柔性法兰节点设计方法对比分析

葛华 韩根伟 钟睿 杨晓亮 詹杰

四川电力设计咨询有限责任公司 四川成都 610041

摘要：针对变电站构架中的柔性法兰，查阅相关标准，对不同标准柔性法兰的设计方法进行了对比总结，供设计人员参考。

关键词：变电站构架;柔性法兰;设计方法

1 前言

法兰节点是变电站构架中常见的连接方式，分为刚性法兰和柔性法兰，两种形式在变电站构架中均有应用。从外形上看，刚性法兰连接带有加劲肋，柔性法兰没有加劲板；从受力特点上看，刚性法兰具有刚度大、承载力高的特点，柔性法兰刚度不足，在受拉时会产生翘力使得连接螺栓中的拉力增大；从焊接加工角度看，刚性法兰加工复杂，焊缝较多，易发生焊接变形，柔性法兰焊接工作量小，加工和安装方便，焊接残余应力少。在变电站工程构架的设计过程中，作者发现不同的规程标准对柔性法兰的设计有不同的方法，本文对这些不同方法进行了总结对比，供设计人员参考。

2 柔性法兰螺栓承载力验算

文献[1][2]中给出了柔性法兰在受拉（压）、弯共同作用时螺栓承载力验算公式：

（1）

式中： ，法兰盘所受轴心力和弯矩； ，单个螺栓极限承载力； ，钢管的外半径； ，法兰的螺栓中心到法兰外边缘的距离； ，法兰的螺栓中心到钢管外壁的距离； ，法兰盘螺栓受力修正系数，通常可取为0.65； ，法兰板上螺栓数量。

图1 柔性法兰简图

文献[3]对柔性法兰的名称定义为了无加劲肋的半刚接法兰，分别给出了其在受拉或者受弯作用时螺栓承载力验算公式：

（2） （3）

目前文献[1]、[2]中给出了法兰受拉（压）、弯共同作用时螺栓的验算公式，而文献[3]给出的是法兰分别受拉、弯作用时的螺栓验算公式。笔者认为，在法兰节点设计需等强连接的背景下，文献[3]分别给出法兰受拉和受弯验算公式的情况更为合理，因为法兰节点设计要么按照受拉等强设计要么按照受弯等强设计。

3 柔性法兰的法兰板厚度计算

文献[1]给出了柔性法兰的法兰板厚度应按照式（4）计算确定，且不应该小于20mm。

（4）

式中： ，法兰螺栓的间距， ； ，法兰螺栓分布圆的直径； ，钢材的抗拉强度。

文献[2]给出柔性法兰的法兰板厚度应按照式（5）计算确定。

（5）

式中： ，法兰板之间顶力。

文献[3]给出了柔性法兰板厚应按照式（6）计算确定。

（6）

式中： ，按单个螺栓最大拉力均布到法兰板对应区域时计算得到的法兰板单位板宽最大弯矩，柔性法兰按悬臂板计算； ，单个螺栓在法兰板对应的区域。

文献[1]法兰板厚的计算仅按照法兰板受弯确定，文献[2]法兰板厚的计算按照法兰盘受弯及受剪的不利情况确定，两文献对法兰盘受弯计算的方法是一致的，均以螺栓处为固定端，按照悬臂板计算；文献[3]法兰板厚按照法兰板受弯确定，但是计算方法与文献[1][2]有所区别，其以钢管外径处为固定端，按照悬臂板计算。

4 算例

设计D273 6圆钢管受拉柔性法兰连接，钢管材料Q235，按钢管极限抗拉承载力等强设计法兰连接。钢管外径273mm，螺栓中心线直径340mm，法兰盘外轮廓直径410mm，钢管抗拉极限承载力为1082kN，螺栓选用8.8级大六角头螺栓，螺栓数目为16个，需要单个螺栓抗拉承载力87.92kN，选用M20螺栓，单个螺栓抗拉承载力97.92kN。

表1 法兰板厚度不同方法计算对比

	文献[1]	文献[2]	文献[3]
螺栓拉力（kN）	97.92	97.92	97.92
厚度控制公式	（4）	（5）	（6）
计算厚度（mm）	21.2	21.2	34.9
实际厚度（mm）	22	22	35

按照文献[1][2]所计算出来的法兰板厚度为21.2mm，按照文献[3]所计算出来的法兰板厚度为34.9mm，通过计算对比可以看出，采用文献[1]、[2]的公式计算所得的法兰板厚度是相同的，因此，法兰板厚度由受弯控制；文献[3]所采用的方法计算出来的法兰板厚度远远大于文献[1]、[2]，文献[3]在考虑法兰板受力时更保守。近年来，变电站出现了少许柔性法兰避雷针的倒塌事故，虽然事故原因未经官方公布，但可能与柔性法兰连接有关，不得不引起行业的重视，因此本文建议在进行柔性法兰设计时按照文献[3]所提供的方法。

5 结语

（1）在法兰节点设计需等强连接的背景下，文献[3]分别给出柔性法兰受拉和受弯验算公式的情况更为合理，因为法兰节点设计要么按照受拉等强设计要么按照受弯等强设计。

（2）对于柔性法兰板厚的计算，文献[3]在考虑法兰板受力时比文献[1][2]更合理，因此本文建议在进行柔性法兰设计时按照文献[3]所提供的方法。

参考文献：

[1] DL/T 5457-2012 变电站建筑结构设计技术规程[S].

[2] DL/T 5254-2010 架空输电线路钢管塔设计技术规程[S].

[3] GB50135-2019 高耸结构设计标准[S].