（苏州电力设计研究院有限公司）
摘要：由于现有的Q345锻造高颈法兰设计理论还不完整，且不一定适用于高强钢材料，并且法兰板变形后存在较大撬力，连接高强螺栓为明显的偏心受拉受力，有必要研究开发一种新型锻造高颈法兰，使法兰变形和撬力更小甚至没有撬力。
关键词：Q420；高颈法兰；承载力
前言
锻造高颈法兰连接无需焊接加劲肋，对接焊缝可采用机械焊，这样既可以解决有加劲法兰加劲肋手工施焊的繁重工作，提高制作效率和机械化效率。同时，在一定程度上弥补无加劲法兰连接刚度低的缺陷，应该说高颈对焊法兰是一种较好的法兰-钢管连接形式。另外，与刚性法兰相比，高颈对焊法兰的焊缝长度仅为刚性法兰的20％，且随着钢管管径的增大而明显降低，所有加劲肋的焊缝长度约为两道环向焊缝长度的4倍。
由于现有的Q345锻造高颈法兰设计理论还不完整，且不一定适用于高强钢材料，并且法兰板变形后存在较大撬力，连接高强螺栓为明显的偏心受拉受力，有必要研究开发一种新型锻造高颈法兰，使法兰变形和撬力更小甚至没有撬力。所以，在前期国内外关于高颈锻造法兰的研究基础上，进行了新型锻造对接法兰的研究，认识到降低螺栓圆的大小并使螺栓圆尽可能贴近圆钢管壁厚中心，可以降低法兰盘的撬力。
所以，Q420高强钢锻造高颈法兰的研究具有重要的工程应用价值。
1锻造法兰的设计
1.1试验法兰设计计算方法
（1）锻造法兰细部构造
新型锻造法兰为内外侧双坡或内坡外直壁的新型锻造高颈法兰，该形式法兰可以使栓圆最大限度接近钢管圆，确保法兰板的悬臂最小、变形后产生的撬力最小。为了满足锻造法兰的高强螺栓连接、加工制作和力学性能要求，并结合现有锻造高颈法兰的研究成果，该锻造高颈法兰的细部尺寸需满足一下要求（其中d为连接螺栓直径）。
①螺栓边距A=1.25d
根据上述国内外的相关规定和工程应用，并考虑法兰连接中螺栓及法兰板的受力特点，可知螺栓中心至法兰板边缘的距离也可以参照《钢结构设计规范》并适当缩小采用，最小可以取约1.25d。
②变坡段法兰颈高度hc=2.0d
根据日本《输电钢管铁塔制作标准》的相关规定和法兰库实际尺寸，变坡段法兰颈高度h≈3d；另外，根据日本机械设备压力管道高颈法兰的法兰颈高度区h≈2.0d。
③螺栓间距D>2.3d
《钢结构设计规范》规定螺栓间距D≥2.5d，但是，法兰连接螺栓的受力与钢结构螺栓的受力有所区别。根据钢管塔结构研究的众多专家以及我们的研究成果，法兰螺栓间距只要满足套筒拧螺栓即可，一般而言螺栓的盘面布置间距D>2.3d，d为螺栓直径。
④法兰颈变坡段坡度
高颈法兰变截面的坡度选取应该考虑有利于降低颈腋变截面区的应力集中，一般而言坡度越小（即斜面与主管的夹角）应力集中越不明显，这样高颈法兰的高度会偏大。所以，本研究将对不同坡度的变截面区的应力集中进行有限元比较分析，确定变截面坡度的合理选取。
日本《输电线路钢管塔制作标准》明确规定变截面的竖向夹角为8º~22º。为了较小法兰尺寸以及减小法兰板变形所产生撬力对螺栓的影响，外坡为直壁；采用内坡有利于减少法兰的尺寸，所以，内坡取20º。不等管径对接时，小管径法兰的内径和变坡段根部的外径与大管径法兰相等。这样就使得小管径法兰为外坡内小坡，外坡减缓了法兰颈根部的应力集中。
（2）新型锻造法兰设计理论
⑨当验算不合格（应力超过设计强度）或不合理（应力远低于设计强度）时，可以通过以下措施来调整设计参数：适当变化颈的锥度；改变颈的高度h；适当调整颈的顶宽；增加法兰盘的厚度。
1.2Q420锻造高颈法兰设计及数量
（1）锻造法兰连接形式
①等管径对接
等管径对接法兰采用外侧直壁后小坡、内坡式的锻造法兰，这样有利于减小螺栓圆直径，降低法兰板变形后所引起撬力对连接螺栓的影响。
②不等管径对接
不等管径对接法兰，大管径法兰为外侧直壁后小坡、内坡式锻造法兰，这样有利于减小大管径法兰的螺栓圆直径和法兰盘尺寸；小管径法兰为内外侧双坡的锻造法兰，减小法兰盘悬臂长度，提高法兰板的刚度，从而，降低法兰板变形后所引起撬力对连接螺栓的影响。
（2）试验法兰详细参数
对上述新型Q420高强钢锻造高颈法兰的偏心受力力学性能、变形特性进行试验研究，可为Q420高强钢锻造法兰工程中的广泛应用提供依据。
2Q420锻造高颈法兰轴拉、偏拉承载力试验
2.1偏心受拉和轴心受拉加载方式
试验采用反力梁、液压千斤顶进行法兰受拉试验，通过调整e1、e2的大小达到偏心加载的目的（e1-e2即为偏心距）。其中液压千斤顶的规格为500t，千斤顶通过油管并联加载，对接法兰通过连接螺栓与反力梁连接。
2.2加载机制
等管径对接法兰与大小管对接法兰的连接节点试验采用相同的加载装置，具体加载机制如下：
（1）试验前法兰连接通过扭矩扳手给高强螺栓施加规定的预紧力；
