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
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
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