输电杆塔柔性带颈法兰设计

的法兰"其螺栓计算同样考虑了受力修正系数 8且 垫圈压住颈部弧度"经查阅文献)66* 得到了相关数
取值为 5/1:% 本 文 提 出 的 带 颈 法 兰 其 刚 度 由 于 颈 据"并在 E值计算式中予以考虑’
部的 加 强 而 高 于 无 加 劲 法 兰" 因 此 取 值 5/14 小 于 5/1: 是符合规律的%
图 67带颈对焊法兰 E(D96 7 L$&&JB*#("D,G@2E
7
图 47带颈平焊法兰 E(D94 7 !"%B’&JB*#("D,G@2E
7
$&$ M 设 计 方 法 研 究 对于带颈对焊法兰而言"其设计参数众多% 由
输 电 杆 塔 柔 性 带 颈 法 兰 设 计 """ 吴 7 静 !等
图 07柔性带颈对焊法兰板受力示意
E(D90 7 .(BJ,GG*B\(Y*B@2EU*)&B$"#B’*,)#%
7
法兰轴心受拉时的螺栓计算公式为’
6Y &X)\
*8RY ! N
02$ (N
!6$
其中7 RY *65 (?"78! N 02$ (N " 6/6 式中’6Y&X)\为单 个 螺 栓 的 拉 力" 2# RY 为 轴 心 受 拉 时 一个螺栓所对应的管壁段中的拉力"2#65 为钢管 轴 心拉力#? 为法兰螺栓个数#8为螺栓受力修正系
本文基于柔性设计理念"针对输电线路钢管塔 应用的带颈法兰开展研究"提出柔性带颈法兰设计 方法"并开展多项 柔 性 带 颈 法 兰 的 节 点 试 验 及 真 型 试验来验证设计方法的可靠性%
此"基于柔性法兰设计理念给出了其设计流程"如图 8 所示% 通过理论分析及试验研究"提出了柔性带 颈对焊法兰设计计算式%
刚性法兰"其法兰板刚度大(承载后基本无翘起 变形"法兰螺栓按照承受轴向拉力设计"法兰整体用 钢量较大(不甚经济#柔性法兰"其法兰板刚度较小( 承载后允许有轻微翘起变形"法兰螺栓按照同时承 受拉力及弯矩设计"法兰整体用钢量较小(经济性较 好% 我国特高压双回路工程中的柔性带颈法兰"既 区别于日本的刚性法兰设计理念"又不同于我国石 化等行业的法兰承载方式%
8BCDEFGD’ KB%B)’-F )"# )UU*(-)&(," ,GG*)"DB-,""B-&(,"%(" &’)"%X(%%(," &,JB’%JB’B("NB%&(D)&B#9[FBG,’X ,GF(DFW "B-; G*)"DB! @2E$ )UU*(B# (" %&BB*&$YB&’)"%X(%%(," &,JB’%(" +F(")J)%U’B%B"&B# &F’,$DF -)U)Y(*(&O-,XU)’(%,"9 QB%(D" XB&F,# )"# U’,-B#$’B,GG*B\(Y*B@2EJB’BU’,U,%B#9.)*$B,G%&’B"D&F X,#(GO("D-,BGG(-(B"&,GY,*&%J)% )#N)"-B#9+,"%(#B’("D%&’$-&$’)*"BB#%)"# -,"%&’$-&(," -,"#(&(,"%" -)*-$*)&(," U’("-(U*B%,G&FB#()XB&B’,GY,*&% -B"&B’-(’-*BJB’B)*%,U’,U,%B#9jUU*(-)&(," %-,UB%,G#(GGB’B"&&OUB%,GG*)"DBJB’B)#N)"-B# &F’,$DF &B-F"(-)*)"# B-,",X(--,XU)’(%,"9j\()*&B"%(," &B%&%,G@2E J(&F %&’B"D&F ,Gc80:" c045 )"# c015" JF(-F -,’’B%U,"# &, +F("B%B-’(&B’(,"" JB’B-)’’(B# ,$&9j"# 3 G$**W%-)*B%&BB*&$YB&,JB’%,G6 555 ;.#,$Y*B-(’-$(&)*&B’")&("D-$’’B"& &’)"%X(%%(," *("B)UU*(B# @2E" JB’B&B%&B# (" &FB&,JB’&B%&Y)%B,G+F(")H*B-&’(-I,JB’KB%B)’-F !"%&(&$&B9QB%(D" XB&F,# )"# N)*$)Y*B)#N(-B%," %&’$-&$’B" X)"$G)-&$’B)"# ("%&)**)&(," ,G@2EU’B%B"&B# (" &F(%U)UB’)’BJ’(&&B" (" RK1’?51NB"KI<BN/5J? 9J!AJ?9J!8N/5J? DKL5I? J9M/KKBR<2<BN!RJSK!LJ9R!N?L85LL5J? ;5?KL! cfTQV 8>6&455>$ 9 HI.JKELC’ %&BB*&$YB&,JB’# G*B\(Y*BF(DFW"B-; G*)"DB# #B%(D" XB&F,## M,("&&B%&# G$**W%-)*B&B%&
