5.9 法兰连接
5.9.1 高耸钢管结构中的法兰连接应与结构整体计算模型相匹配，与施工条件相适应，与受力性质相对应：
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：yi——第i个螺栓到法兰中性轴的距离；
yn——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；
Ntb——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：Mmax——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)，
；
Ntmax——单个螺栓最大拉力设计值；
mb——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＝aNtmax。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：σf——垂直于焊缝长度方向的拉应力；
τf——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——Ntmax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＝aNtmax；
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；
ftw、fvw——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：Tb——一个螺栓对应的筒壁拉力；
Nbt,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：yi——螺栓群转动中心轴到第i个螺栓的距离；
yn——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：fc——混凝土轴线抗压强度设计值；
P——锚栓预拉力；
σl，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：
Nbmax≤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。
5.9.1 高耸钢管结构中的主要连接方式之一是法兰连接，法兰连接的位置、形式与结构整体计算模式相关，与施工和维护条件相关，也与具体结构的受力特点有关。本条对法兰的选用作出原则规定：
1 钢管塔一般采用空间桁架的计算模式，这是因为构件长细比较大(大于30以上即可)，杆件抗弯影响较小，用空间桁架计算既简单又准确。既然是空间桁架，在节点附近出现铰或半铰就符合整体计算模式。用普通螺栓连接的法兰尽管可以做到传递拉力、压力，甚至也可以抗弯，但在受弯时法兰板部分脱离接触，只能做半刚接。
2 按空间刚架计算的高耸结构，其构件的连接要求刚接，刚接的必要条件是有足够的抗弯强度和连续抗弯刚度。所以要用高强螺栓连接，对法兰施加预压力，使法兰板在受力过程中不开缝，抗弯刚度就连续了。空间桁架的杆件若很长，中间要加法兰连接，原则上也要刚接，否则相当于在一根压杆中间加一个半铰，其整体稳定承载力就会降低；钢管结构杆件中段一般为离节点3倍直径以上。
3 有加劲法兰受力合理，用钢较省，设计也相对灵活，所以用于非标准管结构连接成大型、重复性低的管结构连接较好，但其焊缝多是缺点，耗用劳动力也多。
4 无加劲法兰焊缝少，耗用劳动力少，用于标准化钢结构或重复率高的钢结构连接，模具成本降低，有一定成本优势，但其耗钢量大，造价一般较高。
5 小直径管结构内部不能进人操作，所以只能用外法兰，大直径管结构(如风塔)内部可进人，用内法兰可节省施工辅助设施，内法兰抗弯刚度小，但对大直径钢管，影响就会小一些，基础与大型单管塔连接法兰的螺栓布置要考虑螺栓埋在基础混凝土中的构造要求，中距应加倍，所以单面法兰强度不足，改为双面法兰既便于施工，设计强度又容易保证。
6 一般高耸结构的法兰所受拉力、压力相差不大，压力略大于拉力，此时钢管到法兰板之间力的传递要靠焊缝，对于一些特殊的主要受压力的高耸结构提升支架，用钢管端磨平顶紧传递压力，结构效率很高。
