CN110159054A - 一种含预应力钢丝的钢管法兰结构及制作方法 - Google Patents

一种含预应力钢丝的钢管法兰结构及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种含预应力钢丝的钢管法兰结构、制作方法和制作的混凝土钢管结构及带肋钢管结构，包括：至少两个钢管本体1、法兰2、多个钢丝结构3和孔壁紧固件4；所述钢丝结构3通过所述孔壁紧固件4安装在所述钢管本体1内壁，用于将拉力传递至钢管本体1；所述钢管本体1之间通过所述法兰2固定连接。本发明中利用的钢丝结构的抗拉能力，将法兰节点承受的载荷力传递到钢管本体；通过设置钢丝结构，大幅度提高了法兰节点承载力，降低了法兰盘及螺栓的重量；利用填充物的抗压能力，增强了钢管本体的抗拉能力。

Description

一种含预应力钢丝的钢管法兰结构及制作方法
技术领域
本发明涉及输电塔设计领域，具体涉及一种含预应力钢丝的钢管法兰结构及制作方法。
背景技术
随着输电塔的高度和载荷的增大，传统的纯钢管主材输电塔已经不能满足需要。大型输电塔的高度大多在200米以上，钢管混凝土主材的直径也大于800mm。两根钢管主材之间的轴力需要通过螺栓传递。由于钢管直径厚壁厚都很大，导致法兰盘的壁厚及螺栓的直径和长度都很大。为了防止法兰盘加劲肋向法兰盘传递轴力时，法兰盘因厚度过大而发生层状撕裂，人们还设计出了双层法兰和内外双圈螺栓法兰，进一步增大了法兰的重量和价格。
同时，为了防止大口径钢管在运输过程中发生局部屈曲，并提高它的横截面及受压承载力，需要在钢管内部添加横向或纵向的加劲肋，但法兰盘的螺栓孔比较密集，很难保证钢管的每个纵向加劲肋位于两个螺栓孔之间的合理位置，且钢管内部焊接施工困难，大口径钢管和法兰板的刚度差异很大，纵向加劲肋与法兰盘焊接后的残余变形较大，导致很少将钢管的纵向加劲肋与法兰板焊接在一起。这样，法兰盘在最大承载力为不含纵向加劲肋横截面面积的钢管轴向受拉承载力，无法利用钢管纵向加劲肋的轴向承载力。目前，在某些工程中，纵向加劲肋的面积与钢管总面积之比超过15％，这是一个很大的浪费。
在钢管内部固定过多上述的结构，并不会增加钢管的轴向拉力，钢管的承载力仍全部积累在法兰结构周围，容易造成钢管结构的损坏。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的钢管的承载力仍全部积累在法兰结构周围，容易造成钢管结构的损坏，本发明提供一种含预应力钢丝的钢管法兰结构及制作方法。
本发明提供的技术方案是：一种钢管法兰结构，所述结构，包括：
至少两个钢管本体(1)、法兰(2)、多个钢丝结构(3)和孔壁紧固件(4)；
所述钢丝结构(3)通过所述孔壁紧固件(4)安装在所述钢管本体(1)内壁，用于将拉力传递至钢管本体(1)；
所述钢管本体(1)之间通过所述法兰(2)固定连接。
优选的，所述钢丝结构(3)，包括：
两条预应力钢丝和花篮螺丝；
所述花篮螺丝将两条所述预应力钢丝连接，用于将张紧所述预应力钢丝。
优选的，所述孔壁紧固件(4)为半圆球状，所述孔壁紧固件(4)的圆面上设置有连接件；
所述钢丝结构(3)通过所述连接件与所述孔壁紧固件(4)的圆面连接；
所述孔壁紧固件(4)的切面焊接在所述钢管本体(1)内壁的预设位置上，且固定安装在所述孔壁紧固件(4)上的所述钢丝结构(3)与所述钢管本体呈预设的安装角度；
所述钢丝结构(3)上有连接副件，配合所述孔壁固定件(4)上的连接件固定连接。
优选的，所述结构，还包括：填充物(7)，填充于所述钢管本体内部的腔体中。
优选的，所述填充物(7)为泡沫铝或混凝土。
优选的，还包括：填充物托盘(5)、托盘固定件(6)；
所述填充物托盘(5)通过托盘固定件(6)固定安装在所述孔壁紧固件(4)下方的预设位置，用于防止所述填充物(7)向下移动。
优选的，所述填充物托盘(5)为金属材质的圆形薄片，直径略小于所述钢管本体的内径；
