1. 引言
在通信行业铁塔建设中，单管塔与格构式钢塔相比，具有体形优美、节省空间资源、塔体受风面积小等优势被普遍采用。内法兰节点为连接单管塔节段的常用节点之一，随着单管塔上部天线荷载的增加，由于内法兰节点承载能力不足而导致的倒塔事故时有发生，例如：2016年3月某单管塔因第二塔段内法兰螺栓发生断裂，导致单管塔发生倒塌[1]。因此对单管塔内法兰节点进行加固显得尤为重要。
目前常用的提高钢结构承载能力的加固方法有：粘贴钢板加固法、焊接加固法、粘贴纤维增强复合材料加固法、组合加固法、预应力加固法、连接和节点加固法等[2]。
内法兰节点通常位于距离地面10 m左右，施工条件较差，如果进行高空焊接加固无法保证焊接质量；对于粘贴钢板加固单管塔内法兰节点的加固方式，由于钢板自重较大，搬运和安装需要重型器械配合，高空作业环境会增大施工难度；碳纤维板因为材质轻盈、强度高、施工便利等优点被广泛运用在加固领域，适合用于单管塔内法兰节点加固。
近年来国内已有多位学者对碳纤维板加固钢结构进行研究，2023年孙书生和卢岩[3]建立有限元模型探究碳纤维板层数对H型钢梁抗弯的影响，得出粘贴碳纤维板层数不得超过3层的结论；2024年朱佩云等[4]通过试验和有限元建模分析研究剪力滞对碳纤维板加固钢梁的影响；2025年张鹏旭[5]采用ABAQUS有限元建模软件对碳纤维板加固钢梁进行有限元建模分析，研究梁的剪跨比、跨高比等因素对加固梁的界面剥离及剥离抗力的影响。
本文提出在单管塔内法兰节点外侧粘贴碳纤维板的加固方式，并制作了三个内法兰节点模型，分别为替换段A：未加固内法兰节点，替换段B：粘贴碳纤维板加固内法兰节点；替换段C：粘贴钢板加固内法兰节点。本文分别对三个内法兰节点模型进行静力加载试验，通过对比替换段A及替换段B验证粘贴碳纤维板加固内法兰节点的有效性，通过观察替换段B及替换段C对比粘贴碳纤维板和粘贴钢板的协同受力情况。
2. 试验塔模型设计及制作
试验塔为正十六边型，外接圆直径600 mm，共12.7 m高，分为三段，其中位于中间的塔段为可替换段，共2.2 m长，通过上下两个外法兰实现可替换，替换段的位置见图1，试验塔顶部设置t = 8 mm拉耳方便加载拉线的固定，顶部水平力到内法兰节点中间的距离为10.0 m，底部设有底法兰与基础相连。
Figure 1. Elevation of test monopole
图1. 试验单管塔立面图
替换段上下两端通过外法兰节点F1、F3与其余部分相连，内法兰节点F2为本次加固对象。经过设计，F1及F3的节点承载能力为F2的1.73倍，确保试验模型加载过程中外法兰节点F1及F3不会先于F2发生破坏，法兰相关信息见表1。
Table 1. Parameters of flanges
表1. 法兰参数
法兰编号 |
法兰外径(mm) |
法兰中径(mm) |
法兰内径(mm) |
法兰板厚(mm) |
螺栓规格 |
螺栓数量 |
螺栓等级 |
F1 |
760 |
680 |
600 |
16 |
M16 |
16 |
10.9级 |
F2 |
600 |
520 |
440 |
16 |
M16 |
16 |
8.8级 |
F3 |
760 |
680 |
600 |
16 |
M16 |
16 |
10.9级 |
试验共制作三个替换段，分别为替换段A (未加固段)、替换段B (粘贴碳纤维加固段)、替换段C (粘贴钢板加固段)。
2.1. 替换段A
替换段A未进行任何加固处理，替换段A见图2，替换段A法兰信息见表1。其余替换段均为在替换段A的基础上进行加固。
Figure 2. Replace section A
图2. 替换段A
2.2. 替换段B
替换段B内法兰节点处粘贴8根1200 mm长碳纤维板进行加固，碳纤维板规格为2.0 mm厚，100 mm宽，在内法兰节点附近碳纤维板外侧粘贴4道环向碳纤维布来防止碳纤维板张开脱胶，其中每道环向碳纤维布粘贴两层，每层碳纤维布厚度0.167 mm，宽100 mm，碳纤维布中心线间隔150 mm，以内法兰节点接缝处为对称轴对称布置，替换段B见图3。
