750 kV变电构架刚柔性法兰设计优化Word格式文档下载.docx

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刚性法兰具有刚度大、承载力高、法兰盘厚度薄等优点，但由于有过多焊缝，易产生焊接变形[3]；

柔性法兰虽然在刚度上不如刚性法兰，但去掉了加劲肋，使其具有焊接工作量小、加工安装方便、外形简洁美观、法兰盘平整度容易得到保证等优点[4]，但随着拉力和弯矩的增大，法兰盘厚度增大非常显著[5]。

750kV变电构架的梁、柱主材（圆钢管）之间通过法兰盘连接，主要承受轴向拉、压力。

关于法兰的计算国内现在已经形成了一套完整的计算方法并已有专门的设计规范，如GB50135—2006《高耸结构设计规范》[6]、DL/T5154—2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》[7]等。

法兰板的规范计算方法较多，大多采用经验系数或近似公式，文献[8]指出，现行国家标准[6]和电力行业标准[7]有关法兰连接节点的设计方法偏于保守。

750kV变电构架高度、跨度及导线拉力都比500kV变电构架大，其法兰盘及其连接件占整个构架的比重约10%左右，有必要对法兰盘厚度进行分析优化。

依托国内某工程750kV变电构架中的刚、柔性法兰连接节点做法及受力，利用有限元软件ABAQUS进行非线性有限元分析，得出了不同法兰盘厚度的节点在相同荷载作用下的应力分布和受力特点，以安全经济为目标，通过与相关规范计算结果对比分析，提出法兰盘设计的优化建议。

1法兰的节点设计

某工程750kV变电构架中，构架柱和梁弦杆分别采用刚性法兰和柔性法兰，分别采用φ351×

12和φ219×

8的圆钢管，法兰内径比圆钢管每边宽出1.5mm，便于加工焊接，刚、柔性法兰节点形式及尺寸如图1所示，设计计算参照文献[7]公式。

本文主要研究这两类法兰在实际荷载作用下的受力情况，应用非线性有限元方法进行建模和数值计算，并与相关规范计算结果进行比较，提出设计优化建议。

a-刚性法兰；

b-柔性法兰。

1-16φ32配M30螺栓8.8级；

2-12φ25.5配M24螺栓8.8级；

3-加劲肋。

图1法兰连接节点示意

2有限元模型的建立

2.1几何模型

采用ABAQUS软件单元库中的C3D8实体单元对法兰盘连接节点进行有限元建模计算。

2.2本构模型

有限元分析中法兰连接板采用Q235B钢，屈服强度为210MPa，管材均采用Q345B钢，屈服强度为310MPa，泊松比为0.3，假定材料的本构关系为理想弹塑性模型，弹性模量为2.1×

105MPa，屈服准则服从vonMises屈服准则。

本文研究内容没有考虑焊缝以及残余应力对节点极限承载力的影响。

2.3有限元模型

采用实体建模方法，先建立模型的几何形状，再对几何实体进行网格划分产生节点和单元。

通过多次试算以及对几何模型的调整，有限元模型及网格划分如图2所示。

a-法兰连接几何模型;

b-法兰连接网格划分;

c-法兰端板;

d-螺栓网格划分。

图2有限元模型及网格划分

2.4约束及荷载施加

在法兰盘主杆底部施加Ux、Uy、Uz3个方向的线位移约束，在法兰盘主杆顶面圆心位置设一刚性点，并耦合各方向自由度，用以施加轴力和两个方向的弯矩，如图3所示。

a-耦合自由度；

b-施加约束。

图3模型约束

3有限元分析结果

笔者依托国内某750kV变电构架实际法兰盘节点做法及受力，利用有限元软件ABAQUS建立三维空间模型，对厚度30，26，22mm3种柱法兰及厚度28，24mm两种梁法兰在不同荷载工况下的受力分别计算，从节点的强度、变形两方面评价其安全性，为法兰盘的结构设计优化提供理论依据。

工程实际设计荷载工况详见表1，有限元模型中采用的试件尺寸见表2。

表1设计荷载工况

荷载工况设计荷载Fx/kNFy/kNFz/kNMx/（kN·

m）My/（kN·

m）Mz/（kN·

m）柱Fx最大2389-4.2-4.2-1.921.3-0.6法Fy最小2218-6.8-1.3-1.911.322.3兰My最大1235-1.7-17.4-0.237.3-7.2梁法兰15637.521.80.1-10.640.2

表2试件尺寸mm

试件编号法兰盘厚度外径内径加劲肋尺寸厚度8.8级螺栓ZFL-22柱法兰22584354200×

1201016M30ZFL-26柱法兰26584354200×

1201216M30ZFL-30柱法兰30584354200×

1201416M30LFL-28梁法兰28422222--12M24LFL-24梁法兰24422222--12M24

3.1柱法兰盘分析

通过有限元分析软件对3种柱法兰（ZFL-22、ZFL-26、ZFL-30）在3组工况（Fx最小、Fy最小、My最大）作用下分别进行受力及位移计算，计算结果见表3。

表3应力及变形计算结果

试件编号荷载工况应力/MPa局部应力峰值/MPa位移/mmx向y向z向Fx最小1772960.100.160.77ZFL-22Fy最小1412780.070.270.49My最大952800.030.200.30Fx最小1563000.090.160.71ZFL-26Fy最小1182750.070.250.45My最大722820.020.200.30Fx最小1343020.070.150.66ZFL-30Fy最小992860.070.240.42My最大71.52790.030.180.27

