压力管道总论及明钢管——水电站.ppt

电站整体示意图 第三章 压力管道总论及 明钢管 v3.1 压力管道的功用和类型 v3.2 压力管道的供水方式与水力计算 v3.3 钢管的材料、容许应力和管身构造 v3.4 明钢管线路选择和布置 v3.5 镇墩结构分析 v3.6 明钢管闸门、阀门和附件 v3.7 明钢管的管身应力分析及结构设计 v3.8 明钢管的抗外压失稳计算 3.1 压力管道的功用和类型 水轮机 水库 引水管道末端的前池 调压室 有压状态 全部或大 部分水头 v压力管道的概念 对坝式电站，压力管道的起点一般是水库进水口 ；对无压引水式的电站，压力管道的起点一般是 压力前池；对有压引水式电站，压力管道的起点 一般是从调压室开始。 坝式水电站 无压引水式水电站 压力管道 压力管道 有压引水式水电站 调压室 坡度陡 承受电站的最大水头，且承受水锤产生的动 水压力比较大。 靠近厂房，因此它必须是安全可靠的，万一 出现事故，将直接危及厂房安全。 基于以上特点，压力管道的经济性和安全性在 水电站设计过程中受到特别重视。 v压力管道的特点 v压力管道的基本参数 压力管道的主要荷载是内水压力，在工程上 ，管道内径 d(m) 和水头 h(m) 及其乘积 hd(m2)值是标志压力管道规模及其技术难度 的最重要特征值。 随着国内外越来越多的大型常规电站和抽水 蓄能电站的兴建，管道的hd值急剧增长，压 力管道日益向着巨型化和超巨型化发展。 三峡工程，坝式电站，d12.4m，h140m ，hd1730m2； 山西西龙池抽水蓄能电站d3.5m，h1015m ，hd3552m2； 国外hd值最高的出现在抽水蓄能电站，已超过5000m2） 按材料分 按布置方式分 v压力管道的类型 露天式（明钢管） 地下式（地下埋管） 混凝土坝身管 钢管 钢筋混凝土管 钢衬钢筋混凝土管压 力 管 道 中高水头电站 中小型电站 hd值较大电站 木管应用较少 木管 钢筋混凝土管 钢管管节 明管 (exposed penstock)：暴露在空气中， 一般在引水式地面厂房电站中采用。 按照材料的不同，明管可分为： a钢管,白山二期电站的压力管道 b钢筋混凝土管：普通钢筋混凝土管因易于 开裂，在工程中应用很少，一般只用在hd值 50m2的电站。 c钢衬钢筋混凝土管：钢衬与外包钢筋混凝 土联合承载，可减小钢衬厚度；按限裂设计，充 分发挥钢筋作用，适用于hd值较大的电站。云南 的依萨河电站是我国第一个采用地面式钢衬钢筋 混凝土管的电站。 明 管 示 意 图 为了使管壁受力 均匀，支座处管 壁加支承环； 为保持钢管抗外 压稳定，有时在 支承环间加设加 劲环。 地下埋管 (underground penstock) ：埋藏 于地下岩层中的钢管，它可以是斜的，垂直的， 因此也被称为斜井，竖井。 地下埋管是大中型水电站中应用最多的一种 压力管道。目前，国内外装机容量为100万kw以 上的常规水电站和抽水蓄能电站中，大部分采用 了地下埋管。 特点：这种管道布置灵活，能和围岩共同承 担水压力，并且运行不受干扰，维护简单。但是 在地下水压较大的地方，管道受外压失稳的威胁 比较大，因此对地下埋管一般需要进行衬砌。 地下埋管示意图 按照衬砌形式的不同，将地下埋管分为以下四类： 分类适用条件应用情况工程实例 不衬砌地质条件很好 在挪威应 用的较多 广西天湖水电站 压力竖井和斜井 喷锚或钢筋 混凝土衬砌 地质条件稍差 在抽水蓄 能电站中 广蓄和天荒坪抽 水蓄能电站 钢衬+回填 混凝土 地质条件很差， 对防渗要求较高 应用比 较广泛 二滩水电站和鲁 布革水电站 钢衬钢筋混 凝土衬砌 地质条件稍差， 施工非常复杂 工程中很 少应用 在国内只有天生 桥电站中采用 混凝土坝身管 ：这种管道形式一 般依附于坝身，并且在混凝土坝后式水电 站中应用非常广泛。 