壓力管道總論及明鋼管——水電站.ppt

電站整體示意圖 第三章 壓力管道總論及 明鋼管 v3.1 壓力管道的功用和類型 v3.2 壓力管道的供水方式與水力計(jì)算 v3.3 鋼管的材料、容許應(yīng)力和管身構(gòu)造 v3.4 明鋼管線路選擇和布置 v3.5 鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)分析 v3.6 明鋼管閘門、閥門和附件 v3.7 明鋼管的管身應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) v3.8 明鋼管的抗外壓失穩(wěn)計(jì)算 3.1 壓力管道的功用和類型 水輪機(jī) 水庫 引水管道末端的前池 調(diào)壓室 有壓狀態(tài) 全部或大 部分水頭 v壓力管道的概念 對壩式電站，壓力管道的起點(diǎn)一般是水庫進(jìn)水口 ；對無壓引水式的電站，壓力管道的起點(diǎn)一般是 壓力前池；對有壓引水式電站，壓力管道的起點(diǎn) 一般是從調(diào)壓室開始。 壩式水電站 無壓引水式水電站 壓力管道 壓力管道 有壓引水式水電站 調(diào)壓室 坡度陡 承受電站的最大水頭，且承受水錘產(chǎn)生的動 水壓力比較大。 靠近廠房，因此它必須是安全可靠的，萬一 出現(xiàn)事故，將直接危及廠房安全。 基于以上特點(diǎn)，壓力管道的經(jīng)濟(jì)性和安全性在 水電站設(shè)計(jì)過程中受到特別重視。 v壓力管道的特點(diǎn) v壓力管道的基本參數(shù) 壓力管道的主要荷載是內(nèi)水壓力，在工程上 ，管道內(nèi)徑 D(m) 和水頭 H(m) 及其乘積 HD(m2)值是標(biāo)志壓力管道規(guī)模及其技術(shù)難度 的最重要特征值。 隨著國內(nèi)外越來越多的大型常規(guī)電站和抽水 蓄能電站的興建，管道的HD值急劇增長，壓 力管道日益向著巨型化和超巨型化發(fā)展。 三峽工程，壩式電站，D12.4m，H140m ，HD1730m2； 山西西龍池抽水蓄能電站D3.5m，H1015m ，HD3552m2； 國外HD值最高的出現(xiàn)在抽水蓄能電站，已超過5000m2） 按材料分 按布置方式分 v壓力管道的類型 露天式（明鋼管） 地下式（地下埋管） 混凝土壩身管 鋼管 鋼筋混凝土管 鋼襯鋼筋混凝土管壓 力 管 道 中高水頭電站 中小型電站 HD值較大電站 木管應(yīng)用較少 木管 鋼筋混凝土管 鋼管管節(jié) 明管 (exposed penstock)：暴露在空氣中， 一般在引水式地面廠房電站中采用。 按照材料的不同，明管可分為： a鋼管,白山二期電站的壓力管道 b鋼筋混凝土管：普通鋼筋混凝土管因易于 開裂，在工程中應(yīng)用很少，一般只用在HD值 50m2的電站。 c鋼襯鋼筋混凝土管：鋼襯與外包鋼筋混凝 土聯(lián)合承載，可減小鋼襯厚度；按限裂設(shè)計(jì)，充 分發(fā)揮鋼筋作用，適用于HD值較大的電站。云南 的依薩河電站是我國第一個(gè)采用地面式鋼襯鋼筋 混凝土管的電站。 明 管 示 意 圖 為了使管壁受力 均勻，支座處管 壁加支承環(huán)； 為保持鋼管抗外 壓穩(wěn)定，有時(shí)在 支承環(huán)間加設(shè)加 勁環(huán)。 地下埋管 (underground penstock) ：埋藏 于地下巖層中的鋼管，它可以是斜的，垂直的， 因此也被稱為斜井，豎井。 地下埋管是大中型水電站中應(yīng)用最多的一種 壓力管道。目前，國內(nèi)外裝機(jī)容量為100萬kW以 上的常規(guī)水電站和抽水蓄能電站中，大部分采用 了地下埋管。 特點(diǎn)：這種管道布置靈活，能和圍巖共同承 擔(dān)水壓力，并且運(yùn)行不受干擾，維護(hù)簡單。但是 在地下水壓較大的地方，管道受外壓失穩(wěn)的威脅 比較大，因此對地下埋管一般需要進(jìn)行襯砌。 地下埋管示意圖 按照襯砌形式的不同，將地下埋管分為以下四類： 分類適用條件應(yīng)用情況工程實(shí)例 不襯砌地質(zhì)條件很好 在挪威應(yīng) 用的較多 廣西天湖水電站 壓力豎井和斜井 噴錨或鋼筋 混凝土襯砌 地質(zhì)條件稍差 在抽水蓄 能電站中 廣蓄和天荒坪抽 水蓄能電站 鋼襯+回填 混凝土 地質(zhì)條件很差， 對防滲要求較高 應(yīng)用比 較廣泛 二灘水電站和魯 布革水電站 鋼襯鋼筋混 凝土襯砌 地質(zhì)條件稍差， 施工非常復(fù)雜 工程中很 少應(yīng)用 在國內(nèi)只有天生 橋電站中采用 混凝土壩身管 ：這種管道形式一 般依附于壩身，并且在混凝土壩后式水電 站中應(yīng)用非常廣泛。 特點(diǎn)：它由于進(jìn)水口設(shè)于壩體，結(jié)構(gòu) 緊湊簡單，因此引水長度最短，水頭損失 小，機(jī)組調(diào)節(jié)保證條件好。但是管道的安 裝會干擾壩體施工，同時(shí)，壩內(nèi)埋管空腔 會削弱壩體，使壩體應(yīng)力惡化。 混凝土壩身管按照管道在壩身上的不同 位置，可以分為以下三類： a壩內(nèi)埋管 (penstock embedded in dam) b壩上游面管 (penstock laid on upstream surface of dam) c壩下游面管 (penstock laid on downstream surface of dam) 布置在壩體內(nèi)部,多為壩后式或壩內(nèi)式廠房采 用。布置型式有豎井式和斜井式。工程實(shí)例：直 徑最大的是廣西紅水河巖灘電站鋼管，d=10.8m。 壩內(nèi)埋管 壩后式廠房壩內(nèi)式廠房 管道大部分位 于水庫內(nèi)，檢修 維護(hù)很困難，在 國內(nèi)工程中很少 使用，比較典型 的是伊朗的卡比 爾水電站。 壩上游面管 由于進(jìn)水口較 高，減少了對壩 體的削弱，同時(shí) 有利于保持大壩 的整體性，因此 在工程中應(yīng)用很 廣泛。在我國東 江和緊水灘水電 站都采用了這種 型式。 壩下游面管 按布置方式分分類 明管：暴露在空氣中 (無壓引水式電站) 鋼管 鋼筋混凝土管 鋼襯鋼筋混凝土管 地下埋管: 埋入巖體。 (超過100萬kW 以上的常規(guī)水電站 和抽水蓄能電站) 不襯砌 噴錨或混凝土襯砌 鋼襯+回填混凝土 鋼襯鋼筋混凝土襯砌 混凝土壩身管： 依附于壩身 (混凝土重力壩及重力拱壩) 壩內(nèi)管道 壩上游面管 壩下游面管 v壓力管道類型小節(jié) 管道與廠房的相對位置主要取決于整 個(gè)廠區(qū)樞紐布置中各建筑物的布置情況， 另外水電站機(jī)組往往不止一臺，壓力管道 可能有一根或數(shù)根，壓力管道向機(jī)組的供 水常有這樣三種類型 ： 3. 壓力管道的供水方式與水力計(jì)算 v壓力管道的供水方式 v壓力管道的供水方式 單元供水 聯(lián)合供水 分組供水 1單元供水：一管一機(jī)。機(jī)組前不設(shè)快速閥門。 