所述填充物托盘(5)通过所述托盘固定件(6)固定安装在所述钢管本体(1)内壁的预设位置。
优选的，还包括：防渗漏层；
所述防渗漏层由防水材料构成，铺设在所述填充物托盘上。
优选的，所述连接件为锁扣。
优选的，钢丝结构的数量由所述钢管本体(1)所需承受的总拉力和所述法兰的螺栓个数确定。
一种钢管法兰制作方法，包括：
根据法兰(2)的位置，确定所述孔壁紧固件(4)在所述钢管本体(1)内部的焊接点，并进行焊接；
将多个钢丝结构(3)焊接在所述孔壁紧固件(4)上，并通过法兰(2)将所述钢管本体(1)连接。
优选的，所述将多个钢丝结构(3)焊接在所述孔壁紧固件(4)上，包括：
将预留富余长度的两段预应力钢丝结构(3)的一端分别焊接在配对的所述孔壁紧固件(4)的圆面的锁扣上；另一端由花篮螺丝将两段预应力钢丝结构(3)连接；
以预设倍数的预应力钢丝的屈服强度，通过花篮螺丝拉紧两段所述预应力钢丝。
优选的，所述将多个钢丝结构(3)焊接在所述孔壁紧固件(4)上，之后还包括：
在预设位置的钢管本体(1)内壁上通过托盘固定件(6)固定焊接填充物托盘(5)；
向钢管本体内部的腔体中灌注填充物(7)，养护至凝固。
优选的，通过下式计算所述钢丝结构(3)的数量：
其中：N1为所述钢丝结构(3)的数量，F为钢管本体(2)的总拉力，n1为螺栓的个数，FB为预先获取的单个螺栓的承载力；fy为预应力钢丝的设计强度，θ为预先设定的钢丝结构(3)与钢管本体(2)轴线的夹角，fp为预设获取的钢丝上的预应力；
通过下式计算所述孔壁紧固件(4)的数量：
N2＝2N1
其中，N2为所述孔壁紧固件(4)的数量。
优选的，所述根据法兰(2)的位置，确定所述孔壁紧固件(4)在所述钢管本体(1)内部的焊接点，包括：
将所述钢丝结构与所述钢管本体(2)内壁形成的角度为30度且距离所述法兰(2)连接处的预设位置，设置为所述孔壁紧固件(4)的焊接点。
一种钢管法兰制作方法制作的混凝土钢管，包括：
至少两个混凝土钢管本体、法兰、多个钢丝结构、孔壁紧固件和混凝土填充物；
所述钢丝结构通过所述孔壁紧固件安装在所述混凝土钢管本体内壁，用于将拉力传递至混凝土钢管本体；
所述混凝土填充物充满所述混凝土钢管本体；
所述混凝土钢管本体之间通过所述法兰固定连接。
一种钢管法兰制作方法制作的带肋钢管结构，包括：
至少两个带肋钢管本体、法兰、多个钢丝结构、孔壁紧固件、填充物托盘，托盘紧固件和泡沫铝填充物；
所述钢丝结构通过所述孔壁紧固件安装在所述带肋钢管本体内壁，用于将拉力传递至带肋钢管本体；
所述填充物托盘通过所述托盘紧固件安装在所述带肋钢管本体内壁的预设位置，形成腔体；
所述泡沫铝填充物充满所述腔体；
所述带肋钢管本体之间通过所述法兰固定连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的技术方案,包括:至少两个钢管本体(1)、法兰(2)、多个钢丝结构(3)和孔壁紧固件(4)；所述钢丝结构(3)通过所述孔壁紧固件(4)安装在所述钢管本体(1)内壁，用于将拉力传递至钢管本体(1)；所述钢管本体(1)之间通过所述法兰(2)固定连接。本发明中利用的钢丝结构的抗拉能力，将法兰节点承受的载荷力传递到钢管本体，分担了法兰螺栓的拉力，大幅度提高了法兰节点承载力，增强了钢管本体的抗拉能力。
附图说明
图1为本发明的含预应力钢丝的钢管法兰结构示意图；
图2为本发明的钢管法兰机构中的法兰示意图；
图3为本发明的钢丝结构的结构示意图；
其中，1-钢管本体，2-法兰，3-钢丝结构，4-孔壁紧固件，5-填充物托盘，6-托盘固定件，7-填充物，8-预应力钢丝，9-花篮螺丝。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
实施例1：