特点：它由于进水口设于坝体，结构 紧凑简单，因此引水长度最短，水头损失 小，机组调节保证条件好。但是管道的安 装会干扰坝体施工，同时，坝内埋管空腔 会削弱坝体，使坝体应力恶化。 混凝土坝身管按照管道在坝身上的不同 位置，可以分为以下三类： a坝内埋管 (penstock embedded in dam) b坝上游面管 (penstock laid on upstream surface of dam) c坝下游面管 (penstock laid on downstream surface of dam) 布置在坝体内部,多为坝后式或坝内式厂房采 用。布置型式有竖井式和斜井式。工程实例：直 径最大的是广西红水河岩滩电站钢管，d=10.8m。 坝内埋管 坝后式厂房坝内式厂房 管道大部分位 于水库内，检修 维护很困难，在 国内工程中很少 使用，比较典型 的是伊朗的卡比 尔水电站。 坝上游面管 由于进水口较 高，减少了对坝 体的削弱，同时 有利于保持大坝 的整体性，因此 在工程中应用很 广泛。在我国东 江和紧水滩水电 站都采用了这种 型式。 坝下游面管 按布置方式分分类 明管：暴露在空气中 (无压引水式电站) 钢管 钢筋混凝土管 钢衬钢筋混凝土管 地下埋管: 埋入岩体。 (超过100万kw 以上的常规水电站 和抽水蓄能电站) 不衬砌 喷锚或混凝土衬砌 钢衬+回填混凝土 钢衬钢筋混凝土衬砌 混凝土坝身管： 依附于坝身 (混凝土重力坝及重力拱坝) 坝内管道 坝上游面管 坝下游面管 v压力管道类型小节 管道与厂房的相对位置主要取决于整 个厂区枢纽布置中各建筑物的布置情况， 另外水电站机组往往不止一台，压力管道 可能有一根或数根，压力管道向机组的供 水常有这样三种类型 ： 3. 压力管道的供水方式与水力计算 v压力管道的供水方式 v压力管道的供水方式 单元供水 联合供水 分组供水 1单元供水：一管一机。机组前不设快速阀门。 v优点：结构简单(无岔管)、工作可靠、灵活性好 ，易于制作 v缺点：相同水头损失下，造价较高 v布置：平面尺寸大，与前室、调压室连接困难 v适用：(1) 单机流量大、长度短的地下埋管或明管 ； (2) 混凝土坝内管道 v压力管道的供水方式 2联合供水： 一根主管，向多台机组供水。单机规模大，多分 岔管。机组前设快速阀门。 v优点：相同水头损失下，造价较低 v缺点：结构复杂（岔管）、灵活性差 v布置：较容易 v适用：广泛应用于地下埋管和明管，机组数较 少、单机流量较小、引水道较长。 v压力管道的供水方式 v压力管道的供水方式 2分组供水： 设多根主管，每根主管向数台机组供水。单管规 模适中，少分岔管。设快速阀门。 v造价：介于前两种之间 v布置：介于前两种之间 v适用：广泛应用于地下埋管和明管。压力水管 较长，机组台数多，单机流量不大的情况。 供水方式选定以后，每条管道通过的流 量也随之确定，接着应对管道直径进行 选择。 由于管道费用较高，直径越小，管道用 材及造价越低，但管中流速越大，水头 损失与发电损失也越大。因此管道直径 应进行经济比较选定。 v压力管道直径的选择 压力管道的直径通过动能经济计算确定。 一般做法是：初拟几个直径，进行动能经济 比较，选定最优直径。 初设时可用下列经验公式初定管道直径。 qmax钢管的最大设计流量 ，单位：m3/s hp设计水头，m。 v压力管道直径的选择 k为系数，它与摩阻、材料价格、折旧费、维 修费、电价、管道年运行小时等因素有关。 1、恒定流计算：主要是为了确定管道的 水头损失，它包括摩阻损失和局部损失。 （1）摩阻损失： （曼宁公式）；每米管长 内摩阻损失。 （2）局部损失（包括进口、拦污栅、门槽、 渐变段、弯段、分岔管等处局部损失）： v压力管道水力计算 ：局部损失系数； 2、 非恒定流计算：即水锤计算（七、八、九章） （）确定最高压力线及其分布： 正常工况（上游正常高水位，机组丢弃全负荷） 特殊工况（上游最高发电水位，机组丢弃全负荷） （）确定最低压力线及其分布： 最低压力线上游最低发电水位，即死水位时， 电站最后一台机组投入运行，或是机组丢弃负荷 由正水锤反射而成的负水锤。 