7
6$ 法兰板 厚 度 A的 计 算 可 通 过 以 下 算 式 反 算
得到%
"G
*RY -
2 N
! 4 )$
#*6/: A":G / 9N
!4Y$
$ *::"AGK45 / 9
! 4 -$
式中’ "G为法兰板之间撬力"2##为剪应力#$为正应 力# K5 为螺帽边缘到法兰板边缘的距离"XX#A为法 兰板厚度"XX#:为 螺 栓 间 距"XX# 9N 为 钢 材 抗 剪 强 度设计值"dI)# 9为钢材轴向应力设计值"dI)%
77我国输电线路钢管塔目前常用的主材法兰连接 形式为有加劲法兰和无加劲法兰)6* % 有加劲法兰在 法兰板上焊有多个加劲肋板"法兰刚性大"受力后法 兰变形小"螺栓受力简单"但焊接工作量大"且不易保 证焊接质量#无 加 劲 法 兰 由 于 没 有 加 劲 肋 板" 相 对 有 加劲法兰而言大大减少了焊接工作量"安装方便"法 兰板的平整度也更容易得到保证"但也正是由于没有 加劲肋板"受 力 后 法 兰 变 形 较 大" 且 螺 栓 受 力 复 杂% 相对以上两种形式"带颈法兰在法兰板上增加了法兰 颈部"并且颈部 与 法 兰 板 一 体 锻 造 而 成" 锻 压 工 艺 使 金属组织更加紧密"提高了材料力学性能"与有加劲 法兰相比"焊缝少(加工效率高且容易保证产品质量" 与无加劲法兰相比则具有较高的强度和刚度%
!67#=; "@@>6_#]>6:#=:?;69H @>8;=6822>#6! #; 438;7A#77#"; 4"<637
V$ A("D7V$ T$,]()"D7S(c("DF$) ! +F(")H*B-&’(-I,JB’KB%B)’-F !"%&(&$&B" LB(M("D6555::" +F(")$
$M设计方法 我国输电线路应用的柔性带颈法兰主要设计了
7
对焊和平焊两种形式"分别如图 6(图 4 所示% 带颈 对焊法兰是钢管直接与法兰颈对焊" 仅有一条环向 焊缝"焊接工作量相对较小"其焊缝等级要求高但焊 缝质量可检测(质量较易保证#带颈平焊法兰是钢管 插入法兰颈内侧焊接" 有两条角焊缝"焊接工作量 相对较大"焊缝 质 量 检 测 困 难 ( 质 量 难 以 控 制 " 且 两 条角焊缝实际受力不均匀% 经综合比较"建议输电 钢管塔优先选用带颈对焊法兰% 该建议也在实际工 程设计应用中得到了采纳% 本研究即针对柔性带颈 对焊法兰设计方法进行%
7437!"#$%&’()*+,"%&’$-&(," .,*/01!2,/3!4561
6 555 ;.淮南&上海输变电工程是我国第一条 特高压双回路交流输变电工程"工程设计全线采用 钢管塔并于国内首次采用带颈法兰 连 接 )4 ‘8* % 带 颈 法兰在我国石化(机械等行业应用较 为 广 泛 )0 ‘1* "但 其通常是承受环向力(径向力或扭矩"与输电杆塔法 兰承受轴向力有本质区别% 带颈法兰在国外输电钢 管塔上已有一定应用"特别是日本在大跨越钢管塔( 特高压以及常规电压等级的钢管塔中均应用了带颈
!国家电网公司科技项目% 第一作者’吴静"女"6>^3 年出生"博士"高级工程师% 电 子 信 箱 ’J$M_ BU’(9%D--9-,X9-" 收稿日期’4561 ‘50 ‘4^
工业建筑74561 年第 01 卷第 3 期
法兰"但日本 是 基 于 刚 性 法 兰 设 计 理 念)6* "与 我 国 首次应用的柔性带颈法兰不同%
兰板尺寸增大"由此造成了法兰板撬力增加"从而使
螺栓及颈部应力增大%
8$ 法兰高度 T计算如下%
T *:# A0T6
E *X)\! E6 "E4 $
! 8 )$
E6 *:-? (!
