钢管塔刚性法兰设计研究

法兰连接是钢管塔杆件连接的最常见节点类型。钢管塔用到的法兰可以分为有劲法兰（刚性法兰）、无劲法兰以及带颈锻造法兰。

在国内一些1 000kV 特高压工程中使用的钢管塔，基本上是在塔身变坡处和塔脚处设置刚性法兰，其余位置采用带颈对焊法兰。刚性法兰的设计计算是钢管杆塔结构中一个十分重要的节点设计工作，它的合理与否将直接影响特高压工程钢管杆塔结构设计的安全性和经济性。刚性法兰的设计计算在DL/T 5154—2002《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》、DL/T 5254—2010《架空输电线路钢管塔设计技术规定》以及CECS 236—2008《钢结构单管通信塔技术规程》等规程中的表述有所差异，有必要从刚性法兰的计算模型、计算理论以及计算公式和设计构造要求等方面进行梳理和总结。

1 刚性法兰的计算模型

刚性法兰连接一般由法兰盘以及加劲板与钢管端部焊接而成，两法兰之间通过螺栓将钢管连成一个整体，具有比较高的强度和较大的刚度，能够较好地满足承载要求，图1为刚性法兰的几何模型。法兰板及加劲板的受力、传力情况比较复杂，工程实际中常采用简化的计算方法，将加劲板及钢管视为法兰板的支撑，选取法兰板被加劲板及钢管所划分成的一个扇环形板区格为研究对象。

DL/T 5154—2002将区格板视为3边简支，一边自由的弹性体系，将扇环平面简化为矩形平面，按弹性薄板小挠度理论求解，从而确定法兰板的厚度，其计算模型见图2。图中，Lx 为简化后的矩形板的自由边的长度，Ly 为简化后的矩形板的简支边的长度，q 为板上均布荷载。而DL/T 5254—2010 及CECS 236—2008则是考虑加劲板两侧法兰板所受弯矩变化不大且对称，定为固定边，管壁与法兰板连接边抗弯刚度不大，定为简支边，从而将区格板简化为两边固定，一边简支，一边自由的弹性矩形板体系，采用弹性薄板理论结合厚板分析的计算结果给出了计算方法，计算模型见图3。图中，Ly2为螺栓孔中心与简化后矩形板的自由边的距离，Ly1为螺栓孔中心与简化后矩形板的自由边的对边的距离。

图1 刚性法兰的几何模型

图2 法兰板计算模型1

图3 法兰板计算模型2

刚性法兰加劲板（又称为肋板）的计算各规范所给出的计算模型是一致的，计算公式不一致。DL/T 5254—2010及CECS 236—2008对于刚性法兰加劲板的计算模型见图4。图中，h 为加劲板高度；B为加劲板宽度；p 为加劲板承担的反力，即受力最大的一个螺栓的拉力与加劲板反力比的乘积；e 为p的偏心距；S1 为加劲板下端切角高度；S2 为加劲板下端横向切角高度。

图4 加劲板计算模型

2 电力行业标准中刚性法兰的计算理论

刚性法兰的计算内容主要包括法兰板、加劲板、螺栓及加劲板的竖向焊缝和水平焊缝。管壁和法兰板之间的内外环连接焊缝不计算，但钢管需穿过法兰板剖口焊接，2条环向焊缝的强度大于等于钢管强度，因此，刚性法兰的计算理论主要围绕法兰板、加劲板、螺栓和焊缝展开。下面对电力行业标准DL/T 5154—2002与DL/T 5254—2010中的计算公式进行比较。

2.1 DL/T 5154—2002的计算公式

2.1.1 法兰板

DL/T 5154—2002第9.3.2 条中规定法兰板的受力及厚度按公式（1）计算。

式中：为受力最大的一个螺栓的拉力；Mox为板中单位宽度的最大弯矩；tf 为法兰板厚度；f 为钢材的抗拉强度设计值；β 为弯矩系数，可在DL/T 5154—2002的表9.3.2中查到，该弯矩系数来自于弹性薄板小挠度理论，泊松比取0.3，在求解时，其边界条件见图2。

2.1.2 加劲板

DL/T 5154—2002第9.3.3 条给出了加劲板应力计算公式，即：

式中：fv 为钢材的抗剪强度设计值，σ为垂直于焊缝长度方向的拉应力；τ 为平行于焊缝长度方向的剪应力；h为加劲板的高度，tj 为加劲板的厚度；b为螺栓中心至管外壁的距离。

2.1.3 螺栓

DL/T 5154—2002第9.3.1 条给出了轴心受拉作用时，受力最大螺栓的拉力计算公式：

式中：N 为法兰所受的拉力；n 为法兰板上螺栓数量；为螺栓的抗拉强度。

2.1.4 焊缝

加劲板与管壁及法兰板的焊缝采用对接焊缝。DL/T 5154—2002第9.3.4条中规定“应按9.2节的有关公式计算”。

竖向对接焊缝应力计算公式：

水平对接焊缝应力计算公式：

式中：σf 为垂直于焊缝长度方向的拉应力；τf 为平行于焊缝长度方向的剪应力；为对接焊缝抗剪强度设计值； 为对接焊缝抗拉强度设计值。

2.2 DL/T 5254—2010的计算公式

DL/T 5154—2012《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》取消了法兰连接相关章节。现在输电杆塔设计的法兰计算只能依据DL/T 5254—2010中的9.3相关章节。