校核管线布置时要求管顶至少应在最低压力线以 下2m。 压力钢管长期承受高的内水压及力以及 水锤冲击等动力作用，属于压力容器类 结构，对材料要求严格，早期压力钢管 事故多为选材不当所致。 3.3 钢管的材料、容许应力和管身构造 v钢管的受力 管道的受力构件有管壁、加劲环、支承环、支座 滚轮、支承板等。 v工作特点：内水压力大，并经常承受冲击荷 载的作用；低温状态下工作(水温在4左右) 对钢材的工作条件不利。 v制作过程： 板裁：冷卷、辊压成形； 现场焊接 ( 焊前对钢材和焊接材料进行材 质检验、可焊性试验，保证材料质量)； 检查焊缝( 射线、超声波) v压力管道的工作特点和制作程序 钢材的屈服强度 抗拉强度 （屈强比 / ） 断裂时的延伸率 冲击韧性 （反映材料抵抗冲击能力） 塑性指标（伸长率和断面收缩率） 机械性能 辊轧 冷弯（塑性变形、冷作强化、冷脆） 焊接（工艺简单 ，无裂纹和残余应力） 加工性能 化学成分：主要是钢材的化学和合金的含量方面的要 求。它们影响钢材的强度、焊接性能。例如含碳不 要过高(脆)，硫、磷等有害元素需严格控制。 v钢材的基本性能 机械性能：一般来说，强度越高，塑韧性越差。 对于压力钢管这样的容器，良好的塑韧性十分重 要，它能使结构应力趋于均匀，减少应力集中， 提高承载力，防止脆断，增加安全性，有利于冷 加工成型和焊接。宁可强度低而保证塑韧性高。 举例来说：a3 钢塑韧性好，但容许应力（240）低； 16mn钢强度较高（330），但塑韧性差。 当hd值不够大时，选择 a3钢； 只有当 hd600m2，=32mm40mm， a3 钢不易 加工时采用16mn。 常用钢材 高强钢 钢管一般采用镇静溶炼的热轧平炉低碳钢或低合金 钢。 v常用钢材 我国： 日本： 美国： 原苏联： 高强钢 a517 1、优点：工艺简单，价格不贵。加工和焊接性 能良好。就是钢材屈服强度不高。一般 a3、 16mn不需论证，可直接采用。 2、缺点：随着水电站钢管参数的提高，常用钢 材已不能满足要求，如继续采取强度等级低的钢 材，钢板厚度必然增加。当厚度增加到一定程度 时，加工焊接和运输都会出现困难，造价也将增 加。 要改善这一状况，必须采用强度等级高的钢材。 常用的钢材优缺点 高强钢优缺点 1、优点：经济上有利。钢管厚度可以减薄， 用材量少，运输、加工、焊接、安装等费用 可降低，总成本相对较低。另外，由于重量 轻，有利于将管节焊成较长管段进行安装， 可缩短工期。 2、缺点：含有镍、铝等合金元素，价格高， 焊接较困难。 注：若采用高强钢，要有充分的论证。 v钢材的容许应力 水电站钢管多按允许应力设计，允许应力常以钢 可参考k ，安全系数 材屈服强度百分比表示。 有关规范。 应力区域膜应力区局部应力区 荷载组合基本特殊基本特殊 内力性质轴力轴力 轴力 弯矩 轴力 轴力 弯矩 允 许 应 力 明管0.55s0.7s0.67s0.85s0.8s1.0s 地下 埋管 0.67s0.9s 坝内 埋管 0.67s 0.8s 0.9s 对基本荷载组合，对明管和钢管膜应力区， k 取大值，即取小值； 对特殊荷载组合，对埋藏式钢管和钢管的局部 应力区，k取小值，即取大值； 对于屈强比大的钢材，试用新钢材和弯管、岔 管或特别重要的部位，需适当降低； 另外，焊缝强度的折减系数 ，应根据焊缝类别 和探伤要求，取为0.900.95。 第四强度理论: 其中： 焊缝系数一般可取0.9 - 0.95, 与焊缝方法、 探伤标准、建筑物等级有关。 