v優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單(無岔管)、工作可靠、靈活性好 ，易于制作 v缺點(diǎn)：相同水頭損失下，造價(jià)較高 v布置：平面尺寸大，與前室、調(diào)壓室連接困難 v適用：(1) 單機(jī)流量大、長度短的地下埋管或明管 ； (2) 混凝土壩內(nèi)管道 v壓力管道的供水方式 2聯(lián)合供水： 一根主管，向多臺機(jī)組供水。單機(jī)規(guī)模大，多分 岔管。機(jī)組前設(shè)快速閥門。 v優(yōu)點(diǎn)：相同水頭損失下，造價(jià)較低 v缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜（岔管）、靈活性差 v布置：較容易 v適用：廣泛應(yīng)用于地下埋管和明管，機(jī)組數(shù)較 少、單機(jī)流量較小、引水道較長。 v壓力管道的供水方式 v壓力管道的供水方式 2分組供水： 設(shè)多根主管，每根主管向數(shù)臺機(jī)組供水。單管規(guī) 模適中，少分岔管。設(shè)快速閥門。 v造價(jià)：介于前兩種之間 v布置：介于前兩種之間 v適用：廣泛應(yīng)用于地下埋管和明管。壓力水管 較長，機(jī)組臺數(shù)多，單機(jī)流量不大的情況。 供水方式選定以后，每條管道通過的流 量也隨之確定，接著應(yīng)對管道直徑進(jìn)行 選擇。 由于管道費(fèi)用較高，直徑越小，管道用 材及造價(jià)越低，但管中流速越大，水頭 損失與發(fā)電損失也越大。因此管道直徑 應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較選定。 v壓力管道直徑的選擇 壓力管道的直徑通過動能經(jīng)濟(jì)計(jì)算確定。 一般做法是：初擬幾個(gè)直徑，進(jìn)行動能經(jīng)濟(jì) 比較，選定最優(yōu)直徑。 初設(shè)時(shí)可用下列經(jīng)驗(yàn)公式初定管道直徑。 Qmax鋼管的最大設(shè)計(jì)流量 ，單位：m3/s Hp設(shè)計(jì)水頭，m。 v壓力管道直徑的選擇 K為系數(shù)，它與摩阻、材料價(jià)格、折舊費(fèi)、維 修費(fèi)、電價(jià)、管道年運(yùn)行小時(shí)等因素有關(guān)。 1、恒定流計(jì)算：主要是為了確定管道的 水頭損失，它包括摩阻損失和局部損失。 （1）摩阻損失： （曼寧公式）；每米管長 內(nèi)摩阻損失。 （2）局部損失（包括進(jìn)口、攔污柵、門槽、 漸變段、彎段、分岔管等處局部損失）： v壓力管道水力計(jì)算 ：局部損失系數(shù)； 2、 非恒定流計(jì)算：即水錘計(jì)算（七、八、九章） （）確定最高壓力線及其分布： 正常工況（上游正常高水位，機(jī)組丟棄全負(fù)荷） 特殊工況（上游最高發(fā)電水位，機(jī)組丟棄全負(fù)荷） （）確定最低壓力線及其分布： 最低壓力線上游最低發(fā)電水位，即死水位時(shí)， 電站最后一臺機(jī)組投入運(yùn)行，或是機(jī)組丟棄負(fù)荷 由正水錘反射而成的負(fù)水錘。 校核管線布置時(shí)要求管頂至少應(yīng)在最低壓力線以 下2m。 壓力鋼管長期承受高的內(nèi)水壓及力以及 水錘沖擊等動力作用，屬于壓力容器類 結(jié)構(gòu)，對材料要求嚴(yán)格，早期壓力鋼管 事故多為選材不當(dāng)所致。 3.3 鋼管的材料、容許應(yīng)力和管身構(gòu)造 v鋼管的受力 管道的受力構(gòu)件有管壁、加勁環(huán)、支承環(huán)、支座 滾輪、支承板等。 v工作特點(diǎn)：內(nèi)水壓力大，并經(jīng)常承受沖擊荷 載的作用；低溫狀態(tài)下工作(水溫在4左右) 對鋼材的工作條件不利。 v制作過程： 板裁：冷卷、輥壓成形； 現(xiàn)場焊接 ( 焊前對鋼材和焊接材料進(jìn)行材 質(zhì)檢驗(yàn)、可焊性試驗(yàn)，保證材料質(zhì)量)； 檢查焊縫( 射線、超聲波) v壓力管道的工作特點(diǎn)和制作程序 鋼材的屈服強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度 （屈強(qiáng)比 / ） 斷裂時(shí)的延伸率 沖擊韌性 （反映材料抵抗沖擊能力） 塑性指標(biāo)（伸長率和斷面收縮率） 機(jī)械性能 輥軋 冷彎（塑性變形、冷作強(qiáng)化、冷脆） 焊接（工藝簡單 ，無裂紋和殘余應(yīng)力） 加工性能 化學(xué)成分：主要是鋼材的化學(xué)和合金的含量方面的要 求。它們影響鋼材的強(qiáng)度、焊接性能。例如含碳不 要過高(脆)，硫、磷等有害元素需嚴(yán)格控制。 v鋼材的基本性能 機(jī)械性能：一般來說，強(qiáng)度越高，塑韌性越差。 對于壓力鋼管這樣的容器，良好的塑韌性十分重 要，它能使結(jié)構(gòu)應(yīng)力趨于均勻，減少應(yīng)力集中， 提高承載力，防止脆斷，增加安全性，有利于冷 加工成型和焊接。寧可強(qiáng)度低而保證塑韌性高。 舉例來說：A3 鋼塑韌性好，但容許應(yīng)力（240）低； 16Mn鋼強(qiáng)度較高（330），但塑韌性差。 當(dāng)HD值不夠大時(shí)，選擇 A3鋼； 只有當(dāng) HD600m2，=32mm40mm， A3 鋼不易 加工時(shí)采用16Mn。 常用鋼材 高強(qiáng)鋼 鋼管一般采用鎮(zhèn)靜溶煉的熱軋平爐低碳鋼或低合金 鋼。 v常用鋼材 我國： 日本： 美國： 原蘇聯(lián)： 高強(qiáng)鋼 A517 1、優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單，價(jià)格不貴。加工和焊接性 能良好。就是鋼材屈服強(qiáng)度不高。一般 A3、 16Mn不需論證，可直接采用。 2、缺點(diǎn)：隨著水電站鋼管參數(shù)的提高，常用鋼 材已不能滿足要求，如繼續(xù)采取強(qiáng)度等級低的鋼 材，鋼板厚度必然增加。當(dāng)厚度增加到一定程度 時(shí)，加工焊接和運(yùn)輸都會出現(xiàn)困難，造價(jià)也將增 加。 要改善這一狀況，必須采用強(qiáng)度等級高的鋼材。 常用的鋼材優(yōu)缺點(diǎn) 高強(qiáng)鋼優(yōu)缺點(diǎn) 1、優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)上有利。鋼管厚度可以減薄， 用材量少，運(yùn)輸、加工、焊接、安裝等費(fèi)用 可降低，總成本相對較低。另外，由于重量 輕，有利于將管節(jié)焊成較長管段進(jìn)行安裝， 可縮短工期。 2、缺點(diǎn)：含有鎳、鋁等合金元素，價(jià)格高， 焊接較困難。 注：若采用高強(qiáng)鋼，要有充分的論證。 