本发明提供的技术方案包含了预应力钢丝及内部填充物的钢管法兰节点。该法兰充分利用了预应力钢丝的抗拉能力和填充物的抗压能力，相对于不加预应力钢丝的法兰节点，本节点中的增加预应力钢丝，预应力钢丝分担了法兰螺栓的拉力，大幅度提高了法兰节点承载力，降低了法兰盘及螺栓的重量。特别要指出的是：对于含纵向加劲肋钢管，使用该法兰后，可充分利用纵向加劲肋的轴拉强度，具体的，本发明提供的钢管法兰结构，如图1所示，包括：
钢丝结构3：如图3所示，
预应力钢丝的主要目的是为了分担法兰螺栓上的轴力。在两段预应力钢丝8的中间添加花篮螺丝9，旋转花篮螺丝9即可张紧预应力钢丝8，采用花篮螺丝9将预应力钢丝8拧紧以施加预应力，预应力太大会导致预应力钢丝强度的浪费，并导致钢管本体1管壁变形，预应力太小会导致钢管本体1与预应力钢丝8无法协同受力，所以取0.15倍的预应力钢丝8的屈服强度。
由于现有的法兰盘的螺栓孔比较密集，很难保证钢管的每个纵向加劲肋位于两个螺栓孔之间的合理位置，因此导致的钢管内部焊接施工困难，通过预应力钢丝8和花篮螺丝9制作的钢丝结构3，通过拧紧花篮螺丝9进行内部施力，有效避免了在钢管内部增加加劲肋的传统方法导致的施工困难难题，操作简单，且能有效将法兰2出的承载力通过钢丝结构3的拉力分散到钢管本体。
钢丝结构3的数量由下式确定：
其中：N1为所述钢丝结构3的数量，F为钢管本体2的总拉力，n1为螺栓的个数，FB为预先获取的单个螺栓的承载力；fy为预应力钢丝的设计强度，θ为预先设定的钢丝结构3与钢管本体2轴线的夹角，fp为预设获取的钢丝上的预应力；
通过下式计算所述孔壁紧固件4的数量：
N2＝2N1
其中，N2为所述孔壁紧固件4的数量。
钢丝结构3中预应力钢丝8的数量与孔壁紧固件4的数量相等。
在预应力施加完毕后，浇筑混凝土或泡沫铝，花篮螺丝9作为结构的一部分，永久留在填充物7中。
孔壁紧固件4：孔壁紧固件4主要是为了将传递预应力钢丝8的拉力传递至钢管本体1的管壁。孔壁紧固件4为一个焊接在钢管本体1的管壁上的半圆，预应力钢丝8上设置有与锁扣配合安装的副锁扣，连接在孔壁紧固件4上。法兰两侧的钢管上，孔壁紧固件4的数量等于预应力钢丝8的数量；孔壁紧固件4设置在距离法兰2两侧的合理位置，保证钢丝结构3在拉紧后与钢管本体1的轴线的夹角θ在30度左右，该角度太大则钢丝结构3的强度不能重复发挥，太小会导致浇筑的填充物太多，不经济。
由于传统的大口径钢管和法兰板的刚度差异很大，导致纵向加劲肋与法兰盘焊接后的残余变形较大，导致很少将钢管的纵向加劲肋与法兰板焊接在一起。而通过设置孔壁紧固件4，在钢管内壁设置钢丝结构3，有效的在钢管内壁施加了拉力，且将法兰2的承载力分散至钢管内壁。
法兰2，如图2所示。
填充物托盘5及托盘固定件6：填充物托盘5为一个圆形薄钢板或者铝板，直径比钢管本体1内径略小，能承受钢管中填充物的重量，保证填充物停留在合理位置即可，填充物托盘5位于孔壁紧固件4下方，推荐位于其下方的5cm处。填充物托盘5仅在法兰2下侧钢管中设置，在上侧钢管中不必设置。为了防止填充物在未凝固时通过托盘和钢管管壁的缝隙发生泄漏，在托盘上面可铺设一层防渗漏的塑料纸。
本实施例通过钢丝结构3分担钢管法兰中螺栓的轴力，减轻螺栓和法兰盘的载荷，提高法兰的承载力；通过钢管内部填充承担预应力钢丝通过管壁紧固件施加在钢管本体1管壁的压力。因此，该法兰的轴向承载力为螺栓承载力与预应力钢丝8承载力之和，大大提高了法兰的承载力。
实施例2：
本发明还提供了一种汉语盈利钢丝的钢管法兰结构的制作方法，包括：
S1：通过下式计算所述钢丝结构3的数量：
其中：N1为所述钢丝结构3的数量，F为钢管本体2的总拉力，n1为螺栓的个数，FB为预先获取的单个螺栓的承载力；fy为预应力钢丝的设计强度，θ为预先设定的钢丝结构3与钢管本体2轴线的夹角，fp为预设获取的钢丝上的预应力；
通过下式计算所述孔壁紧固件4的数量：
N2＝2N1
其中，N2为所述孔壁紧固件4的数量。
S2：根据法兰2的位置，确定所述孔壁紧固件4在所述钢管本体1内部的焊接点，并进行焊接；