可忽略时，强度校核可近似表示作： v钢材的强度校核 钢管环向，径向和轴向应力; 钢管各方面剪应力; 压力钢管按其构造又分为无缝钢管、焊接 管和箍管，其中焊接管应用最普遍。 1、无缝钢管 无纵缝，横缝用焊接、法兰连接成整体， 强度高，造价高，施工困难。 国内：d60cm；国外：d120cm。 适用高水头小流量电站。 v管身构造 钢管管节 2、焊接管： 钢板按要求的曲率辊成弧形，焊接成管段。 适用于各种直径、水头，造价低。 (1) 纵缝：焊缝交错排列，避开两个中心轴 。 (2) 相邻管壁厚度差2mm，内部光滑，外 部成台阶状。 焊接管 3、箍管：钢管外加钢箍。应用少。直径一般不大 于3.0m 。 当hd1000m2时，钢板厚度一般会超过40mm， 对如此厚的钢板进行焊接和压卷很困难，常采用 箍管，由管壁与管箍共同承担内水压强。在光滑 的无缝钢管或焊接管上套管箍，可减小壁厚。 钢管最小厚度：min(d/800+4)mm，或6mm 防腐、防锈措施： 涂料、喷镀、化学保护。加防锈厚度2mm。 箍管 教材中对焊接管一些最主要的构造要 求作了说明，如（最小壁厚、管径变 化、焊缝要求、椭圆度、管壁防锈厚 度等），进行具体设计时需查阅有关 规范。 比如：对于明钢管， 1. 纵缝不应布置在横断面的水平轴线和垂直轴线上， 与轴线的夹角应大于10o 。 2. 管壁最小结构厚度为： , 也不宜小 于6mm。并且要考虑 2mm 锈蚀厚度。 3. 钢管安装完毕后，其椭圆度（即相互垂直的两管径 的最大差值与标准管径之比）不得超过0.5%等。 主要的构造要求 3.4 明钢管线路选择和布置 v明管线路选择 (1)管道线路应尽可能短而直，以降低造价，减少水头 损失，降低水锤压力和改善机组运行条件。 (2)选择良好的地质条件，使钢管支承在坚固的地基上 。避开可能滑坡和崩塌的地段，以及对个别地段采取 切实可靠的防护措施。 (3)尽量减少管道线路的起伏波折。管线应避免与交通 线路或其他管道交叉，不可避免时设专门桥涵互相隔 离并采取其他安全措施。 特,明管的线路选择应与水电站引水系统中其他建筑物 .别是前池或调压室还有和水电站厂房的布置统一考虑 正向引进： 钢管轴线与厂房纵轴线垂直。 优点：水流平顺，水头损失小。缺点：管道 破裂，高压水流对厂房和人员的威胁大。 适用：中低水头电站；高水头增加防护措施 斜向引进： 介于正向引进和纵向引进之间。 当地形、地质、引水系统及厂房布置 要求适宜时采用这种布置方式。 适用：分组供水和联合供水的水电站 纵向引进： 钢管轴线与厂房纵轴线平行。 优点：减轻了对厂房人员威胁。 缺点：水头损失增加，开挖量增加 适用：高中水头电站 明 管 布 置 一、明钢管敷设方式 明钢管一般敷设在一系列支墩上，离地面不小 于60cm，支墩仅起支承管身的作用，管身可在 支墩的支座上移动；转弯处设镇墩，将水管完 全固定，相当于梁的固定端。 按两镇墩间是否设伸缩节，明钢管敷设方式可 划分为： v明钢管敷设和支承方式 连续式分段式 明 钢 管 敷 设 方 式 示 意 图 连续式: 两个镇墩之间的管段是连续的即不设伸缩节。 由于水管两端受镇墩的约束，所以当温度变化时， 管壁中会产生很大的温度力，对镇墩的稳定不利。 除了在特殊部位，一般很少采用这种方式。 分段式: 在两个镇墩之间的钢管上设置一个伸缩节。为 减少伸缩节内内水压力和便于安装钢管，伸缩节宜 设在靠近镇墩的下游侧。当温度变化时，水管可以 沿轴线方向自由伸缩，从而消除了管壁内的大部 分温度应力，也减小了作用在镇墩上的作用力， 同时还能适应少量的不均匀沉陷和变形。 （一）支墩 1、作用：支承钢管，承受管重和水重的法 向分力，相当于梁的滚动支承。温度变化 时允许水管在轴向自由移动。 2、类型： 支墩按其支座与管身相对位移的特征分： 滑动式支座（鞍式、支承环式）； 滚动式支座； 摇摆式支座。 v明钢管的支墩和镇墩 支墩 鞍形滑动式支座： 将管道直接支承在一个鞍形的混 凝土支座上，包角为90o-120o。