浅谈带颈对焊法兰的标准化设计与承载力计算

法兰，也称法兰盘或凸缘，是钢管与钢管相互连接的零件，连接于管端；法兰上有孔眼，可通过螺栓连接两法兰。其英文名为flange，法兰为其音译。

输电线路钢管结构常用法兰形式有带颈法兰和板式法兰。带颈法兰分为带颈对焊法兰和带颈平焊法兰；板式法兰分为有劲板式平焊法兰和无劲板式平焊法兰。其中带颈法兰又分为内直外坡、外直内坡和内外双坡三种。法兰从受力特性和传力机理来讲，又可分为有劲法兰和无劲法兰。有劲法兰也称刚性法兰，其刚度较好，强度较高，但是大量的手工焊接工作量使得法兰的效率低下；无劲法兰也称柔性法兰，其优点是省去了大量的加劲板的焊接，但是其缺点也正如其名，刚度较差，法兰螺栓因受到法兰端部的翘力作用，影响法兰整体的受力性能。采用带颈对焊法兰

结合近期工作，本文主要对特高压钢管塔用带颈对焊法兰的标准化设计及承载力计算进行简要介绍。

一、带颈对焊法兰设计的标准化

带颈对焊法兰是钢管与钢管的连接配件，其设计计算主要由强度和构造决定。

最简单的标准化设计思路为按钢管的最大强度承载力设计对接法兰，使得法兰的承载力不小于钢管，并适当的留有裕度。这种设计方法固然简单，但是未免过于保守浪费。因为钢管本身一般由稳定控制为主，即钢管本身达到设计极限时，其所受内力可能远小于其强度承载力，这时根据其最大强度承载力去配对接法兰是很保守和不经济的。而按钢管的实际内力去设计和选配法兰是最经济的，但是这也使得标准化法兰的规格数量大幅增加。目前主流做法为将法兰设计为标准化的强度级差带颈对焊法兰，其命名规则如下：

第1、2位为字母，表示法兰类型，以字母"FD"表示带颈对焊法兰；

第3、4位为数字，表示法兰连接的大规格钢管的外直径（用管径的百位数和十位数表达）；

第5、6位为数字，表示法兰连接的小规格钢管的外直径（用管径的百位数和十位数表达）；

第7位为字母，表示钢管壁厚，且按由小到大顺序依次标示为A、B；

第8位为数字，表示法兰强度级差（1-%、8-85%、7-70%）；

第9位为字母，表示法兰的材料强度等级（H-Q、D-Q）。

值得注意的是，该命名规则下设计的标准法兰库仅适用于所对应于钢管规格库。钢管规格库和标准法兰库必须一一对应。如果采用不同的规格库，需要重新设计标准法兰库。标准化法兰的标准构造详见下图。

为更加直观的进行说明，以下为QD钢管与QD对接，且强度应力比不高于85%时的法兰名称。

二、带颈对焊法兰的承载力计算

（1）《架空输电线路钢管塔设计技术规定》（DLT-）

该规范针对有劲法兰和无劲法兰分别给出设计公式，如下所示。有劲法兰和无劲法兰的主要区别在于，对于法兰板是否设置加劲板。对于设置了加劲板的有劲法兰，承受拉（压）弯力后，法兰板的变形不大，其螺栓力的计算模型假定为法兰板为刚性板；而无劲法兰则不然，因为法兰板的厚度限制，无劲法兰的法兰板的刚度比有劲法兰差，法兰板的柔性将导致法兰端部存在顶力（翘力），基于此计算模型即推导出柔性法兰的承载力计算公式。带颈对焊法兰是近些年钢管塔特别是特高压和窄基钢管塔应用较多的法兰形式。其既非典型的有劲法兰（因其法兰板并未设置加劲肋），又非典型的柔性法兰（因该种法兰存在一个变截面颈部，其对法兰的刚度贡献不能忽略不计）。但是，从构造上看，其受力性能应更接近于柔性法兰。本规范条文说明就将其m值由0.65调整为0.62，就可见一斑了。

（2）《架空输电线路杆塔结构设计技术规程》（报批稿）》

杆塔结构行标报批搞中新加入了带颈对焊法兰的承载力计算公式。如下图所示。

其承载力计算与典型无劲法兰的主要区别如下;

(1)螺栓受力修正系数md取0.62（柔性法兰m取0.65）；

(2)因法兰柔性所导致的螺栓内力增大系数md（a+b）/a不小于1.1；

(3)e0值取法兰盘外缘至螺帽外缘距离（柔性法兰m取0.5a）

下面，根据新规对最新特高压交流钢管塔用带颈对焊法兰配置表中的法兰进行承载力计算。

（3）基于结构行标报批稿的法兰承载力计算

计算过程详见下表。因篇幅所限，仅截取部分法兰计算结果。

从规范公式看，决定带颈对焊法兰强度承载力的因素有法兰螺栓的抗拉承载力、法兰板的抗剪承载力和法兰板的抗弯承载力。计算可知，决定其承载力的主要因素为法兰螺栓的抗拉承载力，少量法兰的承载力由法兰板的强度控制。概因规范为确保法兰的刚性，规定了柔性法兰的最小厚度不宜小于20mm，而本系列标准带颈法兰最小厚度为17mm，法兰板强度不易成为控制项。此外，上表算得法兰的承载力普遍大于设计图纸中的给定值。

三、结语

1、带颈对焊法兰强度承载力计算与典型柔性法兰的主要区别如下;

(1)螺栓受力修正系数md取0.62（柔性法兰m取0.65）；

(2)因法兰柔性所导致的螺栓内力增大系数md（a+b）/a不小于1.1；

(3)e0值取法兰盘外缘至螺帽外缘距离（柔性法兰m取0.5a）。2、影响带颈对焊法兰强度承载力的因素有法兰螺栓的抗拉承载力、法兰板的抗剪承载力和法兰板的抗弯承载力。决定其承载力的主要因素为螺栓的抗拉承载力。

3、带颈对焊法兰因自身的柔性导致端部翘力的存在，这使得法兰螺栓的直径和数量因为翘力的存在而比刚性法兰要得大，这往往造成螺栓布置存在较大困难。日本工程界常用法兰形式为带颈厚法兰，使得他们可以采用刚性假定进行计算。国内一些省已经开展了带颈厚法兰的研究和依托工程应用，此应为一个不错的解决方案。

输配电线路

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