2.2.1 法兰板

DL/T 5254—2010第9.3.3 条给出的法兰板受力及厚度计算公式与DL/T 5154—2002计算公式一致，见公式（1）。

设计时需要注意，该规程指出Lx 取值时取扇形区域的平均宽度，Ly 为固定边长度，但是当螺栓不位于板面积形心时，Ly＝min（1.8Ly1，2.2Ly2）；β可在表9.3.3中查到。

DL/T 5254—2010针对弯矩系数和加劲板反力比的取值，没有明确说明其计算公式，而是指出DL/T 5254—2010遵从了CECS 236—2008的相关规定，即考虑了弹性薄板计算结果和弹性厚板计算结果，从而给出了弯矩系数和加劲板反力比。在求解法兰板时，其边界条件见图3。比较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计算法兰板厚度会比DL/T 5154—2002的计算结果略大。

2.2.2 加劲板和焊缝

加劲板与管壁及法兰板的焊缝采用对接焊缝，焊缝强度不大于加劲板，故加劲板不用计算，仅计算加劲板焊缝即可。加劲板和焊缝计算可以合并计算公式，DL/T 5254—2010在9.3.4条给出了法兰板和焊缝的应力计算公式。

竖向对接焊缝应力计算公式：

水平对接焊缝应力计算公式：

式中α为加劲板受力比。

比较公 式（4）、（5）和（6）、（7）可 知，DL/T 5254—2010规范在计算加劲板时考虑了一个小于1的受力比，从而加劲板的计算结果较DL/T 5154－2002要小些。

2.2.3 螺栓

DL/T 5254—2010第9.3.2 条给出的轴心受拉作用时，受力最大螺栓的拉力计算公式与DL/T 5154—2002第9.3.1条中公式表述一致。

通过上述分析，可知法兰板和加劲板的受力、传力是一个相当复杂的问题，与众多因素有关。DL/T 5154—2002和DL/T 5254—2010两本规范均立足于工程设计所需，对其计算模型和边界条件进行简化，给出了设计计算公式，后者法兰板的计算结果要比前者略大，加劲板的计算结果却比前者略小。由于DL/T 5154—2002 已经由DL/T 5154—2012代替，故现在的钢管塔刚性法兰的实际工程设计应依据DL/T 5254—2010计算。

3 对DL/T 5254—2010中刚性法兰设计参数确定的建议

刚性法兰的设计中，主要涉及到以下设计参数，即法兰板厚度，加劲板厚度和高度，螺栓直径和数量，现行电力行业标准DL/T 5254—2010给出相对应的计算公式，有必要进一步明确计算公式中相应参数的准确含义。

3.1 法兰板计算

DL/T 5254—2010法兰板计算公式（1）中，Ly、Lx 这两个参数的说明较含糊。

Lx 没有说明怎么取值，在图形中标示的是沿螺栓中心线的宽度，但是在弯矩系数的备注1中却说明是扇形区域的平均宽度，这样就造成了取值的微小差异。Ly 的概念也较含糊，规范规定Ly 为等效矩形板的固定边长度，但是当螺栓不位于板面积形心时，Ly＝min（1.8Ly，2.2Ly2），这就是说实际在考虑法兰盘底面尺寸时，应该尽量将螺栓布置在区格的面积形心，这对法兰板受力有利。关于判断扇环区格的面积形心位置，建议利用CAD 中的组合命令region＋massprop查询后很方便地获得。

扇环区格的Ly1、Ly2的取值，根据构造要求，建议按照计算出的螺栓直径对应的螺栓孔的1.6倍，1.5倍取整后作为Ly1、Ly2的取值，即按下式构造法兰板宽度：

其中d0 为螺栓的孔径。

3.2 加劲板计算

按照DL/T 5254—2010规定，加劲板的计算只需要考虑加劲板焊缝的计算即可。在实际设计中，当计算加劲板的高度时，加劲板的宽度B 和厚度tj往往已经根据构造要求设定，即：

加劲板的厚度tj 可取稍大于管壁的厚度。

4 结束语

特高压交直流工程中广泛采用了钢管塔，可降低工程造价，减少材料用量，其经济、社会和环境效益良好，符合“资源节约、环境友好”之政策。

鉴于输电线路杆塔刚性法兰节点承受荷载的复杂性以及目前送电线路工程的施工现状，建议在保证安全、降低造价的前提下，支持鼓励设计单位采用新规程、新技术，在实践中逐步提高线路行业钢管塔设计技术水平。