7 双层法兰螺栓有较大的自由长度，施加预应力准确，预应力损失小；双层法兰上表面螺栓操作不受加劲板影响，两层法兰板之间的加劲板又可以有足够的长度布置焊缝，所以很适合于刚接柱脚。
5.9.2 本条规定了刚性法兰的计算要求。
1 刚接法兰在弯矩作用的同时可有拉力或压力作用。对螺栓及法兰板的不利作用是弯和拉共同作用。在本标准公式(5.9.2-1)中，不考虑受压。刚接法兰要求法兰板永远处于受压状态，法兰连接的刚度能保持连续。在这一前提下，变形处于弹性状态，且转动中心轴为通过法兰形心的中性轴。
2 公式(5.9.2-2)为允许法兰板部分进入塑性条件下的验算公式。法兰实际为厚板。螺母与法兰板上压力分布属局部环状分布。但这两种状态的精确计算只能根据有限元法，不利于工程设计。所以一般仍采用弹性薄板理论按荷载均布计算法兰板抗弯，最后允许局部进入塑性。其结果与按有限元法计算总体接近，在工程上也经长期实践检验。所以采用此法。
钢管构件所受压力一般大于拉力(因重力作用)。而压力分布一般都直接由筒壁通过筒壁与法兰板的内外环焊缝直接传给法兰板，然后在法兰板靠筒壁根部区域通过接触传递。因法兰板较厚，经扩散的局部承压足够且受压区常靠近支座，所以压力虽大但法兰板弯矩不大。一般要求法兰板与筒壁的焊缝承载力不小于钢管抗压承载力。法兰板受弯则由螺栓最大拉力控制。这种设计方法比压力控制板厚更为经济。这已为有限元分析及工程实践所证明。
3 刚接法兰抗弯按最大螺栓所在板块计算，其加劲板与法兰板连接焊缝受力比法兰板与筒壁连接焊缝受力大。根据表5.9.2中分配系数α，可得到加劲板及其焊缝受力。
4 刚接法兰抗剪按高强螺栓抗剪验算。一般不起控制作用，也无需对法兰顶紧面做表面处理，也不要测定摩擦系数。
5.9.3 本条规定了半刚接法兰的计算。
1 半刚接法兰用高强度普通螺栓连接，通常要加与同样高强度螺栓1/3设计预拉力相对应的扭矩，以基本达到法兰在荷载频遇值作用下不开缝的要求。当荷载继续增大时，法兰会开缝。法兰绕某一转动中心轴转动，这对于内法兰和外法兰是不同的。按有限元分析可得到两个转动中心轴位置及相应的算式。
2 半刚接法兰受拉、受压在空间桁架杆件连接中最常见。一般压力大于拉力。所以以往按压力对法兰板做验算。但有限元计算表明，压力的传递直接通过法兰板与管壁焊缝及法兰板之间的接触，分布范围小且接近支座，对法兰计算不起控制作用。因此现按抗拉计算法兰板，已经几年工程实践验证，安全且节约材料。
3 主要受弯曲作用指类似单管塔、悬臂杆之类压应力与弯曲应力相比小一个数量级的杆件。
根据标准编制人员对多种典型法兰计算比较，外法兰将受压区转动中心轴放在离圆心处3R/4更为合理。但考虑到原标准将受压区形心轴定在钢管外壁也未发生事故，故折中取钢管内壁切线为受压区转动中心轴。内法兰将转动中心轴放在离圆心2R/3处更为合理。
对于空间桁架杆件，理论上仅受拉力、压力，无剪力亦无抗剪问题。若要考虑Af/85构造剪力，则有剪力必有弯矩，有弯矩则法兰上有压力区，此压力必产生摩擦力抗剪。对于单管塔之类主要受弯连接，弯矩产生的局部区域压力产生的摩擦力足以抗剪。
5.9.4 承压型法兰用于压力产生的应力大大超过其他内力产生的应力情况，所以用管端局部承压传递压力。法兰、加劲板、焊缝与传递压力无关，仅用于传递其他内力。这样设计结构效率很高，已有成功的工程实例。一般这类法兰的连接用摩擦型高强度螺栓，这并不是为了利用其摩擦力，而是为了结构免除杆端的接缝变形且当巨大作用时产生振动效应。所以其抗弯计算也同刚性法兰。
5.9.5 双层法兰一般用于刚接柱脚。柱脚刚接要达到两个标准：①抗弯强度不小于柱截面；②抗弯刚度保持连续，没有突变。为达到后者要求，柱脚法兰就不能在弯矩作用下开缝。因此，柱脚要达到刚接，锚栓要加预拉力。锚栓加预拉力之后，柱脚在使用中永久处于受压状态，底板不脱离基础顶面。锚栓加预拉力，则要设锚固板、锚栓套管。若不设套管，则预应力损失较大。对锚栓施加预拉力应采用直接张拉法。若用扭矩法，锚栓处于复杂应力状态，折断的可能性加大，而锚栓万一折断则很难修复。直接张拉法施工锚栓处于简单受力状态，质量稳定且安全。