v鋼材的容許應(yīng)力 水電站鋼管多按允許應(yīng)力設(shè)計(jì)，允許應(yīng)力常以鋼 可參考K ，安全系數(shù) 材屈服強(qiáng)度百分比表示。 有關(guān)規(guī)范。 應(yīng)力區(qū)域膜應(yīng)力區(qū)局部應(yīng)力區(qū) 荷載組合基本特殊基本特殊 內(nèi)力性質(zhì)軸力軸力 軸力 彎矩 軸力 軸力 彎矩 允 許 應(yīng) 力 明管0.55s0.7s0.67s0.85s0.8s1.0s 地下 埋管 0.67s0.9s 壩內(nèi) 埋管 0.67s 0.8s 0.9s 對基本荷載組合，對明管和鋼管膜應(yīng)力區(qū)， K 取大值，即取小值； 對特殊荷載組合，對埋藏式鋼管和鋼管的局部 應(yīng)力區(qū)，K取小值，即取大值； 對于屈強(qiáng)比大的鋼材，試用新鋼材和彎管、岔 管或特別重要的部位，需適當(dāng)降低； 另外，焊縫強(qiáng)度的折減系數(shù) ，應(yīng)根據(jù)焊縫類別 和探傷要求，取為0.900.95。 第四強(qiáng)度理論: 其中： 焊縫系數(shù)一般可取0.9 - 0.95, 與焊縫方法、 探傷標(biāo)準(zhǔn)、建筑物等級有關(guān)。 可忽略時(shí)，強(qiáng)度校核可近似表示作： v鋼材的強(qiáng)度校核 鋼管環(huán)向，徑向和軸向應(yīng)力; 鋼管各方面剪應(yīng)力; 壓力鋼管按其構(gòu)造又分為無縫鋼管、焊接 管和箍管，其中焊接管應(yīng)用最普遍。 1、無縫鋼管 無縱縫，橫縫用焊接、法蘭連接成整體， 強(qiáng)度高，造價(jià)高，施工困難。 國內(nèi)：D60cm；國外：D120cm。 適用高水頭小流量電站。 v管身構(gòu)造 鋼管管節(jié) 2、焊接管： 鋼板按要求的曲率輥成弧形，焊接成管段。 適用于各種直徑、水頭，造價(jià)低。 (1) 縱縫：焊縫交錯(cuò)排列，避開兩個(gè)中心軸 。 (2) 相鄰管壁厚度差2mm，內(nèi)部光滑，外 部成臺階狀。 焊接管 3、箍管：鋼管外加鋼箍。應(yīng)用少。直徑一般不大 于3.0m 。 當(dāng)HD1000m2時(shí)，鋼板厚度一般會超過40mm， 對如此厚的鋼板進(jìn)行焊接和壓卷很困難，常采用 箍管，由管壁與管箍共同承擔(dān)內(nèi)水壓強(qiáng)。在光滑 的無縫鋼管或焊接管上套管箍，可減小壁厚。 鋼管最小厚度：min(D/800+4)mm，或6mm 防腐、防銹措施： 涂料、噴鍍、化學(xué)保護(hù)。加防銹厚度2mm。 箍管 教材中對焊接管一些最主要的構(gòu)造要 求作了說明，如（最小壁厚、管徑變 化、焊縫要求、橢圓度、管壁防銹厚 度等），進(jìn)行具體設(shè)計(jì)時(shí)需查閱有關(guān) 規(guī)范。 比如：對于明鋼管， 1. 縱縫不應(yīng)布置在橫斷面的水平軸線和垂直軸線上， 與軸線的夾角應(yīng)大于10o 。 2. 管壁最小結(jié)構(gòu)厚度為： , 也不宜小 于6mm。并且要考慮 2mm 銹蝕厚度。 3. 鋼管安裝完畢后，其橢圓度（即相互垂直的兩管徑 的最大差值與標(biāo)準(zhǔn)管徑之比）不得超過0.5%等。 主要的構(gòu)造要求 3.4 明鋼管線路選擇和布置 v明管線路選擇 (1)管道線路應(yīng)盡可能短而直，以降低造價(jià)，減少水頭 損失，降低水錘壓力和改善機(jī)組運(yùn)行條件。 (2)選擇良好的地質(zhì)條件，使鋼管支承在堅(jiān)固的地基上 。避開可能滑坡和崩塌的地段，以及對個(gè)別地段采取 切實(shí)可靠的防護(hù)措施。 (3)盡量減少管道線路的起伏波折。管線應(yīng)避免與交通 線路或其他管道交叉，不可避免時(shí)設(shè)專門橋涵互相隔 離并采取其他安全措施。 特,明管的線路選擇應(yīng)與水電站引水系統(tǒng)中其他建筑物 .別是前池或調(diào)壓室還有和水電站廠房的布置統(tǒng)一考慮 正向引進(jìn)： 鋼管軸線與廠房縱軸線垂直。 優(yōu)點(diǎn)：水流平順，水頭損失小。缺點(diǎn)：管道 破裂，高壓水流對廠房和人員的威脅大。 適用：中低水頭電站；高水頭增加防護(hù)措施 斜向引進(jìn)： 介于正向引進(jìn)和縱向引進(jìn)之間。 當(dāng)?shù)匦?、地質(zhì)、引水系統(tǒng)及廠房布置 要求適宜時(shí)采用這種布置方式。 適用：分組供水和聯(lián)合供水的水電站 縱向引進(jìn)： 鋼管軸線與廠房縱軸線平行。 優(yōu)點(diǎn)：減輕了對廠房人員威脅。 缺點(diǎn)：水頭損失增加，開挖量增加 適用：高中水頭電站 明 管 布 置 一、明鋼管敷設(shè)方式 明鋼管一般敷設(shè)在一系列支墩上，離地面不小 于60cm，支墩僅起支承管身的作用，管身可在 支墩的支座上移動；轉(zhuǎn)彎處設(shè)鎮(zhèn)墩，將水管完 全固定，相當(dāng)于梁的固定端。 按兩鎮(zhèn)墩間是否設(shè)伸縮節(jié)，明鋼管敷設(shè)方式可 劃分為： v明鋼管敷設(shè)和支承方式 連續(xù)式分段式 明 鋼 管 敷 設(shè) 方 式 示 意 圖 連續(xù)式: 兩個(gè)鎮(zhèn)墩之間的管段是連續(xù)的即不設(shè)伸縮節(jié)。 由于水管兩端受鎮(zhèn)墩的約束，所以當(dāng)溫度變化時(shí)， 管壁中會產(chǎn)生很大的溫度力，對鎮(zhèn)墩的穩(wěn)定不利。 除了在特殊部位，一般很少采用這種方式。 分段式: 在兩個(gè)鎮(zhèn)墩之間的鋼管上設(shè)置一個(gè)伸縮節(jié)。為 減少伸縮節(jié)內(nèi)內(nèi)水壓力和便于安裝鋼管，伸縮節(jié)宜 設(shè)在靠近鎮(zhèn)墩的下游側(cè)。當(dāng)溫度變化時(shí)，水管可以 沿軸線方向自由伸縮，從而消除了管壁內(nèi)的大部 分溫度應(yīng)力，也減小了作用在鎮(zhèn)墩上的作用力， 同時(shí)還能適應(yīng)少量的不均勻沉陷和變形。 （一）支墩 1、作用：支承鋼管，承受管重和水重的法 向分力，相當(dāng)于梁的滾動支承。溫度變化 時(shí)允許水管在軸向自由移動。 2、類型： 支墩按其支座與管身相對位移的特征分： 滑動式支座（鞍式、支承環(huán)式）； 滾動式支座； 搖擺式支座。 v明鋼管的支墩和鎮(zhèn)墩 支墩 鞍形滑動式支座： 將管道直接支承在一個(gè)鞍形的混 凝土支座上，包角為90o-120o。其 結(jié)構(gòu)簡單，但管身受力不均勻， 摩擦力大（支座上鋪鋼板，同時(shí) 接觸面加潤滑劑），適用于直徑 小于1m的鋼管。 支承環(huán)式滑動支墩： 鋼管通過支承環(huán)放置在鞍形支墩 上，改善了支承部分管壁的受力 不均勻現(xiàn)象，適用于直徑小于2m 的鋼管。 