摘要：详细介绍输电线路钢管杆中带加劲板的刚性法兰设计方法，并通过工程实例分别对连接螺栓、法兰及加劲板的设计进行阐述。该设计对先前钢管杆法兰设计中存在的不足进行了改进，大大提高了输电线路中以法兰形式连接的钢管杆的安全性能。
关键词：钢管杆；法兰；螺栓；加劲板
0 引言
近年来，伴随着城市建设的高速发展，城市用电负荷逐步增大，高压输电线路进入城市已成为发展趋势。与传统立体桁架式铁塔相比，钢管杆具有结构简单、强度高、占地面积少、造型美观、安装快捷等优点，适用于多回路相同或不同电压等级同杆架设，与现代化城市的发展相协调，在城网建设中获得了广泛的使用。
1 法兰连接设计
钢管杆件之间的连接通常采用锥形管插接和法兰对接两种连接形式。一般受力较小的钢管杆，采用插接连接形式，如图1所示；而受力较大的钢管杆，由于要控制杆体的变形、挠度，大多采用更易于控制挠度的法兰连接，如图2所示［1］。
钢管杆主要受弯矩作用，其节点连接往往采用带加劲板的刚性法兰，具体组成如图3所示。法兰连接的设计包括3个方面的内容：连接螺栓的设计、法兰盘的设计和加劲板的设计。
图1 插接形式
图2 法兰形式
图3 法兰连接示意图
1.1 连接螺栓的设计
在法兰连接的设计中，最重要的是连接螺栓的设计。钢管杆杆身连接按带加劲板的刚性法兰计算，《电力工程高压送电线路设计手册》［2］指出：承受轴心拉力或轴心压力的法兰盘连接，当法兰盘承受轴心拉力时，假定每个连接螺栓均匀承担全部拉力；当法兰盘承受轴心压力时，则假定由法兰盘底板传递全部压力，连接螺栓的数量可按构造设置，但不宜少于6个。而当法兰盘承受弯矩时，则有一个连接螺栓因距中和轴最远而受力最大。输电线路钢管杆一般同时承受拉力（压力）和弯矩的共同作用，因此确定中和轴的位置对计算螺栓受力至关重要。下面根据中和轴位置的不同分别计算钢管杆法兰连接螺栓的受力情况［3］。
1）非底部法兰连接螺栓受力计算。
在计算承受拉（压）力、弯矩共同作用的杆身法兰盘连接螺栓受力时，DL/T 5130—2001《架空送电线路钢管杆设计技术规定》［4］规定螺栓群的中和轴位置在圆管外壁与底板接触点的切线上，如图4所示。则距中和轴Yi处的螺栓所受到的拉力
为
式中：M为法兰所受的弯矩，N·mm；N为法兰所受的轴心作用力，N，压力时取用负值，拉力取正值；Yi为第i螺栓中心到中和轴的距离，mm；n为法兰盘连接螺栓的个数。
从式（1）可以看出，距离中和轴最远的螺栓所受拉力最大，记为
，应满足：
式中：
为螺栓承载力设计值，N。
2）底部基础法兰连接螺栓（锚栓）的计算。
由于钢管杆底部用锚栓与基础连接时，通常在法兰底面与基础顶面之间留出一定的间隙，以便于对钢管杆倾斜度的调整，调整完毕后用细石混凝土将间隙填实，使整个法兰底面与基础顶面的细石混凝土表面均匀接触。但是，目前钢管杆加工工艺的改进，杆身底部不再用钢板封闭，而是中空的，因此，法兰底面与基础顶面之间根本无法用细石混凝土填充密实，导致底部法兰盘和钢管杆的相对刚度较非底部法兰盘要小很多，而偏于柔性法兰，所以锚栓的受力应按中和轴位置设在法兰盘中心计算，如图5所示，具体计算方法同非底部法兰连接螺栓。由于施工完毕后法兰底部与基础顶面之间还需填充混凝土，按此方法计算螺栓受力是偏安全的［4］。
图4 非底部法兰螺栓受力
图5 底部法兰螺栓受力
此外，法兰螺栓的布置应遵循在满足承载力前提下尽量采用小直径螺栓的原则，因为数量相对多的小直径螺栓比数量相对少的大直径螺栓安全可靠性更好一些。
1.2 法兰盘设计
法兰盘的设计要根据底板反力和支撑条件计算，无加劲板的法兰盘应按悬臂板计算，有加劲板的法兰盘可近似按三边支撑板计算。带加劲板的法兰盘受力简图如图6所示。