其 结构简单，但管身受力不均匀， 摩擦力大（支座上铺钢板，同时 接触面加润滑剂），适用于直径 小于1m的钢管。 支承环式滑动支墩： 钢管通过支承环放置在鞍形支墩 上，改善了支承部分管壁的受力 不均匀现象，适用于直径小于2m 的钢管。 滚动式支座 特点是在支承环与支承面之间设 置圆柱形辊轴，摩擦系数小，常 用于垂直荷载较小而管径大于 米的钢管。 摆动式支座 在支承环和支承面之间设一个可 以摆动的短柱，其下端与支承板 铰接，上端以圆弧面与支承环的 上托板接触，钢管变形时，短柱 前后摆动，摩擦力很小，用于管 径大于米的钢管。 （二）镇墩 1、作用： 将钢管固定在山坡上，主要承受因管道转弯而产 生的轴向不平衡力，不允许管道在镇墩处发生任 何位移。镇墩是依靠自重来维持稳定。 2、布置：在水管转弯处，直线段不超过150m。 若超过可在其间加设镇墩；若管道纵坡较缓，也 可不加镇墩，而将伸缩节置于该管道中部，以减 少管身与支墩间摩擦力引起的钢管轴力。 支承环 镇墩 支墩 伸缩节 加劲环 3、类型： 镇墩依靠本身重量固定钢管，一般用混凝 土浇制，按钢管在镇墩上的固定方式，分 为封闭式和开敞式两种形式。 将弯管段用锚拴锚在管道 下部的混凝土墩上，镇墩 处管道受力不均匀，但易 于管道检修。应用较少。 将弯管段整个埋在混凝土中， 在镇墩表面布置温度筋，钢管 周围设环向钢筋和一定数量的 锚筋。固定管道效果较好，结 构简单，镇墩处管道受力均匀 。应用广泛。 封闭式 开敞式 环向钢筋和锚筋 锚拴 3.5 镇墩结构分析 (1) 内水压力 正常蓄水位的静水压力； 正常工作情况最高水位（正常蓄水位、丢弃全负荷） 特殊工作情况最高水位（最高发电水位、丢弃全负荷） 水压试验内水压力 (2) 钢管结构自重。 (3) 钢管内满水位。 (4) 钢管充水、放水过程中，管内部分水重。 (5) 温度变化引起的力，即伸缩节和支墩的摩擦力。 v作用在钢管及墩座上的力和荷载的种类 (6) 管道直径变化处、转弯处及作用在闷头、闸阀 、伸缩节上的水压力。 (7) 镇墩、支墩不均匀沉陷引起的力。 (8) 风荷载。 (9) 雪荷载。 (10) 施工荷载。 (11) 地震荷载。 (12) 管道放空时通气设备造成的气压差。 v计算工况与荷载组合 荷载组合包括基本荷载组合和特殊荷载组合。 1、 基本荷载组合 (1) 正常运行情况一： +（2）+ （3） + （5） + （6） + （7） (2) 正常运行情况二： +（2）+ （3） + （5） + （6） + （7）+ （8）或（9） (3) 放空工况：（12） 2、 特殊荷载组合 (1) 特殊运行情况： +（2）+ （3） + （5） + （6） + （7） (2) 水压试验情况： +（2）+ （3） + （5） (3) 施工情况：（2）+ （5） + （8）或（9） + （10） (4) 充水情况： （2） + （4） (5) 地震情况： +（2）+ （3） + （5） + （6） + （7）+ （11） 在进行钢管应力分析时，由于实际情况很 复杂，可能有不同情况出现，各作用力并 不是在任何情况下同时出现。应根据管道 的满水、放空、温升、温降等情况，找出 最不利的荷载组合，进行设计。 v作用在钢管及墩座上力和荷载 v管轴线方向上的力 垂直于管轴线方向上的力 径向水压力 水管自重的 轴向分力 作用在阀门上 的内水压力 水管转弯处 的内水压力 水管直径 变化处的 内水压力 伸缩节端部 的水压力 温度变化时伸缩 节填料的摩擦力 温度变化时 水管与支墩 的摩擦力 水在水管转弯 处的离心力 v管轴线方向上的力 每米长水管重量； 管段计算长度； 管轴线与水平线之 间的夹角； （一）水管自重的轴向分力 （二）作用在阀门上的内水压力 p：内水压强；阀门全开时，该力不存在 （三）弯管处的内水压力 （四）水管直径变化处的内水压力 d01，d02：渐缩管最大和最小内径。 （五）伸缩节端部的内水压力 d1，d2：套筒式伸缩节内套管外径和内径。 1：伸缩节止水填料与钢管的摩擦系数； b：填料沿管轴线长度。 注意：温升温降作用力方向不一样。 （六）温度变化时伸缩节填料的摩擦力 q：每米管长管与 水重。 f : 管壁与支座的 摩擦系数。 注意：温升温降作用力方向不一样。 （七）温度变化时支座对钢管的摩擦力 ：管中平均流速； r：离心力; a8 : 离心力在管轴线方 向的分力。 （八）水在水管转弯处的离心力 将作用在明管及镇墩墩座 上管轴线方向的力全部画在镇 墩轴线处。然后根据大小和方 向进行求和。 求出： 管轴向作用力符号： +：钢管下行方向； ：钢管上行方向。 钢管自重分力钢管内水重分力 每米管长管内水重每米管长钢管自重 v垂直于管轴线方向上的力 v径向水压力 h：水头，算到计算截面管道中心。 前面介绍了作用于管身、镇墩、支墩上 的作用力及其计算公式。风荷载、雪荷 载、 地震荷载及土压力等并未列出，可 参照有关规范。这里不作介绍。 3.6 镇墩和支墩结构设计 根据管道的满水、放空、温升、温降等情况 ，找出最不利的荷载组合，进行设计。 镇墩的设计包括： 1、抗滑稳定计算； 2、地基应力校核； 支墩的结构设计内容与镇墩分析相似。 v设计内容 一、作用力分析： 镇墩承受明管传递来的轴向力、剪力、 弯矩等荷载，其中轴向力 为主要外 荷载。镇墩必须以其自重来平衡外荷载 ，以满足抗滑动和抗倾覆稳定和地基承 载能力的要求 。 v镇墩结构分析 将前面求出的轴向力总和沿 x 轴和 y 轴方向进 行投影，求出 。 设 x 轴水平顺水方向为正，y轴垂直向下为正， 水管轴线交点为坐标原点。 二、拟定镇墩尺寸，求重力及中心位置 1、镇墩尺寸要求： 镇墩尺寸要求将钢管的拐弯段完全包住 。 为使钢管受力均匀，而镇墩上游面垂直管 轴，管道的外包混凝土厚度不宜小于管径的 0.40.8倍。 为维护、检修方便，管道底距地面不宜小 于0.6m。在地基上的镇墩底面常做成水平。 镇墩地基应坚实、稳定、可靠 。 在严寒地区，镇墩埋深应在冰冻线下1m， 对岩基不少于0.5m。 地震区应将镇墩较深地埋入地基中并适当 加大基础面，同时减小镇墩间距。 按以上六点要求拟定镇墩尺寸，求出镇墩的 重心位置以及重量g。 三、求合力r以及偏心距 利用图解法或数解法求 g 和 的合力作用 点位置及偏心距e。 如下图所示。 合 力 r 及 其 作 用 点 示 意 图 ：抗滑稳定安全系数； ：镇墩与地基间摩擦系数； ：抗滑稳定安全系数允许值。规定 值见课本表3-5或下表。 抗滑稳定计算公式： 四、镇墩抗滑稳定计算 建筑物等级 荷载组合 基本特殊 1.51.3 1.41.2 1.31.1 抗滑稳定安全系数 根据偏心受压公式，进行 地基应力校核。 为地基允许承载能力。 要求镇墩底部均为压应力 并要求镇墩底部避免出现拉应力。 五、镇墩地基应力校核 v支墩结构分析 支墩承受管重和管内水重的法向分力、钢管与 支座之间的摩擦力。支墩结构分析原则、内容 与镇墩相似，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、抗倾覆稳定及地基承载力校核 一、作用力分析 作用在支墩上的力，如图有： 1、作用于支墩上的钢管自重分力及水重分力： 2、钢管与支墩间的摩擦力a7 3、支墩自重 支墩受力示意图 二、求出作用力在水平方向和垂直方向的分力 以支墩顶面中点为坐标原点，取水平轴 x 顺水 流为正，竖轴 y 向下为正，求出各力叠加后的水 平分力和竖直分力如下： 三、抗滑、抗倾覆稳定及地基承载力校核 1、抗滑稳定计算： ：允许抗滑稳定系数。 2、抗倾覆稳定 抗倾覆力矩总和； 倾覆力矩总和。 允许抗倾覆稳定系数；设计工况取值 1.5，校核工况取值1.2。 