滾動式支座 特點(diǎn)是在支承環(huán)與支承面之間設(shè) 置圓柱形輥軸，摩擦系數(shù)小，常 用于垂直荷載較小而管徑大于 米的鋼管。 擺動式支座 在支承環(huán)和支承面之間設(shè)一個(gè)可 以擺動的短柱，其下端與支承板 鉸接，上端以圓弧面與支承環(huán)的 上托板接觸，鋼管變形時(shí)，短柱 前后擺動，摩擦力很小，用于管 徑大于米的鋼管。 （二）鎮(zhèn)墩 1、作用： 將鋼管固定在山坡上，主要承受因管道轉(zhuǎn)彎而產(chǎn) 生的軸向不平衡力，不允許管道在鎮(zhèn)墩處發(fā)生任 何位移。鎮(zhèn)墩是依靠自重來維持穩(wěn)定。 2、布置：在水管轉(zhuǎn)彎處，直線段不超過150m。 若超過可在其間加設(shè)鎮(zhèn)墩；若管道縱坡較緩，也 可不加鎮(zhèn)墩，而將伸縮節(jié)置于該管道中部，以減 少管身與支墩間摩擦力引起的鋼管軸力。 支承環(huán) 鎮(zhèn)墩 支墩 伸縮節(jié) 加勁環(huán) 3、類型： 鎮(zhèn)墩依靠本身重量固定鋼管，一般用混凝 土澆制，按鋼管在鎮(zhèn)墩上的固定方式，分 為封閉式和開敞式兩種形式。 將彎管段用錨拴錨在管道 下部的混凝土墩上，鎮(zhèn)墩 處管道受力不均勻，但易 于管道檢修。應(yīng)用較少。 將彎管段整個(gè)埋在混凝土中， 在鎮(zhèn)墩表面布置溫度筋，鋼管 周圍設(shè)環(huán)向鋼筋和一定數(shù)量的 錨筋。固定管道效果較好，結(jié) 構(gòu)簡單，鎮(zhèn)墩處管道受力均勻 。應(yīng)用廣泛。 封閉式 開敞式 環(huán)向鋼筋和錨筋 錨拴 3.5 鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)分析 (1) 內(nèi)水壓力 正常蓄水位的靜水壓力； 正常工作情況最高水位（正常蓄水位、丟棄全負(fù)荷） 特殊工作情況最高水位（最高發(fā)電水位、丟棄全負(fù)荷） 水壓試驗(yàn)內(nèi)水壓力 (2) 鋼管結(jié)構(gòu)自重。 (3) 鋼管內(nèi)滿水位。 (4) 鋼管充水、放水過程中，管內(nèi)部分水重。 (5) 溫度變化引起的力，即伸縮節(jié)和支墩的摩擦力。 v作用在鋼管及墩座上的力和荷載的種類 (6) 管道直徑變化處、轉(zhuǎn)彎處及作用在悶頭、閘閥 、伸縮節(jié)上的水壓力。 (7) 鎮(zhèn)墩、支墩不均勻沉陷引起的力。 (8) 風(fēng)荷載。 (9) 雪荷載。 (10) 施工荷載。 (11) 地震荷載。 (12) 管道放空時(shí)通氣設(shè)備造成的氣壓差。 v計(jì)算工況與荷載組合 荷載組合包括基本荷載組合和特殊荷載組合。 1、 基本荷載組合 (1) 正常運(yùn)行情況一： +（2）+ （3） + （5） + （6） + （7） (2) 正常運(yùn)行情況二： +（2）+ （3） + （5） + （6） + （7）+ （8）或（9） (3) 放空工況：（12） 2、 特殊荷載組合 (1) 特殊運(yùn)行情況： +（2）+ （3） + （5） + （6） + （7） (2) 水壓試驗(yàn)情況： +（2）+ （3） + （5） (3) 施工情況：（2）+ （5） + （8）或（9） + （10） (4) 充水情況： （2） + （4） (5) 地震情況： +（2）+ （3） + （5） + （6） + （7）+ （11） 在進(jìn)行鋼管應(yīng)力分析時(shí)，由于實(shí)際情況很 復(fù)雜，可能有不同情況出現(xiàn)，各作用力并 不是在任何情況下同時(shí)出現(xiàn)。應(yīng)根據(jù)管道 的滿水、放空、溫升、溫降等情況，找出 最不利的荷載組合，進(jìn)行設(shè)計(jì)。 v作用在鋼管及墩座上力和荷載 v管軸線方向上的力 垂直于管軸線方向上的力 徑向水壓力 水管自重的 軸向分力 作用在閥門上 的內(nèi)水壓力 水管轉(zhuǎn)彎處 的內(nèi)水壓力 水管直徑 變化處的 內(nèi)水壓力 伸縮節(jié)端部 的水壓力 溫度變化時(shí)伸縮 節(jié)填料的摩擦力 溫度變化時(shí) 水管與支墩 的摩擦力 水在水管轉(zhuǎn)彎 處的離心力 v管軸線方向上的力 每米長水管重量； 管段計(jì)算長度； 管軸線與水平線之 間的夾角； （一）水管自重的軸向分力 （二）作用在閥門上的內(nèi)水壓力 P：內(nèi)水壓強(qiáng)；閥門全開時(shí)，該力不存在 （三）彎管處的內(nèi)水壓力 （四）水管直徑變化處的內(nèi)水壓力 D01，D02：漸縮管最大和最小內(nèi)徑。 （五）伸縮節(jié)端部的內(nèi)水壓力 D1，D2：套筒式伸縮節(jié)內(nèi)套管外徑和內(nèi)徑。 1：伸縮節(jié)止水填料與鋼管的摩擦系數(shù)； b：填料沿管軸線長度。 注意：溫升溫降作用力方向不一樣。 （六）溫度變化時(shí)伸縮節(jié)填料的摩擦力 q：每米管長管與 水重。 f : 管壁與支座的 摩擦系數(shù)。 注意：溫升溫降作用力方向不一樣。 （七）溫度變化時(shí)支座對鋼管的摩擦力 ：管中平均流速； R：離心力; A8 : 離心力在管軸線方 向的分力。 （八）水在水管轉(zhuǎn)彎處的離心力 將作用在明管及鎮(zhèn)墩墩座 上管軸線方向的力全部畫在鎮(zhèn) 墩軸線處。然后根據(jù)大小和方 向進(jìn)行求和。 求出： 管軸向作用力符號： +：鋼管下行方向； ：鋼管上行方向。 鋼管自重分力鋼管內(nèi)水重分力 每米管長管內(nèi)水重每米管長鋼管自重 v垂直于管軸線方向上的力 v徑向水壓力 H：水頭，算到計(jì)算截面管道中心。 前面介紹了作用于管身、鎮(zhèn)墩、支墩上 的作用力及其計(jì)算公式。風(fēng)荷載、雪荷 載、 地震荷載及土壓力等并未列出，可 參照有關(guān)規(guī)范。這里不作介紹。 3.6 鎮(zhèn)墩和支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)管道的滿水、放空、溫升、溫降等情況 ，找出最不利的荷載組合，進(jìn)行設(shè)計(jì)。 鎮(zhèn)墩的設(shè)計(jì)包括： 1、抗滑穩(wěn)定計(jì)算； 2、地基應(yīng)力校核； 支墩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容與鎮(zhèn)墩分析相似。 v設(shè)計(jì)內(nèi)容 一、作用力分析： 鎮(zhèn)墩承受明管傳遞來的軸向力、剪力、 彎矩等荷載，其中軸向力 為主要外 荷載。鎮(zhèn)墩必須以其自重來平衡外荷載 ，以滿足抗滑動和抗傾覆穩(wěn)定和地基承 載能力的要求 。 v鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)分析 將前面求出的軸向力總和沿 x 軸和 y 軸方向進(jìn) 行投影，求出 。 