双坡高颈锻造法兰在钢管塔中的应用分析

1 钢管塔节点连接设计

钢管塔节点种类繁多，受力和构造复杂，加工质量要求高[1]。钢管塔的节点x形式主要有对接节点、交叉节点和复杂节点三种，根据铁塔部位不同进行细分类别，如表1所示。

表1 节点型式

由上表可知，钢管塔节点连接方式主要有法兰连接、相贯焊接或插板连接等基本方式。对于对接节点，一般均采用法兰连接方式；而对于交叉节点既可以采用相贯焊接，也可以采用插板连接[2]。

2 法兰连接

法兰是轴与轴之间相互连接的零件，用于管端之间的连接；法兰连接，是指由法兰、垫片及螺栓三者相互连接作为一组组合密封结构的可拆连接。法兰因其结构合理、传力可靠、使用效率高、维修方便及成本底等因素使其成为钢管塔中最常用的连接形式[3]。

通常的钢管塔法兰连接可分为柔性法兰、有劲法兰和高颈锻造法兰三种不同形式。柔性法兰可减少焊接工作量，安装方便，法兰盘的平整度也更容易得到保证，但柔性法兰由于没有加劲肋，受力后法兰变形较大，且螺栓受力复杂。当要求施工方便、结构外形美观以及结构变形及建筑物挠度要求不高的结构，可以采用无加劲肋的柔性法兰。有劲法兰在法兰盘上焊有许多加劲肋，法兰刚度大，受力后法兰变形小，螺栓受力简单，但是焊接工作量大，且不容易保证焊缝质量，同时施工较无劲法兰更加复杂。高颈锻造法兰综合了传统的有劲法兰和柔性法兰两者的优点，它不但具有有劲法兰的受力刚度大、变形小的特点，同时还像柔性法兰那样便于工厂加工及现场安装，在国外，如英国和美国，尤其日本不仅在跨越塔上应用，即使是常规电压等级钢管塔也很常见，在国内高电压等级线路中已大量使用，技术条件成熟。

高颈锻造法兰的型式有对焊法兰和平焊法兰[4]。对焊法兰一般采用锻件或锻轧工艺制成，仅有一条对接焊缝，焊接量小，焊缝应经超声波探伤，无分层缺陷即可，只要焊接工艺得当，焊接质量容易保证。平焊法兰是指与容器或管道采用角焊缝连接的一种法兰。结构简单，用材省，有两条角焊缝，焊接量大，焊缝质量不易控制。且两条角焊缝离开较远，实际受力不均匀，密封性差。因此优先考虑高颈锻造对焊法兰。

单坡度高颈锻造对焊法兰由于颈部截面最小，会成为整个法兰的薄弱部位。而双坡度高颈锻造对焊法兰在焊缝内外侧均有一定坡度，有利于荷载的传递和扩散，在一定程度上避免了该问题，并且其刚度也较单坡度高颈锻造对焊法兰大，有利于法兰的保持整体刚性，使得螺栓传力均匀，减少螺栓个数。钢管塔推荐采用双坡度高颈锻造对焊法兰。

3 双坡高颈锻造对焊法兰的受力特性

双坡高颈锻造对焊法兰虽然没有传统有劲法兰那样的加劲肋，但其受力特征接近于传统的有劲法兰。双坡高颈锻造对焊法兰在拉力荷载的作用下，通过法兰径直接将拉力传递给法兰板，但法兰板较厚，具有足够的刚度，能够直接将拉力传递给螺栓，法兰盘边缘不会产生撬力，但法兰盘边缘将会脱开，节点的脱开间隙主要是由螺栓有限的应变引起的。整个节点的相对变形较小，国内输电线路钢管塔主材接头的节点连接完全适用。

4 双坡高颈锻造法兰承载力影响因素分析

通过双坡高颈锻造法兰受力机理分析可知，影响其承载力的主要参数有：法兰板厚、颈高、颈宽、颈坡度等，当设计锻造法兰承载力不满足使用要求时，可以根据以下原则来调整法兰参数进而提高节点承载力：

①在有限坡度范围内，当法兰颈根部和顶部宽度为定值时，法兰颈越高，其刚度越大，上下法兰越容易脱开，法兰盘自身的旋转越小，但是此影响较小。

②在有限坡度范围内，当法兰颈顶部宽度和颈高为定值时，法兰颈根部宽度越大，法兰越容易脱离，法兰盘自身的旋转越小。

③法兰盘厚度是决定上下法兰最终是否脱开的最主要影响因素，厚度越大，法兰越容易脱开，而且法兰盘自身的旋转越小。