钢管杆塔底部径向与环向组合...肋法兰节点设计与有限元分析_池金明.pdf

2023NO3.ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK收稿日期：2023-02-01作者简介：池金明（1987），男，硕士，高级工程师，主要从事输电线路结构设计。钢管杆塔底部径向与环向组合加劲肋法兰节点设计与有限元分析池金明（中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司福建福州350003）摘要输电线路钢管杆塔的塔脚型式通常采用加劲法兰，现行规范将加劲法兰盘扇形区域简化按矩形考虑，大尺寸的法兰因法兰底板过厚、外圈螺栓离管壁远，受力不合理，法兰盘应力集中明显。该文提出在传统加劲法兰构造基础上增加环形加劲肋的新型组合加劲肋法兰连接型式，对该节点的设计进行了系统分析，阐述了组合加劲肋法兰计算理论，有限元分析结果表明：这种法兰构造合理、安全可靠，可用于实际工程。关键词钢管杆塔法兰应力集中组合加劲肋计算理论有限元分析中图分类号：TU392.3文献标识码：A文章编号：1672-9064(2023)03045030引言输电线路钢管杆塔塔脚常用的加劲肋法兰1，连接件为法兰底板、径向加劲肋，钢管底部与法兰底板通过环形焊缝连接，径向加劲肋的竖向焊缝与钢管壁焊接，径向加劲肋的横向焊缝与法兰底板焊接，如图1所示。这种加劲法兰具有整体刚度大、承载力高的特点，因此在输电线路钢管杆塔中广泛应用。随着钢管杆的输电等级越来越高，结构荷载越来越大，相应钢管及节点尺寸也很大。目前加劲法兰盘的承载力计算主要依据 架空输电线路钢管塔设计技术规定（DL/T 52542010）2、架空送电线路钢管杆设计技术规定（DL/T 51302001）3的相关公式。然而上述塔脚加劲肋法兰设计应用中却存在3个不足：加劲法兰底板简化近似按矩形考虑，但其实际计算单元为扇形区域；法兰底板局部区域应力集中明显，法兰的承载力受到小部分最先应力屈服区域控制，其他大部分区域没有发挥钢材强度；大尺寸法兰节点法兰底板过厚、外圈螺栓离管壁远，存在层状撕裂的危险，受力不合理。因此有必要提出合理的法兰盘构造与布置，使计算更加接近实际并发挥更多区域的钢材强度，避免应力集中。1组合加劲肋法兰构造设计为解决传统大型法兰的缺点，黄誉等4-5建议在主管内外侧布置两圈螺栓，显然，内圈螺栓需操作人员进入钢管内部施工作业，安装不便，故可以在外圈螺栓与钢管之间再布置一圈环向加劲肋，使环形加劲肋与径向加劲肋共同作用，如图2所示。由于布置内环向加劲肋，组合加劲肋法兰可减小法兰板厚度、肋板及焊缝尺寸。此外，主管的受力性能也大为改善。因此，组合加劲肋法兰可以很好地解决传统大法兰的缺点，受力合理，更为安全可靠。组合加劲肋法兰包括法兰底板、径向加劲肋和环向加劲肋等3个部分，环向加劲肋沿着环向、垂直于法兰底板布置，通过焊接在相邻两径向加劲肋之间。径向加劲板采用双面开坡口角焊缝，环向加劲板采用开坡口单面角焊缝，焊缝构造厚度不小于环向加劲板的厚度。2组合加劲肋法兰计算理论2.1加劲法兰底板计算单元传统加劲法兰简化法兰底板近似按矩形考虑，按照三边支撑板确定（两边固定、一边简支），见图3（a）；径向与环向组合加劲肋法兰节点通过环向加劲肋将计算间隔分为靠钢管的内侧间隔和靠外并设置有螺栓孔的外侧间隔，内侧间隔接近图1传统加劲法兰构造设计图2径向与环向组合加劲肋法兰构造设计能 源 与 电 力452023NO3ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK2.2螺栓数量确定输电线路钢管杆塔的塔脚节点承受拉、弯、剪复合作用，设计时仅考虑弯矩和轴力，其中钢管杆主要是弯矩作用，钢管塔主要是轴力作用。