在距离法兰2两侧的合理位置焊接紧固件，保证钢丝结构3在拉近后与钢管本体1的轴线的夹角θ在30度左右，该角度太大则钢丝结构的强度不能重复发挥，太小会导致浇筑的填充物太多，不经济；
孔壁紧固件4主要是为了将钢丝结构3的拉力传递至钢管本体1管壁。孔壁紧固件4为一个焊接在钢管管壁上的半圆，钢丝结构可通过锁扣连接在该紧固件上。
之后还包括:将填充物托盘5设置在钢管本体1内壁：
填充物托盘5为一个圆形薄钢板或者铝板，直径比钢管本体1内径略小，能承受钢管中填充物的重量，保证填充物7停留在合理位置即可，填充物托盘5位于孔壁紧固件4下方，推荐位于其下方的5cm处。填充物托盘5仅在法兰下侧钢管中设置，在上次钢管中不必设置。为了防止填充物在未凝固时通过托盘和钢管管壁的缝隙发生泄漏，在托盘上面可铺设一层防渗漏的塑料纸；
S3：将多个钢丝结构3固定焊接在所述孔壁紧固件4上，并通过法兰2将所述钢管本体1连接。
将预留富余长度的两段预应力钢丝结构3的一端分别焊接在配对的所述孔壁紧固件4的圆面的锁扣上；另一端由花篮螺丝将两段预应力钢丝结构3连接，构成钢丝结构；
以预设倍数的预应力钢丝的屈服强度，通过花篮螺丝拉紧两段所述预应力钢丝；
采用花篮螺丝9将预应力钢丝8拧紧以施加预应力，预应力太大会导致预应力钢丝强度3的浪费，并导致钢管管壁变形，预应力太小会导致钢管与预应力钢丝无法协同受力，建议取0.15倍的预应力钢丝的屈服强度。
之后还包括：向钢管本体内部的腔体中灌注填充物7，养护至凝固。
实施例3：
本实施例提供了一种钢管法兰制作方法制作的混凝土钢管，包括：
至少两个混凝土钢管本体、法兰、多个钢丝结构、孔壁紧固件和混凝土填充物；
所述钢丝结构通过所述孔壁紧固件安装在所述混凝土钢管本体内壁，用于将拉力传递至混凝土钢管本体；
所述混凝土填充物充满所述混凝土钢管本体；
所述混凝土钢管本体之间通过所述法兰固定连接。
实施例4：
本实施例提供了一种钢管法兰制作方法制作的带肋钢管结构，包括：
至少两个带肋钢管本体、法兰、多个钢丝结构、孔壁紧固件、填充物托盘，托盘紧固件和泡沫铝填充物；
所述钢丝结构通过所述孔壁紧固件安装在所述带肋钢管本体内壁，用于将拉力传递至带肋钢管本体；
所述填充物托盘通过所述托盘紧固件安装在所述带肋钢管本体内壁的预设位置，形成腔体；
所述泡沫铝填充物充满所述腔体；
所述带肋钢管本体之间通过所述法兰固定连接。
显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (17)

1.一种钢管法兰结构，其特征在于，所述结构，包括：
至少两个钢管本体(1)、法兰(2)、多个钢丝结构(3)和孔壁紧固件(4)；
所述钢丝结构(3)通过所述孔壁紧固件(4)安装在所述钢管本体(1)内壁，用于将拉力传递至钢管本体(1)；
所述钢管本体(1)之间通过所述法兰(2)固定连接。
2.如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述钢丝结构(3)，包括：
两条预应力钢丝和花篮螺丝；
所述花篮螺丝将两条所述预应力钢丝连接，用于将张紧所述预应力钢丝。
3.如权利要求1所述的结构，其特征在于，
所述孔壁紧固件(4)为半圆球状，所述孔壁紧固件(4)的圆面上设置有连接件；
所述钢丝结构(3)通过所述连接件与所述孔壁紧固件(4)的圆面连接；
所述孔壁紧固件(4)的切面焊接在所述钢管本体(1)内壁的预设位置上，且固定安装在所述孔壁紧固件(4)上的所述钢丝结构(3)与所述钢管本体呈预设的安装角度；
所述钢丝结构(3)上有连接副件，配合所述孔壁固定件(4)上的连接件固定连接。
4.如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述结构，还包括：填充物(7)，填充于所述钢管本体内部的腔体中。
5.如权利要求4所述的结构，其特征在于，
所述填充物(7)为泡沫铝或混凝土。
