单管塔塔脚法兰焊缝改进计算方法

0 引 言

在4G网络大建设中，单管塔因其造型轻盈美观、占地面积小，加工和安装快捷等优势被广泛应用于城区、风景区等对美化程度要求较高地区的基站建设[1-3]。对于单管塔设计目前较常用的参考规范为《钢结构单管通信塔技术规程》(CECS 236:2008)[4]，而此规程的某些计算方法和塔身实际加工工艺并不相符，此时若仅是依据规范照条计算或设计，可能存在较大安全隐患。

单管塔通过塔脚法兰将塔身上部荷载传给基础，为保证力传递的可靠性，塔脚法兰一般设计成刚性法兰。《钢结构单管通信塔技术规程》中规定塔脚法兰加劲肋与塔段焊接采用对接焊缝，塔段插入法兰盘中部采用角焊缝和法兰板焊接，见图1。而塔身实际加工工艺中对接焊缝较难实现，塔厂一般采用角焊缝对加劲肋竖向和水平向焊缝焊接。塔段一般采用正12边形或16边形，塔身和法兰底板的连接需要在法兰底板较精确的开和塔段下口相符合的孔，且插入焊接需保证焊接质量，这对此处焊接提出了较高的工艺要求。《钢结构单管通信塔技术规程》的塔脚法兰焊缝计算中并未考虑管身与法兰盘之间环向焊缝的作用，这与法兰工艺并不相符。该文在对法兰盘区域进行划分，基于板的受力状态给出环向焊缝的计算公式，改进单管塔塔脚法兰焊缝改进计算方法，并提出相应的设计建议。

图1 塔脚法兰肋板焊缝计算示意
Fig.1 Calculation model of foot flange weld joint

1 塔脚法兰计算公式及设计方法

1.1 法兰板受力分析

对于外法兰，取受压区形心轴与钢管内壁相切，见图2。则螺栓最大拉力：

式中：M—塔脚弯矩；

—受拉螺栓形心轴到法兰盘受心轴的距离。

将被加劲肋分隔的法兰盘区域近似看作承受均布荷载的一边简支，两边固结的板，见图3。根据板的边长a和b的比值查《钢结构单管通信塔技术规程》中表5.3.4可得加劲肋边缘反力比系数值[1]，据此可确定加劲肋周边焊缝所受的荷载大小。

图2 塔脚法兰螺栓最大拉力计算示意

Fig.2 Calculation model of maximum tension on bolts of foot flange

图3 塔脚法兰受弯计算简图

Fig.3 Calculation model of foot flange under bending

1.2 法兰加劲肋焊缝计算方法

根据实际工艺的角焊缝进行加劲肋计算，依据《钢结构单管通信塔技术规程》和《钢结构设计规范》7.1.3节[5],竖向角焊缝应力计算：

1) 竖向角焊缝剪应力：

2) 竖向角焊缝正应力：

(直接承受动力荷载，βf=1)

3) 竖向角焊缝复合应力：

水平角焊缝正应力计算：

式中： τf1—竖向角焊缝剪应力；

hf1—竖向角焊缝焊角尺寸；

lw1—竖向角焊缝有效长度；

σf1—竖向角焊缝正应力；

e—Ntmax偏心距，取螺栓中心道钢管外壁的距离；

α—加劲板承担的反力比例；

σf2—水平角焊缝正应力；

hf2—水平角焊缝焊角尺寸；

lw2—水平角焊缝有效长度。

1.3 法兰环向角焊缝计算方法

在规范中仅给出了上述加劲肋的竖向和水平焊缝的计算公式，并未给出法兰环环向角焊缝的计算公式。经对法兰板受力分析得，相邻加劲肋间环向角焊缝承受(1-α)Ntmax的拉力，见图4。按照内外侧角焊缝同时均匀受力计算，给出法兰环向角焊缝计算公式：

(直接承受动力荷载，βf=1)

式中：σf—环向角焊缝正应力；

hf11、hf12—分别为环向角焊缝内外侧焊角尺寸；

lw—为环向角焊缝两相邻加劲肋间焊缝长度。

图4 环向焊缝受力计算简图

Fig.4 Calculation model of ring weld joint stress

2 塔脚法兰计算实例

以铁塔公司集团图集V1.0 DGT(C)-45-0.45-3PT3[6]为例进行法兰焊缝计算。图集中给出了该单管塔荷载组合为：塔脚反力：N=163.8 kN，V=109.5 kN，M=3 670.9 kN。塔身下口为正16边形，其余信息见表1。加劲肋详细构造见图5。

表1 塔脚法兰参数表

Tab.1 Parameters of foot flange

图5 加劲肋简图

Fig.5 Calculation model of stiffeners

2.1 法兰应力计算结果及验证

分别采用文中提出的公式及有限元软件ABAQUS对塔脚法兰焊缝的应力进行计算，计算结果见表2。可见该文提出的公式计算结果与有限元结果接近，验证了该文公式的正确性。

表2 法兰焊缝计算结果

Tab.2 Calculation results of weld joint on foot flange MPa

2.2 计算结果分析及设计建议

由表2可以看出塔脚法兰受力主要由加劲肋竖向角焊缝控制，因此加劲肋设计时需控制其高度，同时考虑法兰板悬挑长度设计加劲肋宽度。

计算可知法兰环向角焊缝受力较小，但是其计算和设计存在以下几个问题：①按照内外侧角焊缝同时均匀受力简化计算，但实际两条角焊缝并不在同一平面上，焊缝受力不够明确；②塔段由钢板折弯加工而成，口径偏差较大，法兰切孔很难控制,并且将塔段伸入法兰盘内进行焊接，会造成较大误差，使环向焊缝质量较难保证。综上，虽然环向焊缝受力较小，但是影响因素较多，可能造成应力不满足现象。

对此建议环向角焊缝采用平焊方法，见图6。平焊方法的环向角焊缝受力明确，可保证焊接质量，同等受力条件下可以减小环向角焊缝焊角尺寸。此外，可大大降低在法兰盘塔段处开孔的工艺难度。

图6 平焊示意图

Fig. 6 Flush welding

3 结 语

通过以上对塔脚法兰的计算分析，对于此处加劲肋的计算建议按照角焊缝计算方法，和实际工艺一致，保证焊接质量。对于法兰环向角焊缝的计算，相关规范、规程并未给出明确计算方法，该文依据力学分析得出环向角焊缝计算公式，并对比分析插入焊接和平焊方法，建议实际设计中按照平焊方法，简化工艺难度，保证焊缝质量。