設(shè) x 軸水平順?biāo)较驗(yàn)檎瑈軸垂直向下為正， 水管軸線交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。 二、擬定鎮(zhèn)墩尺寸，求重力及中心位置 1、鎮(zhèn)墩尺寸要求： 鎮(zhèn)墩尺寸要求將鋼管的拐彎段完全包住 。 為使鋼管受力均勻，而鎮(zhèn)墩上游面垂直管 軸，管道的外包混凝土厚度不宜小于管徑的 0.40.8倍。 為維護(hù)、檢修方便，管道底距地面不宜小 于0.6m。在地基上的鎮(zhèn)墩底面常做成水平。 鎮(zhèn)墩地基應(yīng)堅(jiān)實(shí)、穩(wěn)定、可靠 。 在嚴(yán)寒地區(qū)，鎮(zhèn)墩埋深應(yīng)在冰凍線下1m， 對巖基不少于0.5m。 地震區(qū)應(yīng)將鎮(zhèn)墩較深地埋入地基中并適當(dāng) 加大基礎(chǔ)面，同時(shí)減小鎮(zhèn)墩間距。 按以上六點(diǎn)要求擬定鎮(zhèn)墩尺寸，求出鎮(zhèn)墩的 重心位置以及重量G。 三、求合力R以及偏心距 利用圖解法或數(shù)解法求 G 和 的合力作用 點(diǎn)位置及偏心距e。 如下圖所示。 合 力 R 及 其 作 用 點(diǎn) 示 意 圖 ：抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)； ：鎮(zhèn)墩與地基間摩擦系數(shù)； ：抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值。規(guī)定 值見課本表3-5或下表。 抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式： 四、鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定計(jì)算 建筑物等級 荷載組合 基本特殊 1.51.3 1.41.2 1.31.1 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù) 根據(jù)偏心受壓公式，進(jìn)行 地基應(yīng)力校核。 為地基允許承載能力。 要求鎮(zhèn)墩底部均為壓應(yīng)力 并要求鎮(zhèn)墩底部避免出現(xiàn)拉應(yīng)力。 五、鎮(zhèn)墩地基應(yīng)力校核 v支墩結(jié)構(gòu)分析 支墩承受管重和管內(nèi)水重的法向分力、鋼管與 支座之間的摩擦力。支墩結(jié)構(gòu)分析原則、內(nèi)容 與鎮(zhèn)墩相似，主要如下： 一、作用力分析 二、求出作用力在水平方向和垂直方向的分力 三、抗滑、抗傾覆穩(wěn)定及地基承載力校核 一、作用力分析 作用在支墩上的力，如圖有： 1、作用于支墩上的鋼管自重分力及水重分力： 2、鋼管與支墩間的摩擦力A7 3、支墩自重 支墩受力示意圖 二、求出作用力在水平方向和垂直方向的分力 以支墩頂面中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，取水平軸 x 順?biāo)?流為正，豎軸 y 向下為正，求出各力疊加后的水 平分力和豎直分力如下： 三、抗滑、抗傾覆穩(wěn)定及地基承載力校核 1、抗滑穩(wěn)定計(jì)算： ：允許抗滑穩(wěn)定系數(shù)。 2、抗傾覆穩(wěn)定 抗傾覆力矩總和； 傾覆力矩總和。 允許抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)；設(shè)計(jì)工況取值 1.5，校核工況取值1.2。 計(jì)算時(shí)根據(jù)對穩(wěn)定最不利的情況用A7的正號或負(fù)號 3.7 明鋼管閘門、閥門和附件 1、閘門及閥門 壓力管道進(jìn)口設(shè)快速閘門(事故門)(在前 池、調(diào)壓室、水庫等位置)。 對于聯(lián)合供水或分組供水的管道，在水 輪機(jī)進(jìn)口前應(yīng)設(shè)快速閥門 (事故閥門) ， 其型式有蝴蝶閥、球閥。 v閘門和閥門 閘門 蝴蝶閥球閥 (1) 蝴蝶閥(Butterfly Valve) 優(yōu)點(diǎn)：啟閉力小，操作方便迅速，體積小,重量輕， 造價(jià)低。 缺點(diǎn)：開啟狀態(tài)時(shí)，閥體對水流有擾動，水頭損失 較大；關(guān)閉狀態(tài)止水不嚴(yán)。動水中關(guān)閉，在靜水中 開啟 。 蝴蝶閥關(guān)蝴蝶閥開 (2) 球閥：球形外殼+可旋轉(zhuǎn)的圓筒形閥體+附件。 優(yōu)點(diǎn)：開啟狀態(tài)時(shí)沒有水頭損失，止水嚴(yán)密，能承 受高壓。 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸和重量大，造價(jià)高。 適用：高水頭電站。 球 閥 球閥關(guān)球閥開 附件包括伸縮節(jié)、通氣閥和排水管、進(jìn)人孔等。 v明鋼管附件 伸縮節(jié)：是在兩段鋼管間設(shè)置的柔性聯(lián)結(jié)結(jié) 構(gòu)，其允許鋼管在一定范圍內(nèi)自由伸縮、相 對錯(cuò)動和轉(zhuǎn)動，從而減小了鋼管的軸向應(yīng)力 、剪應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，使鋼管的受力狀態(tài)得 以改善。 通過設(shè)置伸縮節(jié)，鋼管可軸向伸縮，消除大 部分溫度應(yīng)力，且可適應(yīng)少量不均勻沉陷。 常在上鎮(zhèn)墩的下游側(cè) 。 伸縮節(jié)的型式較多，常見的幾種見下圖。 (a)單向滑動套筒式伸縮節(jié) (b)雙向滑動套筒式伸縮節(jié) 只能有軸向位移。結(jié)構(gòu) 簡單，制造、安裝、運(yùn) 行及檢修均較方便。 結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，可以有軸 向位移，也可以有稍微 的徑向位移。適用于地 質(zhì)條件差的情況或者有 徑向位移的伸縮沉降縫 處的鋼管部位。 止水均靠止水填料 (c)波紋管伸縮節(jié) 波紋管伸縮節(jié)是完全封閉式的伸縮節(jié)，由一個(gè)或幾個(gè) 波紋管及結(jié)構(gòu)件組成，用來吸收由于熱脹冷縮、基礎(chǔ) 沉陷、振動等原因引起的管道相對變位。 它不存在常規(guī)套筒式伸縮節(jié)的止水材料，因此不會漏 水，也無需在運(yùn)行期間更換止水材料。這是波紋管式 伸縮節(jié)優(yōu)于傳統(tǒng)的套筒式伸縮節(jié)最顯著的優(yōu)勢。 3、 通氣閥 作用：當(dāng)閥門緊急關(guān)閉時(shí)，向管內(nèi)充氣，以消除管 中負(fù)壓；水管充水時(shí)，排出管中空氣。 位置：閥門之后 4、 進(jìn)人孔 作用：檢修鋼管、修理和涂裝； 位置：鎮(zhèn)墩上游側(cè)； 尺寸：直徑大于45cm圓孔或45cm50cm橢圓孔。 