!8Y$
E4 *6 0!04"&)"! *(4$
! 8 -$
式中’? 为螺栓个数#6为法 兰 根 部 直 径"XX#!为 螺
栓垫圈直径"XX#*为法兰颈 部 与水 平 线 夹 角"! h$ #
"为 法 兰 颈 部 圆 角 半 径 "XX%
图 87柔性带颈法兰设计流程 E(D987QB%(D" U’,-B#$’B,GG*B\(Y*B@2E
柔性带颈对焊法兰"即法兰板具有一定柔性"承 载后有轻微翘 起"在 法 兰 板 端 部 产 生 撬 力 "G" 法 兰 板受力如图 0 所示% 法兰板的翘起变形"造成螺栓 受到拉力及弯矩的共同作用"因此需要在螺栓受力 计算时考虑修正%
系数 8的样本分别得到平 均值 (为 5/0^4 83(标 准
差 $为 5/53: :^0% 按照正态分布规律 得 到 >:? 置
信度时柔性带颈对焊法兰轴心受拉螺栓受力修正系
数 8的 统 计 结 果 为 5/168 6:" 最 终 确 定 8 值 取 为
47>
5/14% 文献)6* 中的 无 加 劲 法 兰 也 是 一 种 柔 性 设 计 载性能的发挥% 此 外"为 避 免 法 兰 安 装 过 程 中 螺 栓
4$ 螺栓定位圆直径 E取值%
螺栓 定 位 圆 直 径 E由 螺 栓 间 距 及 垫 圈 位 置 同
时控制% 其中"根 据 文 献 ) ^ ‘> * 相 关 内 容" 并 对 比
了文献)65 * "本文建议抗拉用法兰螺栓间距 :可适
当缩短至 4/4 e4/: 倍的螺栓直径"旨在满足 构造 要
求的前 提 下 尽 量 紧 凑 布 置" 以 利 于 法 兰 结 构 承
数"取 5/14# N 为 螺 栓 孔 中 心 到 法 兰 边 缘 的 距 离"
XX#2为 螺 栓 孔 中 心 到 法 兰 颈 根 部 距 离 "XX%
式!6$中 8主要通过节点试验确定% 通过柔性
带颈 对 焊 法 兰 的 节 点 试 验" 得 到 8 值 的 样 本 共
46 个"如图 : 所示% 根 据上 述 46 个 螺栓 受 力 修 正
关于螺栓 布 置 原 则"建 议 采 用 0 小规 格(多 数
量1 的螺栓布置方案"其较之0 大规格(少数量1 的方
案布置更为紧凑(受力更为合理% 主要是由于后者
பைடு நூலகம்
的布置方式导致螺栓定位圆直径增大"导致整个法
图 :7试验得到的 8值样本
E(D9:7Q)&),G8 ,Y&)("B# &F’,$DF M,("&&B%&%
输电杆塔柔性带颈法兰设计!
吴7静7吴国强7李清华
! 中国电力科学研究院" 北京76555::$
77摘7要! 调研了国内外法兰连接的研究及应用情况% 通过性能对比提出了用于我国输电钢管塔的带颈 法兰形式"提出了柔性带颈对焊法兰的设计流程及设计计算方法"给出了螺栓受力修正系数的取值"结合 构 造要求及施工条件提出了螺栓定位圆直径 E的 取 值 原 则"并 通 过 技 术 经 济 比 较 提 出 了 不 同 法 兰 形 式 的 适 用 范 围% 分别开展了 c80:(c045 及 c015 强度等级的带颈法兰节点轴拉承载力试验研究"并选取 6 555 ;.特高 压双回线路中应用了柔性带颈法兰的 3 基钢管塔开展真型试验"并顺利通过了检验% 所提出的柔性带颈对焊 法兰设计计算方法以及构造(加工等方面的工 程 建 议"已 被 纳 入 cfTQV 8>6&455> + 输 电 线 路 钢 管 塔 构 造 设 计规定,中% 77关键词! 钢管塔# 柔性带颈法兰# 设计方法# 节点试验# 真型塔试验 77!"#’ $%&$’(%) *+,-.+/(%$0%1%%0