在刚性法兰节点受弯计算中，螺栓拉力大小将影响到螺栓数量、法兰板厚度、肋板尺寸以及焊缝尺寸的计算，是整个法兰节点设计的关键。关于刚性法兰螺栓拉力的计算方法，目前的相关规范都给出了计算公式，其旋转轴取在钢管壁处，按式（1）计算螺栓拉力，拉力确定后，相应法兰板厚度、肋板及焊缝尺寸也可确定。根据钢管受力计算所需的螺栓个数，径向加劲肋的间距选择应满足螺栓扳手空间25 mm、地脚螺栓垫板空间的要求，确定螺栓个数n后可以初步确定Ly1、Ly2、Ly3、Lx1、Lx2。Nbmax=NnMy1yiNtb（1）式中：N为法兰所受的轴心作用力；n为法兰盘上螺栓数目；Ntb为单颗螺栓承载力设计值；Nbmax为受力最大的单颗螺栓的拉力；yi为螺栓中心到旋转轴的距离。2.3法兰底板计算新型组合加劲肋法兰与传统刚性法兰的主要区别是在钢管内部多布置了一圈环向加劲肋，其计算法兰底板中最大弯矩Mmax与传统法兰有所区别，因此，新型法兰的研究重点仍是法兰底板均布荷载q的确定，按图3（b）计算；其弯矩系数的计算模型可以借鉴传统法兰模型，见表1。图3（b）左侧A部分（内侧间隔）底板均布荷载为q1，右侧B部分（外侧间隔）底板均布荷载为q2，计算法兰底板均布荷载可根据式（2）（8）求解。1=Lx2Ly3Lx2Ly3+Lx1（Ly1+Ly2）（2）2=Lx1（Ly1+Ly2）Lx2Ly3+Lx1（Ly1+Ly2）（3）q1=1NbmaxLx2Ly3（4）q2=2NbmaxLx1Ly（5）Ly=min（1.8Ly1，2.2Ly2）（6）Mmax=q2L2x1（7）t5Mmax/f（8）式中：1、2分别为法兰底板A部分、B部分面积比例系数；t为法兰底板厚度；为弯矩系数，取值见表1；f为法兰底板钢材强度设计值。2.4径向与环向加劲板计算法兰加劲板在钢管杆塔弯矩作用下同时承受正应力和剪应力，受力如图3（c）所示。传统法兰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6；新型加劲肋法兰由于环向加劲肋的作用，其所弯矩力臂可近似取法兰盘板宽度L的2/3，环向加劲板厚度t2可采用比径向加劲板减少24 mm。具体应按式（9）（12）进行计算。M1=23LNbmax（9）L=Ly1+Ly2+Ly3（10）=M1W=6M1t1h21f（11）=Nbmaxt1h1fv（12）式中：M1、t1为计算径向加劲板承受弯矩、板厚度；为径向加劲板正应力；为径向加劲板剪应力；fv为钢材抗剪强度设计值；t1、h1为径向加劲板厚度、高度。方形，外侧间隔为扇面形状，使计算更加接近实际并发挥更多区域的钢材强度、尽量减小应力集中。由此，Ly3为内侧间隔的高度，Lx2为内侧间隔的平均宽度，Lx1为外侧间隔的平均宽度，外侧间隔以经过螺栓孔的中心点并平行环形加劲肋的线为界，靠近环形加劲肋一侧的部分高度为Ly1，另一侧的高度为Ly2，详见图3（b）。图3加劲法兰底板计算单元书书书表 摇弯矩系数 取值表（）（）能 源 与 电 力462023NO3.ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK3有限元建模及模型验证根据上述组合加劲肋法兰设计方法，调整法兰底板厚度、径向加劲板与环向加劲板的厚度与高度、Lx1、Lx2、Lx3的数值，满足节点承载力极限值与节点承载力设计值的比值不小于1.5。