間距：不大于200m設(shè)一個(gè)。 5、 旁通閥及排水設(shè)備 旁通閥：設(shè)在水輪機(jī)進(jìn)水閥門處； 作用：閥門前后平壓后開啟，以減小啟閉力。 排水管：在檢修水管時(shí)用于排出管中的積水和 泥沙。 位置：設(shè)置在鋼管的最低處。 (1) 內(nèi)水壓力(包括靜水壓力、動水壓力、水重等)。 (2) 鋼管自重。 (3) 溫度變化引起的力。 (4) 鎮(zhèn)墩和支墩不均勻沉陷引起的力。 (5) 風(fēng)荷載和雪荷載。 (6) 施工荷載。 (7) 地震荷載。 (8) 管道放空時(shí)通氣設(shè)備造成的氣壓。 3.7 明鋼管的管身應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) v荷載及組合 荷載組合 每種荷載都有其不同的作用分載系數(shù)。風(fēng) 荷載、雪荷載、地震荷載等需查閱水工 建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范。 鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)承載能力極限狀態(tài)的 要求，對不同設(shè)計(jì)狀況下可能同時(shí)出現(xiàn)的 作用，進(jìn)行相應(yīng)的作用效應(yīng)組合，對明鋼 管要求的組合見規(guī)范。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)狀況：持久狀況、短暫狀況、偶然狀況。 三種設(shè)計(jì)狀況均應(yīng)進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。 持久狀況還應(yīng)進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，短暫狀 況可根據(jù)需要進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。 承載能力極限狀態(tài)：指鋼管結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，或達(dá)到最 大承載能力、或喪失彈性穩(wěn)定、或出現(xiàn)不適合于繼 續(xù)承載的變形。 正常使用極限狀態(tài)：鋼管結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到正常使用 或耐久性能的某項(xiàng)規(guī)定限值。 v結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)狀態(tài) v按照設(shè)計(jì)規(guī)范要求，明鋼管要求進(jìn)行承載 能力極限狀態(tài)驗(yàn)算，其內(nèi)容包括： 主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力計(jì)算，管壁和 加勁環(huán)的抗外壓穩(wěn)定計(jì)算。 如有必要應(yīng)進(jìn)行鎮(zhèn)墩和支墩抗傾、抗滑 及抗浮驗(yàn)算； 如有抗震要求，還應(yīng)進(jìn)行抗震承載能力 計(jì)算。 承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算內(nèi)容 在進(jìn)行管道結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，要注意以下幾個(gè)問題： 坐標(biāo)系如何選?。?每一管段有哪些幾個(gè)控制斷面？ 各控制斷面應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)（頂、底、側(cè)、內(nèi)點(diǎn)、 外點(diǎn)），應(yīng)力的方向？ v管身應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 管壁厚度估算 選取坐標(biāo)系 選取計(jì)算斷面 計(jì)算管身應(yīng)力 校核鋼管強(qiáng)度 分 析 步 驟 鍋爐公式 柱坐標(biāo)系 第四強(qiáng)度理論 v分析步驟 1、管壁厚度估算 0.75：因未考慮其他荷載，降低 0.25；按上式估算 厚度需另加2mm防銹厚度，且需滿足： 為允許應(yīng)力； 焊縫系數(shù)，考慮焊縫強(qiáng)度降低。 可由應(yīng)力求壁厚： 根據(jù)力的平衡： (鍋爐公式) 明管要求： 最小厚度： 選取柱坐標(biāo)x、r、（軸向、徑向、環(huán)向） 2、坐標(biāo)系選取 按荷載的作用方向可以將其分為軸向力、徑向力 和環(huán)向力。 3、計(jì)算斷面的選取 壓力鋼管象一個(gè)多跨連續(xù)梁一樣，其彎矩圖、剪 力圖如圖所示。 計(jì)算斷面： 1、跨中斷面1-1， 2、支承環(huán)旁管壁膜應(yīng)力區(qū)邊緣，斷面2-2； 3、加勁環(huán)及其旁管壁，斷面3-3。 4、支承環(huán)及其旁管壁，斷面4-4。 跨中斷面11: 支承環(huán)附近，但又不受支承環(huán)影響的 2-2 斷面： 只有彎距作用，且彎距最大, 無 局部應(yīng)力受力最簡單； 彎距和剪力共同作用，均按最大值計(jì)算，無局部應(yīng) 力受力比較簡單； 4、斷面受力情況 加勁環(huán)及其旁管壁斷面33： 支承環(huán)及其旁管壁斷面44： 由于加勁環(huán)的約束，存在局部應(yīng)力； 應(yīng)力最復(fù)雜，存在彎距和剪力(支承反力)的作用 ，還有局部應(yīng)力和附加應(yīng)力。 5、管身應(yīng)力計(jì)算： 跨中斷面 1-1 內(nèi)水壓力產(chǎn)生 的環(huán)向正應(yīng)力 水重和管重的 法向分力產(chǎn)生 的軸向正應(yīng)力 軸向力產(chǎn)生的 軸向正應(yīng)力 內(nèi)水壓力產(chǎn)生 的徑向正應(yīng)力 1、內(nèi)水壓力產(chǎn)生的環(huán)向正應(yīng)力 設(shè)壓力水管中心處的水頭為H，而水管軸線與水平 面的夾角為，則在管壁中任意一點(diǎn)(該點(diǎn)半徑與管 頂半徑的夾角為)的水頭為 壓力管道水壓力分布及管壁微圓弧的受力平衡圖 推導(dǎo)出管壁中的切向拉力T 和切向應(yīng)力 P內(nèi)水壓強(qiáng)； 管軸線傾角； 計(jì)算厚度； H計(jì)算水頭； 環(huán)向任意點(diǎn)與管頂半徑的夾角 2軸向應(yīng)力 =水重和管重法向力引起的軸向 應(yīng)力 +軸向作用力引起的軸向應(yīng)力 法 向 力 引 起 的 彎 矩 和 剪 力 將鋼管視為一根連續(xù)的空心梁，支承在鎮(zhèn)墩和一系 列的支墩上。