[摘要] 高杆照明法兰盘内孔尺寸大小对强度产生影响，随着内孔尺寸的增大，法兰的强度有所削弱，需要通过增加法兰厚度来满足强度要求。本文采用有限元对法兰盘内孔不同尺寸和法兰厚度不同进行分析计算，得出法兰内孔尺寸和法兰厚度相互关系，运用到工程实践中。
[关键词] 高杆照明 法兰盘 有限元模型 嵌套
引言
高杆照明的插接结构已经被广泛应用，比如30m高的杆体，通常采用3节11.5m左右的杆段套接而成，而底节上的底板，国外常规做法是在法兰盘的中央开设尺寸不大的流锌孔，不带加劲板，这样的结构简洁，且其抗疲劳寿命更容易保证。
对于出口的项目，集装箱运输成本占总成本比重很大。如果能够将多节杆段嵌套成一节进行装箱，可以大大降低运输成本，但是法兰盘内孔太小给套接带来困难，需要放大内孔来满足嵌套，但是放大法兰内孔会削弱法兰的强度，而且目前国内外规范中均没有针对底板内孔大小的计算方法。
本文运用Solidworks 3维建模，利用Solidworks自带的Simulation有限元分析模块进行分析，针对不同法兰内孔和不同法兰厚度进行计算，试图找出两者之间的相互关系。
一、单杆模型
（一）工程背景
本文以某城市高杆照明工程为背景，结构由3节杆段套接而成，底节杆与法兰盘焊接，并通过法兰盘安装到地脚螺栓上。杆高30m，杆底直径为φ1100mm，壁厚为8mm，材料为美标ASTM Gr65，屈服强度450MPa（高杆照明结构见图1），法兰盘厚度50mm，材料为美标ASTM Gr50屈服强度345MPa，36根M33地脚螺栓，材料为Q460C（基础细节图及杆段尺寸表见图2）。
（二）有限元模型
在有限元模型中，地脚螺栓露出地面190mm，法兰盘放置在地脚螺栓的调平螺母上，法兰底面距离地面75mm，法兰厚度50mm。杆体选取法兰向上10m的杆段参与计算，将杆体和顶部灯盘的载荷转换到杆段10m的位置。
二、模型计算
在Solidworks软件中，选择静应力分析模块，法兰和杆体之间采取焊接，法兰盘放置在地脚螺栓的调平螺母上固定，法兰底面距离地面75mm。采用实体单元，设置网格大小为80mm，杆高10m处的载荷等效为Fx=68670N，Fy=91715N,Mx=799560N.m。有限元模型，网格划分，法兰盘应力云图如图3所示。
（一）不同法兰盘内孔下的应力
此杆体底部直径对应标准法兰内孔为φ610mm，底节直径为φ1100mm，中间节底径为φ870mm，为了能够让中间节嵌套进底节中，必须扩大法兰盘的内孔到φ1000mm。如图4，法兰盘厚度为50mm，建立不同法兰内孔孔径的模型，然后添加载荷，划分网格计算法兰盘上的应力。从图5可以看出，当法兰盘厚度一定时，法兰盘内孔增大，法兰盘刚度变弱，应力增加。从表中可以看出，当法兰盘内孔从φ610mm增大到φ1000mm时，法兰盘应力从231MPa增加到287MPa，法兰盘内孔尺寸增加了64%，应力增加了24.2%（法兰盘厚度70mm时，应力增加32.4%）。
（二）不同法兰盘厚度下的应力
据上所述，随着法兰盘内孔增大，应力增加，因此需要增加法兰盘的厚度来增加其强度及刚度，从而降低法兰盘应力。如图6，建立法兰盘内孔径为φ1000mm，不同法兰盘厚度的模型，然后添加载荷，划分网格计算法兰盘上的应力。从图7可以看出，当法兰盘内孔一定时，厚度增加，刚度也增加，法兰盘应力减少。当法兰盘厚度从50mm增加到70mm时，应力从287MPa减少到225MPa，法兰盘厚度增加了40%，则应力减少27.6%（法兰盘内孔为800mm时，则应力减少23.4%）。
图6 不同法兰盘厚度计算模型
图7 不同法兰盘厚度下底板应力
三、结论
通过对多个工程实例进行对比分析，法兰盘应力的增减与法兰盘内孔和法兰厚度成线性关系，而且法兰盘内孔增大对法兰的应力的影响要小于厚度增加对法兰盘应力的影响。对于杆段需要嵌套的项目，在增大法兰盘内孔的同时，需要增加法兰的厚度，法兰盘厚度增加的幅度小于内孔增加幅动的10%-20%，具体厚度需要考虑标准板的厚度。
参考文献
[1] Eurocode 3: Design of steel structures-Part 1-9: Fatigue, BS EN 2002:23-25
[2] Standard Specification for Structural Supports for Highway Signs, Luminaires and Traffic Signals, Section 11: Fatigue Design, AASHTO 2001:14-22
[3] DS SolidWorks公司 著，陈超祥，胡其登, SolidWorks Simulation基础教程,2014