计算时根据对稳定最不利的情况用a7的正号或负号 3.7 明钢管闸门、阀门和附件 1、闸门及阀门 压力管道进口设快速闸门(事故门)(在前 池、调压室、水库等位置)。 对于联合供水或分组供水的管道，在水 轮机进口前应设快速阀门 (事故阀门) ， 其型式有蝴蝶阀、球阀。 v闸门和阀门 闸门 蝴蝶阀球阀 (1) 蝴蝶阀(butterfly valve) 优点：启闭力小，操作方便迅速，体积小,重量轻， 造价低。 缺点：开启状态时，阀体对水流有扰动，水头损失 较大；关闭状态止水不严。动水中关闭，在静水中 开启 。 蝴蝶阀关蝴蝶阀开 (2) 球阀：球形外壳+可旋转的圆筒形阀体+附件。 优点：开启状态时没有水头损失，止水严密，能承 受高压。 缺点：结构复杂，尺寸和重量大，造价高。 适用：高水头电站。 球 阀 球阀关球阀开 附件包括伸缩节、通气阀和排水管、进人孔等。 v明钢管附件 伸缩节：是在两段钢管间设置的柔性联结结 构，其允许钢管在一定范围内自由伸缩、相 对错动和转动，从而减小了钢管的轴向应力 、剪应力和弯曲应力，使钢管的受力状态得 以改善。 通过设置伸缩节，钢管可轴向伸缩，消除大 部分温度应力，且可适应少量不均匀沉陷。 常在上镇墩的下游侧 。 伸缩节的型式较多，常见的几种见下图。 (a)单向滑动套筒式伸缩节 (b)双向滑动套筒式伸缩节 只能有轴向位移。结构 简单，制造、安装、运 行及检修均较方便。 结构较复杂，可以有轴 向位移，也可以有稍微 的径向位移。适用于地 质条件差的情况或者有 径向位移的伸缩沉降缝 处的钢管部位。 止水均靠止水填料 (c)波纹管伸缩节 波纹管伸缩节是完全封闭式的伸缩节，由一个或几个 波纹管及结构件组成，用来吸收由于热胀冷缩、基础 沉陷、振动等原因引起的管道相对变位。 它不存在常规套筒式伸缩节的止水材料，因此不会漏 水，也无需在运行期间更换止水材料。这是波纹管式 伸缩节优于传统的套筒式伸缩节最显著的优势。 3、 通气阀 作用：当阀门紧急关闭时，向管内充气，以消除管 中负压；水管充水时，排出管中空气。 位置：阀门之后 4、 进人孔 作用：检修钢管、修理和涂装； 位置：镇墩上游侧； 尺寸：直径大于45cm圆孔或45cm50cm椭圆孔。 间距：不大于200m设一个。 5、 旁通阀及排水设备 旁通阀：设在水轮机进水阀门处； 作用：阀门前后平压后开启，以减小启闭力。 排水管：在检修水管时用于排出管中的积水和 泥沙。 位置：设置在钢管的最低处。 (1) 内水压力(包括静水压力、动水压力、水重等)。 (2) 钢管自重。 (3) 温度变化引起的力。 (4) 镇墩和支墩不均匀沉陷引起的力。 (5) 风荷载和雪荷载。 (6) 施工荷载。 (7) 地震荷载。 (8) 管道放空时通气设备造成的气压。 3.7 明钢管的管身应力分析及结构设计 v荷载及组合 荷载组合 每种荷载都有其不同的作用分载系数。风 荷载、雪荷载、地震荷载等需查阅水工 建筑物荷载设计规范。 钢管结构设计应根据承载能力极限状态的 要求，对不同设计状况下可能同时出现的 作用，进行相应的作用效应组合，对明钢 管要求的组合见规范。 结构设计状况：持久状况、短暂状况、偶然状况。 三种设计状况均应进行承载能力极限状态设计。 持久状况还应进行正常使用极限状态设计，短暂状 况可根据需要进行正常使用极限状态设计。 承载能力极限状态：指钢管结构或构件，或达到最 大承载能力、或丧失弹性稳定、或出现不适合于继 续承载的变形。 正常使用极限状态：钢管结构或构件达到正常使用 或耐久性能的某项规定限值。 v结构设计状态 v按照设计规范要求，明钢管要求进行承载 能力极限状态验算，其内容包括： 主要结构构件的承载能力计算，管壁和 加劲环的抗外压稳定计算。 如有必要应进行镇墩和支墩抗倾、抗滑 及抗浮验算； 如有抗震要求，还应进行抗震承载能力 计算。 