下端的鎮(zhèn)墩作為固定端，上端伸縮節(jié) 處作為自由端，法向力相當(dāng)于均布荷載作用在連續(xù) 梁上，如上圖所示。跨中管壁的方向各點(diǎn)應(yīng)力為： (1)水重和管重法向力作用引起的管壁軸向應(yīng)力 M水重和管重的法向分力作用下連續(xù)梁的彎矩； W連續(xù)梁(空心圓環(huán))的斷面模數(shù)， (2) 軸向力引起的軸向應(yīng)力 在軸向力的合力A作用下，管壁中產(chǎn)生的軸向 應(yīng)力為 ，管壁的斷面積為F，則 A上圖中作用在鋼管上所有的軸向力總和； F橫斷面面積。 3徑向應(yīng)力 在水管內(nèi)表面承受內(nèi)水壓力，作用于徑向的應(yīng)力 等于該處的內(nèi)水壓強(qiáng)。即： 管壁內(nèi)表面: ， “-”表示壓應(yīng)力。 管壁外表面： 這個(gè)力較小，一般計(jì)算中可以忽略。 另外，由于跨中1-1斷面無剪力，所以 x=0。 支承環(huán)附近 2-2 斷面 內(nèi)水壓力產(chǎn)生 的環(huán)向正應(yīng)力 水重和管重的法向分 力產(chǎn)生的軸向正應(yīng)力 軸向力產(chǎn)生的 軸向正應(yīng)力 內(nèi)水壓力產(chǎn)生 的徑向正應(yīng)力 水重和管重的法向 分力產(chǎn)生的剪應(yīng)力 v 2-2 斷面雖然靠近支承環(huán)，但在支承環(huán)的影響范圍之 外，即不考慮支承環(huán)對管壁的約束作用。為了安全起 見，認(rèn)為該斷面的彎矩和剪力與支承環(huán)斷面相等。 v跨中斷面和支承環(huán)斷面的管道彎矩大小相等，方向相 反，支承環(huán)處存在剪力V。根據(jù)材料力學(xué)，在垂 直于管道軸線的橫斷面上剪應(yīng)力的計(jì)算公式為 V管重和水重的法向分力作用下連續(xù)梁的剪力； SR計(jì)算點(diǎn)以上管壁環(huán)形截面積對重心軸的靜矩， b受剪截面寬度， ； J截面慣性矩， 。 當(dāng)=0(管道頂部)和 =180(管道底部)時(shí)， =0； 當(dāng)=90(管道側(cè)面中點(diǎn))時(shí)，達(dá)到最大值， 2-2 斷面受力示意圖 加勁環(huán) 3-3 斷面 內(nèi)水壓力 產(chǎn)生的環(huán) 向正應(yīng)力 水重和管重 的法向分力 產(chǎn)生的軸向 正應(yīng)力 軸向力產(chǎn) 生的軸向 正應(yīng)力 內(nèi)水壓力 產(chǎn)生的徑 向正應(yīng)力 水重和管 重的法向 分力產(chǎn)生 的剪應(yīng)力 局部剪力 產(chǎn)生的環(huán) 向正應(yīng)力 局部彎矩 產(chǎn)生的軸 向正應(yīng)力 局部剪力 產(chǎn)生的剪 應(yīng)力 中面 內(nèi)外緣 加勁環(huán)斷面3-3：加勁環(huán)處的管壁由于加勁環(huán)的約 束， 在內(nèi)水壓力及環(huán)重作用下徑向變形受限，發(fā) 生局部彎曲，因此 3-3 斷面與 2-2 斷面相比，增 加了局部彎曲應(yīng)力，環(huán)向應(yīng)力也因支承環(huán)的影響 而改變。 加勁環(huán)在管壁中引起的局部彎曲應(yīng)力隨離開加勁 環(huán)的距離而很快衰減，影響范圍長度為： 對于影響范圍以外的 管壁，不受加勁環(huán)的 影響，也就不存在局 部應(yīng)力，我們稱之為 膜應(yīng)力區(qū)； 對于影響范圍以內(nèi)的 管壁我們稱之為局部 應(yīng)力區(qū)。 水重和管重的法向分力產(chǎn)生的軸向正應(yīng)力 軸向力產(chǎn)生的軸向正應(yīng)力 局部彎矩產(chǎn)生的軸向正應(yīng)力 1）軸向正應(yīng)力有： 前面 已說明，下面 需求 。 在內(nèi)水壓力作用下，管壁和加勁環(huán)均向外變形，由 上圖可見 ： （幾何方程） （虎克定律） 求解 ，需先求出加勁環(huán)處的局部彎矩和局部剪力。 （虎克定律） 加勁環(huán)處在 M 和 V 共同作用下，只產(chǎn)生徑向位移， 不產(chǎn)生角位移，則需滿足下列條件： 處在 M 和 V共同作用下，該處管壁徑向縮小為： 聯(lián)立求解，即可解出 。 其中： 上述共有5個(gè)方程，有5個(gè)未知數(shù)即 加勁環(huán)有效截面積，包括管壁等效冀緣。 由此可得 ： =0.3，則： 對加勁環(huán)，其靜截面除承受徑向的均勻內(nèi)水壓力Pa 外，還承受外側(cè)徑向剪力2V 。總的切向拉應(yīng)力為： 2）環(huán)向正應(yīng)力 ： 3）剪應(yīng)力 剪力V在加勁環(huán)旁管壁內(nèi)產(chǎn)生剪應(yīng)力 ，作用方 向指向管中心： 在管壁中面 在管壁內(nèi)外緣 因?yàn)槠渲递^小，且管壁綜合應(yīng)力的控制點(diǎn)在管壁 內(nèi)外緣，故 可忽略不計(jì)。 4）剪應(yīng)力 由管重和水重在管壁中引起的剪應(yīng)力 ： 斷面3-3的軸向應(yīng)力 ， 和剪應(yīng)力 的 計(jì)算均與2-2斷面相同。 支承環(huán)與加勁環(huán)從形式上看都是一個(gè)焊套在管壁 外緣的鋼環(huán)，因此相對于 3-3 斷面，斷面 4-4 的 支承環(huán)由于承擔(dān)管重和水重法向力Q 而在支墩處 引起的支承反力 R ，從而在支承環(huán)內(nèi)產(chǎn)生了附加 應(yīng)力。 隨著支承形式和結(jié)構(gòu)的不同，應(yīng)力狀態(tài)也不相同 。支承環(huán)的支承方式 分為側(cè)支承和下支承兩種 形式。 支承環(huán) 4-4 斷面 v下圖中點(diǎn)劃線為支承環(huán)有效截面重心軸，它與圓 心距離為半徑R，支承反力為 。 v 當(dāng)采用側(cè)支承時(shí)，設(shè)支承反力離支承環(huán)重心軸距 離為b。根據(jù)分析，在設(shè)計(jì)時(shí)取 b=0.04R，可使環(huán) 上最大正彎矩與最大負(fù)彎矩接近相等，則鋼材性 能得到最充分的發(fā)揮。對下支承取 =3090o。 1 支承環(huán)支承方式 支承環(huán)支承方式 2 支承環(huán)所承受的荷載 (1)管重和水重法向分力產(chǎn)生的剪力； 管重和水重在支承環(huán)兩側(cè)管壁上產(chǎn)生的剪應(yīng)力均為， 因此沿管壁圓周單位長度上作用在支承環(huán)上的剪力為 (2) 支墩兩側(cè)的反力0.5Q，鋼管一般都是傾斜布置， 支承反力為 ； (3) 支承環(huán)自重，但相對較小，可以不計(jì)。 3支承環(huán)內(nèi)力計(jì)算 v支承環(huán)的內(nèi)力計(jì)算常采用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的彈性中心方 法進(jìn)行。