Figure 3. Replace section B
图3. 替换段B
2.3. 替换段C
替换段C内法兰节点处粘贴8根1200 mm长钢板进行加固，粘贴加固流程同碳纤维板加固施工流程，胶采用粘钢胶，钢板材料为Q355B，规格为1.4 mm厚，100 mm宽，在内法兰节点附近钢板外侧粘贴4道环向碳纤维布来防止钢板张开脱胶，其中每道环向碳纤维布粘贴两层，每层碳纤维布厚度0.167 mm，宽100 mm，碳纤维布中心线间隔150 mm，以内法兰节点接缝处为对称轴对称布置，替换段C见图4。
Figure 4. Replace section C
图4. 替换段C
3. 试验数据及分析
3.1. 传感器布置
为了测量内法兰节点处螺栓受力情况，共布置6个螺栓测力计并对其进行编号，其中螺栓测力计1、螺栓测力计2，布置在内法兰螺栓最大拉力处；螺栓测力计6布置在螺栓最小压力处；螺栓测力计3~5布置在中间的位置，间隔布置；试验内法兰节点处螺栓测力计布置示意见图5。
Figure 5. Senser placement
图5. 传感器布置
定义靠近加载方向的一侧筒体为受压侧，远离加载方向的一侧为受拉侧。替换段B受拉侧及受压侧筒体应变片布置见图6；替换段C应变片布置位置同替换段B；替换段A应变片布置仅包括：受拉侧筒体应变片1、受拉侧筒体应变片2、受压侧筒体应变片1。
Figure 6. Strain gauge placement
图6. 应变片布置
3.2. 试验数据分析
图5中由于存在两个拉力最大螺栓：螺栓1和螺栓2，为了减少由于加载方向误差引起的螺栓最大拉力测量不准确，选取两个最大受力螺栓的平均值作为试验得到的内法兰螺栓受力的最大值。试验荷载作用下三个替换段的螺栓最大拉力见图7。
Figure 7. Maximum pulling force of bolt
图7. 螺栓最大拉力
从图7最大螺栓拉力减少程度来看，粘贴钢板加固后的内法兰节点即替换段C螺栓最大拉力减少更多，但观察图8替换段C的荷载–应变曲线，在试验荷载加载至180 kN∙m时，内法兰节点处最大螺栓拉力为25.86 kN，远未达到螺栓承载能力设计值62.80 kN，受拉侧钢板已经屈服破坏，表明粘贴钢板加固内法兰节点后，钢板与内法兰节点之间不能较好地协同工作。
粘贴碳纤维板加固后，在150 kN∙m的试验荷载作用下，内法兰节点螺栓受力从56.5 kN降至36.0 kN，内法兰节点处最大螺栓拉力减少36.3%。
Figure 8. Load-strain curve of replace section C
图8. 替换段C荷载–应变曲线
Figure 9. Load-strain curve of replace section B
图9. 替换段B荷载–应变曲线
根据图9中替换段B的荷载–应变曲线可以看到，拉侧碳纤维板应变随着试验荷载均匀增加，并且碳纤维板在内法兰螺栓力达到0.8倍的螺栓承载能力设计值时，节点未发现明显破坏，碳纤维板与内法兰节点能够较好地协同工作。
4. 试验结果
本文对三个内法兰节点模型的加载试验，分析试验数据得出以下结论：
1) 粘贴碳纤维板加固后，内法兰节点模型螺栓最大受力减少36.3%，能够显著降低单管塔内法兰节点的螺栓受力，加固效果显著。
2) 粘贴钢板加固后，内法兰节点模型螺栓最大受力能够显著降低，但钢板与内法兰节点不能较好地协同工作。
3) 与粘贴钢板加固相比，粘贴碳纤维板加固内法兰节点后，碳纤维板能够更好地与内法兰节点协同工作。
本文研究仍存在一定的局限性，研究结果仅针对单个内法兰节点试件，结果有待重复性验证；本文仅对比静力荷载作用下粘贴碳纤维板加固内法兰节点的加固效果，未来考虑进一步探究粘贴碳纤维板对单管塔内法兰节点抗疲劳性能的影响；粘贴碳纤维板厚度、碳纤维板数量、碳纤维板长度对单管塔内法兰节点的承载能力及抗疲劳性能的影响需未来进一步研究。