研究了双层法兰在上下法兰板厚度、肋板高度和厚度以及螺栓与主材管壁距离等参数变化时对极限承载力的影响。分析表明，增大上法兰板厚度、增加肋板高度以及减小螺栓与主材管壁距离可以有效提高双层法兰的承载力，后两种效果更为明显。
关键词：双层法兰；有限元分析；承载力
0 前 言
随着输电线路行业的发展，特高压由于输送距离长，输送量大，被越来越多的用于工程实际中。以拟建的某长江大跨越塔为例，由于跨越距离达2600 m，为达到通航以及绝缘要求，塔身高度达455 m，采用钢管塔结构形式，主材荷载巨大。若塔身主材采用传统刚性法兰进行连接，如表1中FL所示，其最大法兰的螺栓直径达90 mm，有可能在防腐处理后发生“氢脆”破坏[1]，其法兰板厚度达62 mm，在拉力作用下有可能发生垂直于法兰板平面的层状撕裂破坏[2]。此外，还会给施工安装带来困难，质量难以保证。为此，本工程主材拟采用双层法兰进行连接，其构造如表1和图1所示。
表1 法兰尺寸
注：表中螺栓均为8.8级高强螺栓，单位均为mm。
图1 双层法兰示意图
双层法兰与传统刚性法兰相比(见图2)，在传递压力时，通过下法兰板接触顶紧传力；在传递拉力时，通过螺栓将力传递给上法兰板，再通过肋板及焊缝将力传递给钢管，由于双层法兰的肋板布置在上下法兰板之间，肋板与上法兰板的连接焊缝不受拉，因此，上法兰板不会出现层状撕裂的危险。此外，上法兰板的上表面不需布置肋板有利于螺栓的施工安装，也有利于密布螺栓，进而减小螺栓直径[2]。双层法兰的初步设计按照文献[2]推荐的方法，其尺寸如表1中DFL所示，由于螺栓数量增加，螺栓直径减至72 mm，上法兰板厚减至46 mm。 目前已建成的崖门大跨越塔上已经用到的最大的法兰螺栓为8.8级M85螺栓[3]，故双层法兰的螺栓质量可以得到保证。
(a)传统法兰 (b)双层法兰图2 两种法兰在拉力作用下比较
目前，我国对传统的柔性法兰和刚性法兰的研究较为成熟，但双层法兰在输电线路行业中鲜有研究，仅同济大学黄誉做了2个双层塔脚法兰的试验及进行了初步有限元分析 [2]。由于双层法兰在大跨越工程中属于首次采用，为保证其安全稳定运行，有必要对双层法兰的承载性能进行进一步分析。本文以双层法兰的上下法兰板厚度、肋板高度和厚度、螺栓与管壁之间距离等结构参数作为设计变量，采用有限元方法探究结构参数变化对双层法兰承载力的影响，以期对实际工程应用提供参考。
1 双层法兰有限元模型建立
为研究上下法兰板厚度、肋板高度和厚度、螺栓与管壁之间距离等参数对双层法兰承载力的影响，本文中使用通用有限元软件ANSYS对法兰进行非线性分析。为了使有限元分析结果更接近于实际情况，法兰全部采用实体单元(SOLID185)进行建模。板材及钢管均为Q420钢材，本构关系为理想弹塑性，屈服强度为420 MPa；螺栓为8.8级高强螺栓，强度为640 MPa，也采用理想弹塑性本构关系；弹性模量均为206 GPa，泊松比为0.3。法兰中上下法兰板之间、螺帽与上法兰板之间、螺母与上法兰板之间、螺杆与螺孔壁之间的接触采用3D接触对(TARG170和CONT173)进行模拟，接触摩擦系数为0.35，其他参数设置见参考文献[2,4-8]。为了简化模型及减少计算量，建模过程中没有建立焊缝及肋板切角。此外，由于本文主要研究轴心拉力作用下双层法兰的性能，加载时荷载沿钢管均匀分布，故法兰受对称力作用，加上法兰本身几何结构也对称，文中采用部分建模(取模型的1/50)，其网格划分如图3所示。模型的底端施加固端约束，为了保证加载均匀性，耦合上端的竖向自由度，模型的对称分界面采用对称约束。有限元计算表明，部分模型计算结果与整体模型计算结果差别很小，而且可以大大减少计算时间，故可以用部分模型来代替整体模型进行分析。
图3 双层法兰模型网格划分(模态扩展)
2 有限元计算结果
图4为设计荷载下的DFL部分模型的整体应力云图。由图4可以看出，钢管与上法兰板连接处以及螺孔附近应力较大，有部分甚至已经屈服，但是法兰绝大部分应力均处于弹性状态。实际法兰在加工时，为了焊接方便，会在肋板靠近钢管侧的两头留切口，故不会在上法兰板与钢管的连接处出现应力云图中的应力集中现象。此外，实际钢材具有良好的塑性，局部应力集中造成的应力过大不会对整个节点造成太大影响，故整个节点在设计荷载下是安全可靠的。继续加载，除应力集中处，其他应力较大的地方如上法兰板上靠近肋板的区域和下表面、肋板近上法兰板端也相继进入塑性，最后肋板近上法兰板端断面上全部进入塑性(如图5所示)，法兰节点也达到极限承载力，说明此时双层法兰的极限承载力由肋板控制。
图4 设计荷载下DFL应力云图