因?yàn)殇摴軘嗝媸且粋€(gè)對稱圓環(huán)，是一個(gè)三 次超靜定結(jié)構(gòu)，可用彈性中心法計(jì)算支承環(huán)上各點(diǎn) 的內(nèi)力。 v要進(jìn)行支承環(huán)截面的內(nèi)力計(jì)算，實(shí)際上是要計(jì)算一 個(gè)封閉圓環(huán)各斷面上的彎矩MR、剪力TR和軸力NR。 支承環(huán)計(jì)算簡圖 側(cè)支承下支承 圖中彎矩畫在受拉一邊，正的MR表示支承環(huán)外側(cè) 受拉，正的NR表示拉力，正的TR方向如。 b=0.04R時(shí)支承環(huán)內(nèi)力圖 計(jì)算出支承反力產(chǎn)生的彎矩MR、軸力NR和剪力TR 后，它們所產(chǎn)生的應(yīng)力分別為 ZR計(jì)算點(diǎn)與重心軸的距離； JR支承環(huán)有效截面對重心軸的慣性矩； WR支承環(huán)有效截面對重心軸的面積矩； SR支承環(huán)有效截面上，計(jì)算點(diǎn)以外部分對重心軸的靜矩； a支承環(huán)腹板厚度； F支承環(huán)有效截面積，包括管壁等效翼緣 斷面4-4各應(yīng)力的方向和分布 綜合支承環(huán) 4-4 斷面各應(yīng)力方向和分布，如下圖所示： 6、鋼管強(qiáng)度校核 鋼管的工作處于三維應(yīng)力狀態(tài)，強(qiáng)度校核的 方法是求出計(jì)算應(yīng)力并與容許應(yīng)力作比較， 而不是直接采用某一方向的應(yīng)力與容許應(yīng)力 作比較。 鋼管的強(qiáng)度校核，目前多采用第四強(qiáng)度理論 ，其強(qiáng)度條件為： 式中 為焊縫系數(shù)，取0.9-0.95. 由于 一般較小，故上式可簡化為： 按第四強(qiáng)度理論公式校核，如不滿足要求，需重新 調(diào)整壁厚或支墩間距，直到滿足要求為止。 失穩(wěn)概念：結(jié)構(gòu)體型在荷載作用下失去穩(wěn) 定平衡稱失穩(wěn)。 臨界壓力：鋼管失去穩(wěn)定平衡的最小外壓 值稱臨界壓力 。 外壓穩(wěn)定：要求鋼管可能的最大外壓小于 臨界壓力，并有一定的安全裕量（K=2）。 3.8 明鋼管抗外壓穩(wěn)定校核 明管失穩(wěn) 明管失穩(wěn)的原因 機(jī)組運(yùn)行過程中由于負(fù)荷變化產(chǎn)生負(fù)水擊，而使 管道內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓； 管道放空時(shí)通氣孔失靈，而在管道內(nèi)產(chǎn)生真空。 管道內(nèi)部產(chǎn)生真空或負(fù)壓時(shí)，管壁在外部的大氣 壓力下可能喪失穩(wěn)定，管壁被壓癟。 v光面管抗外壓穩(wěn)定計(jì)算 為了安全起見，引入安全系數(shù)K，要求： PcrKP。 取K=2.0，明管外壓設(shè)計(jì)值最大P=0.1MPa，鋼材的彈 性模量E=2105 MPa, 略去 2，則得到光滑鋼管段不 失穩(wěn)的條件為 。 當(dāng)外壓力P增加到臨界壓力Pcr時(shí)，鋼管管壁就喪失穩(wěn)定。 若光面管不滿足抗外壓穩(wěn)定要求，則可以加厚鋼管壁 厚或在鋼管外設(shè)置加勁環(huán)。 當(dāng)管徑太大時(shí)管壁太厚無法加工，因此可采用在管 壁上增加加勁環(huán)以提高管壁剛度的措施。 v加勁管抗外壓穩(wěn)定計(jì)算 發(fā)生多波形所需的外壓值較發(fā)生雙波形屈曲的外壓值大 。當(dāng)加勁環(huán)間距很小，其間管壁完全隨加勁環(huán)變形，管 壁的臨界壓力即加勁環(huán)臨界壓力；當(dāng)加勁環(huán)間距很大， 遠(yuǎn)離加勁環(huán)的管壁受不到加勁環(huán)作用,其臨界壓力 與不設(shè)加勁環(huán)的光滑管相同。 多 波 形 (1) 加勁環(huán)之間的管壁外壓穩(wěn)定性計(jì)算 屈曲波數(shù)： 用上式計(jì)算時(shí)應(yīng)采用Pcr為最小值時(shí)的n值，需用 試算法。初估時(shí)先用屈曲波數(shù)計(jì)算n，取整數(shù)， 再用n+1、n、n-1代入分別求Pcr ，所得的最小值 即臨界荷載。 (2) 加勁環(huán)斷面的外壓穩(wěn)定 v兩個(gè)要求 加勁環(huán)斷面本身不失穩(wěn) 加勁環(huán)斷面的壓應(yīng)力小于材料的允許值。 v按光滑管的公式計(jì)算，但是等式右邊應(yīng)該除以加 勁環(huán)的間距L，其他參數(shù)用加勁環(huán)有效斷面計(jì)算。 J- 計(jì)算斷面對其自身中和軸的慣性矩； Rk- 加勁環(huán)有效截面中心的半徑； K為安全系數(shù)，取K=2.0 明鋼管抗外壓失穩(wěn)設(shè)計(jì)步驟總結(jié)： 1、根據(jù)已定的光滑管管壁厚度計(jì)算其臨界 壓力，如滿足要求即按光滑管設(shè)計(jì)； 2、如不滿足穩(wěn)定要求，可設(shè)置加勁環(huán), 此時(shí) 先根據(jù)鋼管應(yīng)具有的臨界壓力值，按加勁環(huán) 間管壁計(jì)算公式選定加勁環(huán)間距，然后根據(jù) 加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定和橫截面壓應(yīng)力小于允許 值兩條要求，計(jì)算出加勁環(huán)尺寸。 v3.1 壓力管道的功用和類型 v3.2 壓力管道的供水方式與水力計(jì)算 v3.3 鋼管的材料、容許應(yīng)力和管身構(gòu)造 v3.4 明鋼管線路選擇和布置 v3.5 鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì) v3.6 明鋼管閘門、閥門和附件 v3.7 明鋼管的管身應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) v3.8 明鋼管的抗外壓失穩(wěn)計(jì)算 v3.9 小結(jié) 3.9 小結(jié) 1壓力水管的類型及其適用條件是什么？ 2水電站壓力水管的供水方式主要有哪幾種方式？它 們優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件如何？ 3地面明鋼管的支墩型式有哪幾種類型？ 4地面明鋼管上鎮(zhèn)墩的作用是什么？鎮(zhèn)墩的型式有哪 幾類？ 5為什么壓力水管上要設(shè)伸縮節(jié)？設(shè)在什么位置？為 什么？ 6地面明鋼管設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇哪幾個(gè)控制斷面？用圖表 示各控制斷面的位置？受力特點(diǎn)如何？ 水電站思考題