利用大型有限元软件ANSYS分别建立传统加劲法兰、径向与环向组合加劲肋法兰节点有限元模型，有限元模型采用四边形板单元7-8。考虑材料非线性分析、几何非线性。板单元网格尺寸按照1020 mm划分。法兰的几何模型及网格划分见图4。在钢管顶部施加荷载，计算荷载作用下节点各部位的应力分布情况。法兰底板、径向加劲板或环向加劲板的应力集中位置最先达到钢材强度设计值时、应力应变曲线出现拐点或变形超出10 mm时所施加荷载为该节点承载力极限值。4结果分析图5是法兰板在设计荷载作用下等效应力云图，图6是加劲肋在设计荷载作用下等效应力云图。可以看出，除最大受力螺栓螺孔附近及钢管与肋板连接处因应力集中而应力较大外，整个法兰应力水平较低，在弹性范围内，按传统法兰板设计方法、组合加劲肋法兰设计方法来确定其厚度是安全的9。与传统加劲法兰对比，径向与环向组合加劲肋法兰节点的法兰盘应力分布更为均匀，径向加劲肋与钢管壁的焊接位置、径向加劲肋与法兰底板焊接位置应力集中程度均有所降低。图6（b）中圆圈位置为应力集中减轻的位置，节点的承载力提高25.3%。图4法兰节点几何模型及网格划分图5加劲肋等效应力云图图6法兰板等效应力云图5工程应用福建紫岭洋埭200 kV、回线路工程中钢管杆截面最大尺寸2 580 mm32 mm（Q420），螺栓48M72（42 Crmo），若按传统刚性法兰节点设计，法兰板厚度达50 mm（Q345），外圈螺栓距管壁距离达435 mm。过厚的法兰板存在层状撕裂的危险，外圈螺栓离管壁较远，受力不太合理，这些都降低了整个结构的安全度。此外，该布置还会导致法兰板耗材明显增加。按照组合加劲肋法兰节点设计，将法兰盘分为靠钢管的内侧间隔和靠外并设置有螺栓孔的外侧间隔进行计算，法兰盘受力均匀，减少法兰板厚度，使大直径钢管杆可实施应用于工程，有效解决在市区绿化带上立杆占地不够的问题。6结语本文提供了1种钢管塔塔脚法兰节点上径向与环向加劲肋组合设计方法与计算理论，在传统法兰节点上增加环向加劲肋，使环形加劲肋与径向加劲肋共同作用。根据法兰底板上由径向和环形加劲肋所含围的实际的扇形形状为计算单元，调整法兰节点上各个参数的计算方法，以有限元分析为计算基础，减小了法兰节点应力集中程度，提高了法兰节点的极限承载力约25%，更加有效发挥了钢材在各个区域的强度。参考文献1电力规划设计总院.架空输电线路杆塔结构设计技术规定：DL/T51542012S.北京：中国计划出版社，2012.2国家能源局.架空输电线路钢管塔设计技术规定：DL/T 52542010S.北京：中国计划出版社，2010.3国家电力公司东北电力设计院.架空送电线路钢管杆设计技术规定：DL/T 51302001S.北京：中国电力出版社，2001.4黄誉，邓洪洲，金晓华.钢管杆塔新型内外法兰受弯性能试验研究及有限元分析J.建筑结构学报，2011（10）：73-81.5黄誉，邓洪洲，金晓华.钢管杆中刚性法兰的有限元分析J.特种结构，2008，25（2）：3-5，47.6张殿生.电力工程高压送电线路设计手册（第二版）M.北京：中国电力出版社，2002.7王元清，孙鹏，石永久.圆钢管法兰连接承载性能的有限元分析J.钢结构，2009（08）：16-20.8陈冬，郭耀杰，曾德伟.法兰节点连接中的撬力有限元分析J.四川建筑科学研究，2015（04）：17-19.9王孟，陈学辉.高压输电钢管塔柔性法兰承载性能的有限元分析J.华北电力大学学报（自然科学版），2015（02）：66-71.能 源 与 电 力47