郎金權(quán)

電聯(lián)工程技術(shù)股份有限公司 杭州310016

引言

目前，單管塔的塔身各段間連接主要通過法蘭及套接連接，法蘭連接方式計(jì)算理論相對(duì)成熟，規(guī)范［1，2］對(duì)此連接的計(jì)算方法做出了具體的規(guī)定。然而規(guī)范對(duì)塔身與基礎(chǔ)的連接（即塔身通過預(yù)埋在基礎(chǔ)內(nèi)的地腳螺栓連接固定于基礎(chǔ)上）節(jié)點(diǎn)計(jì)算方法沒有明確的規(guī)定。本文通過Midas FEA數(shù)值模擬有限元軟件分析此類節(jié)點(diǎn)的受力特性，由于此類節(jié)點(diǎn)屬于接觸受力狀態(tài)，其為高度邊界非線性受力問題，只有通過有限元來模擬分析各部件（底法蘭、基礎(chǔ)、地腳螺栓及其螺母）間的受力狀態(tài)。通過分析結(jié)果確定底法蘭相對(duì)合理的旋轉(zhuǎn)軸，中性軸和截面旋轉(zhuǎn)軸并不重合，中性軸是底法蘭板拉、壓應(yīng)力的分界線，就是底法蘭板上壓應(yīng)力為零的位置的連線，而取用的截面旋轉(zhuǎn)軸則應(yīng)是底法蘭板受壓區(qū)壓應(yīng)力合力點(diǎn)的位置［3］。旋轉(zhuǎn)軸用來描述地腳螺栓以哪條幾何直線轉(zhuǎn)動(dòng)，確定旋轉(zhuǎn)軸后才能通過公式計(jì)算地腳螺栓最大拉力，并采用現(xiàn)有規(guī)范［1，2］中對(duì)法蘭與加勁板強(qiáng)度計(jì)算公式進(jìn)行分析驗(yàn)算，確定單管塔底法蘭節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)完整的實(shí)用驗(yàn)算方法。

1 單管塔底法蘭節(jié)點(diǎn)連接種類

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查，目前單管塔底法蘭節(jié)點(diǎn)連接種類較多，主要可以分為三類。第一類底法蘭節(jié)點(diǎn)：有加勁板底法蘭、且進(jìn)行二次填充澆注，如圖1所示；第二類底法蘭節(jié)點(diǎn)：有加勁板底法蘭、未進(jìn)行二次填充澆注，如圖2所示；第三類底法蘭節(jié)點(diǎn)：無加勁板底法蘭、且進(jìn)行二次填充澆注，如圖3所示。

圖1 第一類底法蘭節(jié)點(diǎn)Fig.1 Node diagram of the first type bottom flange

圖2 第二類底法蘭節(jié)點(diǎn)Fig.2 Node diagram of the second type bottom flange

2 單管塔底法蘭節(jié)點(diǎn)數(shù)值模擬

2.1 模型建立

本文采用Midas FEA有限元軟件對(duì)單管塔底法蘭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模分析，分析模型中包含基礎(chǔ)短柱、二次澆灌混凝土、地腳螺栓及螺母、底法蘭、加勁板和塔筒。本模型混凝土采用C35，鋼材采用Q345?；A(chǔ)短柱直徑為1800mm，高度為2000mm；塔身鋼管直徑為1420mm，壁厚為10mm，高度為5000mm；底法蘭規(guī)格為-52×1400/1800mm，中心徑為1600mm；加勁板規(guī)格為-14×180×300，切角20mm；地腳螺栓為12-M52。分析時(shí)，在塔身頂部節(jié)點(diǎn)處施加2500 kN·m的節(jié)點(diǎn)彎矩。分析模型如圖4所示。

圖3 第三類底法蘭節(jié)點(diǎn)Fig.3 Node diagram of the third type bottom flange

圖4 底法蘭節(jié)點(diǎn)模型Fig.4 Node model diagram of the bottom flange

2.2 計(jì)算結(jié)果

各類節(jié)點(diǎn)加載條件（在塔身頂部節(jié)點(diǎn)處施加2500kN·m的彎矩值）一致，各類連接節(jié)點(diǎn)數(shù)值模擬分析結(jié)果如圖5～圖7所示。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖5 第一類底法蘭節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析結(jié)果（單位：N/mm2）Fig.5 Stress analysis results of the first type of bottom flange joints（unit：N/mm2）