6.如权利要求4所述的结构，其特征在于，还包括：填充物托盘(5)、托盘固定件(6)；
所述填充物托盘(5)通过托盘固定件(6)固定安装在所述孔壁紧固件(4)下方的预设位置，用于防止所述填充物(7)向下移动。
7.如权利要求6所述的结构，其特征在于，
所述填充物托盘(5)为金属材质的圆形薄片，直径略小于所述钢管本体的内径；
所述填充物托盘(5)通过所述托盘固定件(6)固定安装在所述钢管本体(1)内壁的预设位置。
8.如权利要求6所述的结构，其特征在于，还包括：防渗漏层；
所述防渗漏层由防水材料构成，铺设在所述填充物托盘上。
9.如权利要求3所述的结构，其特征在于，
所述连接件为锁扣。
10.如权利要求1所述的结构，其特征在于，
钢丝结构的数量由所述钢管本体(1)所需承受的总拉力和所述法兰的螺栓个数确定。
11.一种钢管法兰制作方法，其特征在于，包括：
根据法兰(2)的位置，确定所述孔壁紧固件(4)在所述钢管本体(1)内部的焊接点，并进行焊接；
将多个钢丝结构(3)焊接在所述孔壁紧固件(4)上，并通过法兰(2)将所述钢管本体(1)连接。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述将多个钢丝结构(3)焊接在所述孔壁紧固件(4)上，包括：
将预留富余长度的两段预应力钢丝结构(3)的一端分别焊接在配对的所述孔壁紧固件(4)的圆面的锁扣上；另一端由花篮螺丝将两段预应力钢丝结构(3)连接；
以预设倍数的预应力钢丝的屈服强度，通过花篮螺丝拉紧两段所述预应力钢丝。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述将多个钢丝结构(3)焊接在所述孔壁紧固件(4)上，之后还包括：
在预设位置的钢管本体(1)内壁上通过托盘固定件(6)固定焊接填充物托盘(5)；
向钢管本体内部的腔体中灌注填充物(7)，养护至凝固。
14.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，通过下式计算所述钢丝结构(3)的数量：
其中：N1为所述钢丝结构(3)的数量，F为钢管本体(2)的总拉力，n1为螺栓的个数，FB为预先获取的单个螺栓的承载力；fy为预应力钢丝的设计强度，θ为预先设定的钢丝结构(3)与钢管本体(2)轴线的夹角，fp为预设获取的钢丝上的预应力；
通过下式计算所述孔壁紧固件(4)的数量：
N2＝2N1
其中，N2为所述孔壁紧固件(4)的数量。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述根据法兰(2)的位置，确定所述孔壁紧固件(4)在所述钢管本体(1)内部的焊接点，包括：
将所述钢丝结构与所述钢管本体(2)内壁形成的角度为30度且距离所述法兰(2)连接处的预设位置，设置为所述孔壁紧固件(4)的焊接点。
16.一种按照权利要求11-15任意一种钢管法兰制作方法制作的混凝土钢管，其特征在于，包括：
至少两个混凝土钢管本体、法兰、多个钢丝结构、孔壁紧固件和混凝土填充物；
所述钢丝结构通过所述孔壁紧固件安装在所述混凝土钢管本体内壁，用于将拉力传递至混凝土钢管本体；
所述混凝土填充物充满所述混凝土钢管本体；
所述混凝土钢管本体之间通过所述法兰固定连接。
17.一种按照权利要求11-15任意一种钢管法兰制作方法制作的带肋钢管结构，其特征在于，包括：
至少两个带肋钢管本体、法兰、多个钢丝结构、孔壁紧固件、填充物托盘，托盘紧固件和泡沫铝填充物；
所述钢丝结构通过所述孔壁紧固件安装在所述带肋钢管本体内壁，用于将拉力传递至带肋钢管本体；
所述填充物托盘通过所述托盘紧固件安装在所述带肋钢管本体内壁的预设位置，形成腔体；
所述泡沫铝填充物充满所述腔体；
所述带肋钢管本体之间通过所述法兰固定连接。
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