（2）左右两个千斤顶同步出力加载（通过油管并联）；
（3）不同规格法兰的加载分级如下：
钢管Φ356×8对接锻造法兰：设计荷载约为4021kN。所以，1~40级的加载步长为100kN，加至设计荷载，每级荷载均检测并记录法兰变形和法兰连接螺栓的应变发展情况；其他规格的法兰都按照相同加载方法加载。
（4）试验研究等管径对接法兰和大小管对接法兰在拉力荷载下（轴拉、偏拉）的特性以及破坏模式。偏心加载时，先加0.2D偏心距加载至主管屈服，卸载后以0.4D偏心距加载至极限荷载。
2.3测试方法
为了搞清楚法兰节点的受力特点，测定钢管管壁应变、法兰焊缝上侧主管应变、法兰连接螺栓受力特性，分别在各部位贴应变片。
应变片采用中航电测仪器股份有限公司的BE120-5AA，尺寸分别为10.0mm×4.0mm。该类型应变片、应变花的最小极限应变值均为2~3%，即约20000~30000uε。试验中每增加一级荷载，读取并记录各应变片的读数。
同时，在偏心受拉情况下，靠近合力点及远离合力点处上下盘面有不同程度的翘曲变形，为了测定试验过程中法兰盘面的变形情况，在上下法兰盘的颈根部各对应布置两对位移计。
3Q420锻造高颈法兰试验结果
3.1试验结果
（1）节点承载力特性
①试验得到各法兰节点轴拉时主管设计承载力、加载结束时极限承载力如表3-1所示。
（2）试验现象
试验共进行8对高颈对焊法兰的受拉试验，加载至主管屈服后，所有Q420高颈锻造法兰均没有发生高颈法兰和对接焊缝的破坏以及连接螺栓的拉断破坏，说明Q420高颈法兰、对接焊缝、法兰连接螺栓是可靠的，能够满足轴心受拉的强度要求，可以运用到实际工程中去。
轴心受拉：在整个加载过程中，等管径对接法兰的主管均发生轴向拉伸现象；大小管对接法兰的大直径钢管没有发生明显的变形，小直径钢管发生明显的轴向拉伸，和明显的颈缩，当达到极限承载力时，小管径法兰撬起变形也不明显，卸载后，法兰盘面变形不明显。
偏心受拉：在整个加载过程中，主管发生轻微弯曲变形。随着荷载增加，远离合力点侧的法兰盘面外边缘接触顶紧，靠近加载点侧的法兰未顶紧，偏心距越大，越明显。加载结束时，未发现螺栓有弯曲现象。卸载后，法兰盘面变形不明显。
3.2带颈锻造法兰偏心受拉承载力理论分析
对于钢管法兰节点而言，法兰盘的几何尺寸比钢管大得多，所以法兰盘的整体刚度较大，且法兰盘存在环向挤压应力约束力。偏心拉力引起的法兰盘变形比钢管要小，所以应该注意观察节点连接螺栓的受力情况。
在《架空输电线路杆塔结构技术规定》中有关于刚性法兰、柔性法兰受偏心荷载作用下螺栓承载力的计算公式，并有确定中和轴的计算方法。带颈锻造法兰在我国的研究处于起步阶段，设计理论和计算方法仍不够完善。现有的法兰规格是参考日本法兰规格库或者是基于轴拉理论设计的。但对于复杂受力下的力学性能，还不清楚，本文通过测定法兰连接螺栓的内外侧应变，来确定法兰中和轴位置。
（1）刚性法兰螺栓计算方法：
4结论
基于对Q420材质锻造高颈法兰-Q460高强钢管的法兰节点轴拉和偏拉试验研究、有限元模拟及理论分析，得到以下结论：
（1）试验及有限元分析证明这种新型高颈法兰的受力特点性能较好，且加工制作较方便，且外观简介美观。与柔性法兰相比：法兰盘的刚度有明显的增加；法兰盘采用的是内坡设计，法兰盘尺寸减小，重量降低；
（2）法兰盘面上下侧的应变在±1000uε以内，说明加载过程中，法兰盘面仍处于弹性阶段。法兰盘面的翘曲变形不明显，法兰盘面外边缘的撬力很小或者没有撬力。与高颈法兰的偏刚性的设计理论相符，说明该高颈锻造法兰的受力机理更接近于刚性法兰；
（3）试验及有限元分析表明：连接螺栓为偏心受拉，螺栓内侧受拉、外侧受拉或受压。随着偏心距的增加，靠近合力点一侧的高强螺栓受力增大。所以，高颈法兰设计应综合考虑螺栓、偏心距之间的相互影响；
（4）在试验过程中，法兰与钢管的对接焊缝没有发现任何破坏现象，说明Q420法兰与Q460钢管的对接焊缝是稳定可靠的，能够满足工程设计的需要。但是，对接焊缝是法兰-钢管节点中的薄弱部位，且可能存在较大的焊接残余应力，容易产生脆性破坏，所以，加工时应当保证该部位的加工质量；
（5）等管径对接法兰的上下法兰对应位置应变发展基本一致；大小管对接法兰，小管径对应位置的应变的发展要稍快，所以，大小管对接法兰节点设计时，小管径法兰设计是对接法兰设计的重点；
（6）偏心受拉试验中，靠近合力点侧的主管拉应变超过屈服应变，远离合力点侧的主管仍处于弹性范围内；偏心受压试验中，随着荷载偏心距的增大，靠近加载点侧的主管压应变增大；远离加载点侧的主管压应变减小，甚至受拉，但仍处于弹性范围内。
（7）理论分析结果表明：偏心受拉（e≤0.8R），锻造带颈法兰的中性轴都为主管中心。