图6为设计荷载下，DFL螺栓的应力云图。由图6可知，螺栓上除了轴向拉力，还承受弯矩，相比文献[4]中分析，DFL的螺栓应力比传统刚性法兰均匀。从提取的轴力来看，螺栓的总轴力与主材总轴力相等，这说明双层法兰刚度很大，不会产生撬力。此外，螺杆长了以后，对于螺栓中的应力重分布有好处，可以使应力分布趋于均匀。
图5 极限承载力下DFL应力云图
图6 设计荷载下DFL螺栓应力云图
3 双层法兰结构参数对承载力的影响
由于进行有限元分析时所用的材料为理想弹塑性材料，与实际的钢材有区别，在判断法兰是否已达到极限承载力时没有采用法兰所能承受的最大荷载，而是采用荷载位移曲线的拐点作为法兰的极限承载力[9]。在分析过程中力求只变动一个参数，其他参数保持不变。其中，在分析螺栓与管壁距离对极限承载力的影响时，为了保证变动的参数只有一个，在设计模型时，双层法兰的法兰板外径均取为3112 mm，这样一来就只有螺栓的位置发生变动，其他的参数可以保持不变。
3.1 上法兰板厚的影响
图7为上法兰板厚度分别为32、36、42、46、54 mm时的荷载位移曲线，其极限承载力分别为97 218、101 215、104 924、106 575、109 095 kN。从图7中可以看出，增加上法兰板的厚度可以提高双层法兰的极限承载力，但当板厚达到一定值以后，提高的效果不明显，如图7中所示，当板厚达到36 mm以后，极限承载力提高幅度明显减小。几条荷载位移曲线的直线段几乎重合，这说明上法兰板厚度的变化对双层法兰在屈服前的整体刚度几乎无变化。另外由图7可推知，按照文献[2]所推荐的乘以一个放大系数的方法计算的上法兰板厚过于保守，综合考虑双层法兰的承载力以及经济性，在计算上法兰板厚度时可不必乘放大系数，即可直接按照三边固支的边界条件来计算上法兰板厚度。
3.2 下法兰板厚的影响
图8为下法兰板厚度分别为20、24、28、32、36 mm时的荷载位移曲线，其极限承载力分别为100 983、102 757、103 958、106 575、109 011 kN。从图8可以看出增加下法兰板厚，也可以在一定程度上提高法兰的极限承载力，但是提高效果并不明显。双层法兰的整体刚度在屈服前也基本无变化，故下法兰板的厚度更多的是由构造起控制作用。
图7 上法兰板厚对承载力的影响
图8 下法兰板厚对承载力的影响
3.3 肋板高度及厚度的影响
图9为肋板高度分别为3、4、5、6、7 d(d为螺栓直径)时的荷载位移曲线，其极限承载力分别为80 040、93 970、106 575、119 883、121 009 kN。从图9可以看出，在一定范围内，增加肋板高度可以较明显地提高双层法兰的极限承载力以及整体刚度。有限元分析表明，肋板内的轴向力在法兰承受拉力作用下时是沿肋板高度从上往下线性递减的，故可以知道肋板高度超过力的传递路径长度时，对极限承载力不再有提高作用，如图9所示，肋板高度超过6 d以后，荷载位移曲线不再变化，也正说明了这一点。故双层法兰在设计时，其肋板高度可以取5～6 d。
图10为肋板厚度分别为16、20、24、28、32 mm时的荷载位移曲线，其极限承载力分别为102 590、105 909、106 575、106 916、107 186 kN。从图10可以看出，肋板在20 mm以上时，增加肋板厚度对极限承载力及双层法兰的整体刚度几乎没影响。在肋板较薄时有影响，是因为肋板在较薄时，肋板的局部稳定会影响双层法兰的整体性能，故实际工程中，肋板不应太薄。
3.4 螺栓与主材管壁距离的影响
图11为螺栓距离主材管壁的距离分别为1.5、2、2.5、3 d时的荷载位移曲线，其极限承载力分别为121 519、118 090、99 167、80 363 kN。可从图11看出，螺栓与主材管壁的距离对双层法兰的极限承载力及整体刚度有较大的影响，螺栓与管壁的距离越近，极限承载力及整体刚度越大。故实际工程中在满足施工要求的基础上，螺栓与主材管壁的距离越近越好，法兰也将更美观。
本文仅讨论单一结构参数发生变化时对双层法兰的承载力的影响，但是各个参数之间并不是孤立的，而是有联系的，故实际设计双层法兰时应该综合考虑各参数，根据设计的目的及要求选取合适的参数。
图9 肋板高度对承载力的影响
图10 肋板厚度对承载力的影响
图11 螺栓与主材管壁距离对承载力的影响
4 结 论
本文为了在前人基础进一步研究双层法兰的承载性能，以某大跨越工程为例，主要探讨了上下法兰板厚度、肋板高度和厚度以及螺栓与主裁管壁距离等参数对双层法兰承载力的影响。研究分析表明，增加上法兰板的厚度、肋板高度以及减小螺栓与主材管壁距离都可以提高双层法兰的承载力，其中，后两种手段提高得更为明显，而且还可以提高法兰的整体刚度。