3种柱法兰（ZFL-22、ZFL-26、ZFL-30）的Mises应力和变形详见图4—图6。

a-Mises应力，MPa；

b-z方向变形，mm。

图4ZFL-22应力和变形（Fx最小）

图5ZFL-26应力和变形（Fy最小）

图6ZFL-30应力和变形（My最大）

从表3、图4-图6可以得出：

1）在Fx最小工况荷载作用下，法兰盘节点受力及变形值较大，为控制工况。

2）优化方案法兰厚度由原设计30mm减小到22mm，加劲肋厚度减小4mm后，法兰盘节点3个方向的位移值相差很小，试件整体应力分布及关键控制截面位置基本一致，节点安全可靠。

3）在Fx最小工况荷载作用下，原设计ZFL-30柱法兰板应力值约为134MPa，优化的ZFL-22柱法兰板应力值约为177MPa，仍处于弹性阶段；

加劲肋由原设计14mm减小为10mm，大多部位应力值较小，加劲板与钢管连接端部位置有应力集中现象。

试件整体应力分布及关键控制截面位置基本一致。

4）在Fx最小工况荷载作用下，ZFL-30柱法兰盘沿x方向位移0.07mm，沿y向位移0.15mm，主要发生在主杆与加劲肋连接边缘部位，沿z向位移0.66mm，主要为沿管壁z向的拉伸量；

ZFL-22柱法兰盘沿x方向位移0.1mm，沿y向位移0.16mm，主要发生在主杆与加劲肋连接端部，沿z向位移0.77mm，主要为沿管壁z向的拉伸量。

由以上数据可知，端板厚度减小8mm，加劲肋厚度减小4mm后，试件3个方向的位移值相差很小，变形位置基本一致。

3.2梁法兰盘分析

通过有限元分析软件对厚度24，28mm两种梁法兰（LFL-24、LFL-28）进行应力及位移计算，计算结果见表4。

表4应力及变形计算结果

试件编号应力/MPa位移/mmx向y向z向LFL-241710.770.260.63LFL-281580.760.250.61

两种梁法兰（LFL-24、LFL-28）的Mises应力和变形详见图7-图8。

图7LFL-24应力和变形

图8LFL-28应力和变形

从表4及图7-图8可以得出：

1）在荷载作用下，28mm厚与24mm厚梁法兰盘应力值相近，处于弹性阶段；

钢管与法兰板连接位置有应力集中现象，但分布面积较小；

螺栓及主杆大部分部位应力值较低，处于弹性工作状态。

梁法兰盘沿x、y、z向的位移也非常接近。

2）在设计荷载作用下，28mm和24mm两种法兰板厚度下梁法兰应力值均较小，且比较接近，法兰板厚度减小4mm对节点强度影响很小。

4有限元计算值与规范值对比

本文通过有限元计算得出梁、柱法兰的最大应力，并将有限元计算结果与现有规范进行比较，梁、柱法兰应力计算结果如表5所示。

表5应力有限元计算值与规范值的比较

试件编号有限元计算值/MPa规范计算值/MPa有限元计算值规范计算值ZFL-221771541.15柱法兰ZFL-261561251.25ZFL-301341031.30梁法兰LFL-241711661.03LFL-281581451.09

从表5可以看出,应力有限元计算值均大于规范计算值,且计算结果是偏于安全的。

构架梁法兰应力的有限元计算值与规范计算值接近,构架柱法兰应力的有限元计算值稍大于规范计算值，结果之间最大有20%的差别，从而也验证了现有规范计算刚性法兰偏于保守。

5结束语

通过对750kV格构式构架梁柱法兰盘节点的分析研究，得出如下结论：

1）ABAQUS提供的三维8结点实体单元C3D8可以有效模拟750kV格构式出线构架法兰盘连接节点的力学性能，有限元分析模型准确合理。

2）对柱法兰（刚性法兰）盘厚度及加劲肋厚度进行了优化，在同等的设计条件下。

可由原设计的30mm减小到22mm，加劲肋厚度可由原设计的14mm减小到10mm；

对梁法兰（柔性法兰）盘厚度进行了优化，在同等的设计条件下，可由原设计的28mm减小到24mm。

3）优化后的法兰盘均满足设计荷载作用下的强度、位移要求（满足规范的要求），安全可靠，为后续工程法兰盘的设计优化提供了理论依据。

参考文献：

[1]高湛，余欢，李华．500kV变电构架中刚、柔性法兰的有限元分析[J]．电力建设，2008，29

（2）：

32-26.

[2]宗亮，王元清，石永久，等．钢管结构法兰连接节点的应用与研究现状[J]．钢结构，2010，25（增刊）：

57-66.

[3]王元清，孙鹏，石永久．圆钢管法兰连接承载性能的有限元分析[J]．钢结构，2009，24（8）：

16-20．

[4]王炽欣，王浩．柔性法兰连接节点研究初探[J]．钢结构，2009，24（10）：

10-15，61．

[5]周卫，何敏娟，马人乐，等．500kV变电所架构柔性法兰的试验研究[J]．电力建设，2004，25

（1）：

24-26,32.

[6]GB50135—2006高耸结构设计规范[S]．

[7]DL/T5154—2012架空输电线路杆塔结构设计技术规定[S]．

[8]宗亮，王元清，石永久．钢管结构法兰连接节点现有设计方法比较分析[J]．四川建筑科学研究，2012，38

（2）：

18-22.