5.9 法兰连接

    1  按空间桁架计算钢管结构，其节点邻近处的法兰可用高强度普通螺栓连接，加双螺母防松；

    2  按空间刚架计算的钢管结构或按空间桁架计算的钢管结构杆件中段的法兰应用刚接法兰，用高强螺栓连接，并提出明确的预应力设计参数；

    3  非标准或大直径管结构的连接可采用有加劲肋法兰；

    4  标准化或较小直径管结构的连接可采用无加劲肋法兰；

    5  小直径管结构应采用外法兰；大直径管结构可采用内法兰，并设计配套施工辅助设施；基础顶面与大型单管塔连接可用双面T形法兰；

    6  所受压力与拉力相比大一个数量级或以上的法兰应采用承压型法兰，钢管和法兰焊接后端面铣平顶紧，焊缝不传递压力，螺栓传递可能承受的较小拉力；

    7  刚接柱脚可用双层法兰。

5.9.2  刚接法兰的计算应符合下列规定：

    1  刚接法兰中摩擦型高强螺栓群同时受弯矩M和轴拉力N时，单个螺栓最大拉力应按下式计算：

式中：y_i——第i个螺栓到法兰中性轴的距离；

          y_n——离法兰中性轴最远的螺栓到法兰中性轴的距离；

          n₀——法兰盘上螺栓总数；

          N_tb——摩擦型高强螺栓抗拉设计承载力。

    2  刚接法兰中法兰板厚度t应按下式计算：

式中：M_max——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；无加劲肋法兰时，按悬臂板计算；有加劲肋法兰时，按两边沿加劲板边固结，一边沿管壁铰接弹性薄板近似计算弯矩；

          f——钢材抗拉强度设计值。

      单位板宽法兰板最大弯矩Mmax应按下列公式计算：

式中：a——固结边长度；

          b——简支边长度(图5.9.2-1，实际取扇形区域的平均宽度)，；

          N_tmax——单个螺栓最大拉力设计值；

          m_b——弯矩计算系数，按表5.9.2取值。

图5.9.2-1  法兰板受弯计算简图

1-固定边(靠加劲板)；2-自由边；3-简支边(靠钢管)

表5.9.2  均布荷载下有加劲肋法兰(一边简支，两边固结板)

弯矩计算系数mb和加劲板反力比a

    3  刚接法兰的加劲板强度按平面内拉、弯计算，拉力大小按三边支承板的两固结边支承反力计，拉力中心与螺栓对齐。加劲板与法兰板的焊缝、加劲板与筒壁焊缝按上述同样受力分别验算。法兰加劲肋板焊缝(图5.9.2-2)应进行如下计算。加劲板受力F＝aN_tmax。a按表5.9.2取值。

图5.9.2-2  内、外法兰肋板焊缝计算示意图

      竖向对接焊缝验算：

      水平对接焊缝验算：

式中：σ_f——垂直于焊缝长度方向的拉应力；

          τ_f——平行焊缝长度方向的剪应力；

          B——加劲板宽度；

          t——肋板的厚度(mm)；

          e——N_tmax偏心距，取螺栓中心到钢管外壁的距离；

          a——加劲板承担反力的比例，按表5.9.2取值，加劲板受力为：F＝aN_tmax；

          h——肋板的高度；

          S₁——肋板下端切角高度；

          S₂——加劲板横向切角尺寸；

          f_tw、f_vw——对接焊缝抗拉、抗剪强度设计值。

    4  刚接法兰抗剪按高强螺栓抗剪验算。

5.9.3  半刚接法兰的计算应符合下列规定：

    1  半刚接法兰用高强度普通螺栓连接。在荷载频遇值作用下，法兰不宜开缝；在承载能力极限状态下，法兰可开缝，并绕特定的转动中心轴转动。

    2  半刚接法兰既可能受轴压又可能受轴拉时，轴压力通过钢管与法兰板之间的焊缝直接传递。应保证焊缝与钢管壁等强，拉力N则通过螺栓传递。

      1)有加劲肋法兰单个螺栓拉力应按下式计算：

      2)无加劲肋法兰(图5.9.3-1)单个螺栓拉力应按下式计算：

图5.9.3-1  无加劲肋法兰受力

式中：T_b——一个螺栓对应的筒壁拉力；

          N^b_t,max——单个螺栓受力；

          m一一工作条件系数，取0.65。

    3  半刚接法兰主要受弯矩作用时：

      1)有加劲肋外法兰、有加劲肋内法兰[图5.9.3-2(a)、图5.9.3-2(b)]螺栓最大拉力应按下式计算：

式中：y_i——螺栓群转动中心轴到第i个螺栓的距离；

          y_n——离螺栓群转动中心轴最远螺栓的距离。

图5.9.3-2  法兰螺栓群计算形心轴

1-外焊缝；2-受压区形心轴；3-内法兰；4-受压区形心轴

      2)无加劲肋法兰螺栓最大拉力按下式计算：

式中：M——法兰板所受的弯矩；

          R——钢管的外半径；

          n——法兰板上螺栓数目。

    4  半刚接法兰板厚度应按本标准第5.9.2条第2款计算。

    5  半刚接法兰加劲板对应的焊缝应按本标准第5.9.2条第3款验算。

    6  半刚接法兰所受剪力不应大于螺栓拉力在法兰板内产生的压力对应的摩擦力。

5.9.4  承压型法兰应按铣平顶紧计算管端受压(图5.9.4)。法兰仅承受次要工况下的弯矩或拉力作用时，法兰计算应与刚接法兰相同。

图5.9.4  承压型法兰

1-端面铣平

5.9.5  双层法兰应与基础中预应力锚栓配套使用。双层法兰应按下列规定计算(图5.9.5)：

图5.9.5  刚性柱脚双层法兰

1-柱脚；2-上法兰板；3-加劲板；4-下法兰板；5-套管；6-预应力锚栓(高强螺栓)；7-定位螺母；8-受力螺母；9-下锚板；10-基础高度

    1  下法兰板与混凝土接触的毛面积按基础顶面混凝土局部承压确定，应满足下列公式要求：

式中：f_c——混凝土轴线抗压强度设计值；

           P——锚栓预拉力；

           σ_l，max——无预应力状态下基础底法兰面按平截面假定计算得到的最大拉应力设计值。

    2  下法兰板分布荷载取σmax，应根据本标准第5.9.2条进行抗弯验算。

    3  螺栓最大拉力Nbmax应按下式验算：

N^b_max≤0.8P            (5.9.5-3)

    4  上法兰板按设计预拉力均布在螺栓作用区间计算荷载抗弯，应按公式(5.9.2-2)计算。

    5  加劲板应按本标准第5.9.2条第3款进行计算。

    6  螺栓加预拉力应用直接张拉法，宜超张拉15％。

    7  下锚板应计算混凝土多向局部承压和板抗弯。