單管塔以風(fēng)控，風(fēng)荷載直接影響塔體受彎矩值大小。對(duì)于第一類底法蘭節(jié)點(diǎn)而言，彎矩作用下底法蘭板底面與二次澆注區(qū)頂面相互接觸，在上受力過程中，形成拉壓兩個(gè)區(qū)域，受拉區(qū)剛度由地腳螺栓提供，受壓區(qū)剛度由法蘭板及其加勁板提供，該截面剛度不連續(xù)，受力復(fù)雜；對(duì)于第二類底法蘭節(jié)點(diǎn)而言，二次澆注區(qū)未填充高強(qiáng)度微膨脹細(xì)石混凝土，彎矩作用下底法蘭板底面與螺母接觸，在上受力過程中，形成拉壓兩個(gè)區(qū)域，受拉區(qū)剛度由地腳螺栓提供，受壓區(qū)剛度主要由地腳螺栓提供，該截面剛度不連續(xù)，受力復(fù)雜；對(duì)于第三類底法蘭節(jié)點(diǎn)而言，彎矩作用下底法蘭板底面與二次澆注區(qū)頂面相互接觸，在上受力過程中，形成拉壓兩個(gè)區(qū)域，受拉區(qū)剛度由地腳螺栓提供，受壓區(qū)剛度由法蘭板提供，該截面剛度不連續(xù)，受力復(fù)雜。第一類底法蘭節(jié)點(diǎn)與第三類底法蘭節(jié)點(diǎn)主要區(qū)別在于底法蘭的剛度大小，前者帶加勁板，法蘭剛度大，可以視為剛性法蘭，底法蘭板基本能保持平截面，受拉螺栓拉力大小與其至中性軸的位置呈線性關(guān)系。前者無加勁板，法蘭剛度小，可以視為柔性法蘭，底法蘭板基不能保持平截面。中性軸和截面旋轉(zhuǎn)軸并不重合，中性軸是底法蘭板拉、壓應(yīng)力的分界線，就是底法蘭板上壓應(yīng)力為零的位置的連線，而取用的截面旋轉(zhuǎn)軸則應(yīng)是底法蘭板受壓區(qū)壓應(yīng)力合力點(diǎn)的位置。

圖7 第三類底法蘭節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析結(jié)果（單位：N/mm2）Fig.7 Stress analysis results of the third type of bottom flange joints（unit：N/mm2）

第一類底法蘭節(jié)點(diǎn)根據(jù)有限元分析結(jié)果，中性軸基本位于底法蘭幾何中心，這里采用迭代計(jì)算方法尋找受壓區(qū)合力作用點(diǎn)位置，使施加的外彎矩和地腳螺栓產(chǎn)生的拉力對(duì)受壓區(qū)合力點(diǎn)取距之和基本接近，此受壓區(qū)合力作用點(diǎn)位置即為旋轉(zhuǎn)軸的位置。具體各軸位置示意如圖8a所示。

第二類底法蘭節(jié)點(diǎn)根據(jù)有限元分析結(jié)果，中性軸基本位于底法蘭幾何中心，中性軸即為旋轉(zhuǎn)軸。由于有限元分析結(jié)果顯示應(yīng)力集中較明顯，地腳螺栓等構(gòu)件應(yīng)力較大，所以采用1/3R為旋轉(zhuǎn)軸時(shí)，計(jì)算分析結(jié)果與有限元分析結(jié)果較吻合。具體各軸位置示意如圖8b所示。

第三類底法蘭節(jié)點(diǎn)根據(jù)有限元分析結(jié)果，中性軸基本位于底法蘭幾何中心，這里采用迭代計(jì)算方法尋找受壓區(qū)合力作用點(diǎn)位置，使施加的外彎矩和地腳螺栓產(chǎn)生的拉力對(duì)受壓區(qū)合力點(diǎn)取距之和基本接近，此受壓區(qū)合力作用點(diǎn)位置即為旋轉(zhuǎn)軸的位置。具體各軸位置示意如圖8b所示。

圖8 底法蘭節(jié)點(diǎn)中性軸、旋轉(zhuǎn)軸示意Fig.8 Schematic diagram of neutral axis and rotating axis of bottom flange node

從圖5～圖7可知地腳螺栓、法蘭及加勁板最大應(yīng)力值（基本涵蓋99%的區(qū)域范圍值），具體數(shù)值見表1。

表1 各類節(jié)點(diǎn)分析結(jié)果（單位：N/mm2）Tab.1 Analysis results of various nodes（unit：N/mm2）

根據(jù)表1中確定的各類節(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)軸、規(guī)范［1］第5.9.2條公式5.9.2-2至5.9.2-4及規(guī)范［2］第5.4.3條公式5.4.3-1至5.4.3-2，加勁板承擔(dān)反力的比例系數(shù)α和彎矩計(jì)算系數(shù)mb按表2選取，各構(gòu)件驗(yàn)算結(jié)果見表3。

表2 α和mb系數(shù)Tab.2 αand mb coefficient

根據(jù)表3驗(yàn)算結(jié)果表明，通過有限元分析確定的合理旋轉(zhuǎn)軸和現(xiàn)有規(guī)范［1，2］計(jì)算公式計(jì)算得到的各構(gòu)件應(yīng)力結(jié)果和有限元數(shù)值模擬分析的結(jié)果基本一致。

表3 各類節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算結(jié)果（單位：N/mm2）Tab.3 Checking calculation results of various nodes（unit：N/mm2）

4 結(jié)語

單管塔三類底法蘭節(jié)點(diǎn)受力性能可分別按2/3R、1/3R、1/3R處為旋轉(zhuǎn)軸，采用《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50135—2019）計(jì)算確定地腳螺栓最大拉力，然后按《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50135—2019）和《移動(dòng)通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（YD/T 5131—2019）計(jì)算各構(gòu)件的應(yīng)力。