图6 法兰盘受力
法兰盘受力应按式（3）～（5）计算：
板上均布荷载
板中弯矩
法兰板厚度
式中：
为螺栓所受最大拉力，N；lx、ly分别为相邻两加劲板间的法兰盘平均长度和宽度，mm；β为弯矩系数，与ly／lx有关，具体取值见表1；δ为法兰板的厚度，mm。
表1 弯矩系数β
1.3 法兰加劲板设计
钢管杆法兰加劲板在钢管杆弯矩作用下同时承受正应力和剪应力，受力如图7所示。每个肋板所受力作用于螺栓孔中心处，且按螺栓所受最大力进行计算，具体应按公式（6）～（7）进行计算。
图7 肋板计算简图
式中：为螺栓所受最大拉力，N；h为肋板高度，mm；b为螺栓孔中心距离钢杆外壁的距离，mm；t为肋板厚度，mm；fv为肋板抗剪承载力设计值，N／mm2；f为肋板抗剪承载力设计值，N／mm2。
2 计算实例
以某220 kV送电工程中设计的一钢管杆基础底部法兰为例，具体来说明法兰各连接部分的设计方法。
经结构内力分析，作用于基础底部法兰的作用力及根据设计经验估选的法兰连接各部分的设计参数见表2，下面根据估选的设计参数运用上述设计方法分别对法兰连接各个组成部分进行设计验算。
表2 基础底板法兰设计参数
2.1 螺栓的设计验算
该法兰为基础法兰，因此应按中和轴位置在法兰中心进行验算。根据公式（1）选出螺栓的具体分布见图8。
1）螺栓所受最大拉力。由图8可知，受力最大螺栓到旋转轴的距离Y1=1300mm，螺栓中心到旋转轴距离的平方和
，则螺栓所受最大拉力
。
图8 螺栓分布
2）螺栓承载力设计值。螺纹处有效直径de=64.12mm，螺栓抗拉强度设计值f=260N／mm2，单个螺栓承载力设计值
。
3）螺栓承受的剪力。单个螺栓承受的剪力
。
4）螺栓受剪承载力设计值。受剪面数目nv=1，螺栓直径d＝72 mm，
螺栓抗剪强度设计值
。
5）螺栓验算结果。
，正应力比，此结果合理。Nv1= 16 203 N，，剪应力比
，此结果合理。
2.2 法兰盘验算
利用式（3）～（5）对法兰进行验算。
1）法兰板厚度设计值δ。法兰所受最大压力
，lx=202.6 mm，ly=400 mm，板上均布荷载q=9.48 N／mm2，弯矩系数β=0.1315，板中弯矩Mox=51 130 N，法兰板抗压值f=265 N／mm2，法兰板厚度δ=31.06 mm。
2）选取的法兰盘厚度δb。δb=44 mm。
3）法兰验算结果。δ=31.06 mm，δb=44 mm，利用率比，此结果合理，验算通过。
2.3 筋肋验算
根据所述法兰加劲板设计方法，利用式（6）～（7）对法兰加劲板进行验算，具体验算过程如下。
1）加劲板剪应力。螺栓所受最大拉力Nbtmax= 767 908 N，加劲板剪应力τf=64 N／mm2。
2）加劲板正应力τf。，加劲板正应力σf=189 N／mm2。
3）加劲板验算结果。τf=64 N／mm2，加劲板剪应力设计值fv=210 N／mm2，剪应力比
，此结果合理，验算通过。σf=189 N／mm2，加劲板正应力设计值f=360 N／mm2，正应力比
，此结果合理，验算通过。
取加劲板高度h=500 mm，加劲板厚度t=24 mm。
3 结语
详细介绍输电线路钢管杆中带加劲板的刚性法兰的设计过程，并通过工程实例分别对连接螺栓、法兰及加劲板的设计方法进行了充分地说明。对钢管杆法兰设计中存在的不足之处，如法兰连接螺栓的选取和布置、底部法兰锚栓计算中中和轴位置的确定进行了补充，大大提高了输电线路中以法兰形式连接的钢管杆的安全性能。