承载能力极限状态验算内容 在进行管道结构计算时，要注意以下几个问题： 坐标系如何选取？ 每一管段有哪些几个控制断面？ 各控制断面应力计算点（顶、底、侧、内点、 外点），应力的方向？ v管身应力分析和结构设计 管壁厚度估算 选取坐标系 选取计算断面 计算管身应力 校核钢管强度 分 析 步 骤 锅炉公式 柱坐标系 第四强度理论 v分析步骤 1、管壁厚度估算 0.75：因未考虑其他荷载，降低 0.25；按上式估算 厚度需另加2mm防锈厚度，且需满足： 为允许应力； 焊缝系数，考虑焊缝强度降低。 可由应力求壁厚： 根据力的平衡： (锅炉公式) 明管要求： 最小厚度： 选取柱坐标x、r、（轴向、径向、环向） 2、坐标系选取 按荷载的作用方向可以将其分为轴向力、径向力 和环向力。 3、计算断面的选取 压力钢管象一个多跨连续梁一样，其弯矩图、剪 力图如图所示。 计算断面： 1、跨中断面1-1， 2、支承环旁管壁膜应力区边缘，断面2-2； 3、加劲环及其旁管壁，断面3-3。 4、支承环及其旁管壁，断面4-4。 跨中断面11: 支承环附近，但又不受支承环影响的 2-2 断面： 只有弯距作用，且弯距最大, 无 局部应力受力最简单； 弯距和剪力共同作用，均按最大值计算，无局部应 力受力比较简单； 4、断面受力情况 加劲环及其旁管壁断面33： 支承环及其旁管壁断面44： 由于加劲环的约束，存在局部应力； 应力最复杂，存在弯距和剪力(支承反力)的作用 ，还有局部应力和附加应力。 5、管身应力计算： 跨中断面 1-1 内水压力产生 的环向正应力 水重和管重的 法向分力产生 的轴向正应力 轴向力产生的 轴向正应力 内水压力产生 的径向正应力 1、内水压力产生的环向正应力 设压力水管中心处的水头为h，而水管轴线与水平 面的夹角为，则在管壁中任意一点(该点半径与管 顶半径的夹角为)的水头为 压力管道水压力分布及管壁微圆弧的受力平衡图 推导出管壁中的切向拉力t 和切向应力 p内水压强； 管轴线倾角； 计算厚度； h计算水头； 环向任意点与管顶半径的夹角 2轴向应力 =水重和管重法向力引起的轴向 应力 +轴向作用力引起的轴向应力 法 向 力 引 起 的 弯 矩 和 剪 力 将钢管视为一根连续的空心梁，支承在镇墩和一系 列的支墩上。下端的镇墩作为固定端，上端伸缩节 处作为自由端，法向力相当于均布荷载作用在连续 梁上，如上图所示。跨中管壁的方向各点应力为： (1)水重和管重法向力作用引起的管壁轴向应力 m水重和管重的法向分力作用下连续梁的弯矩； w连续梁(空心圆环)的断面模数， (2) 轴向力引起的轴向应力 在轴向力的合力a作用下，管壁中产生的轴向 应力为 ，管壁的断面积为f，则 a上图中作用在钢管上所有的轴向力总和； f横断面面积。 3径向应力 在水管内表面承受内水压力，作用于径向的应力 等于该处的内水压强。即： 管壁内表面: ， “-”表示压应力。 管壁外表面： 这个力较小，一般计算中可以忽略。 另外，由于跨中1-1断面无剪力，所以 x=0。 支承环附近 2-2 断面 内水压力产生 的环向正应力 水重和管重的法向分 力产生的轴向正应力 轴向力产生的 轴向正应力 内水压力产生 的径向正应力 水重和管重的法向 分力产生的剪应力 v 2-2 断面虽然靠近支承环，但在支承环的影响范围之 外，即不考虑支承环对管壁的约束作用。为了安全起 见，认为该断面的弯矩和剪力与支承环断面相等。 v跨中断面和支承环断面的管道弯矩大小相等，方向相 反，支承环处存在剪力v。根据材料力学，在垂 直于管道轴线的横断面上剪应力的计算公式为 v管重和水重的法向分力作用下连续梁的剪力； sr计算点以上管壁环形截面积对重心轴的静矩， b受剪截面宽度， ； j截面惯性矩， 。 当=0(管道顶部)和 =180(管道底部)时， =0； 当=90(管道侧面中点)时，达到最大值， 2-2 断面受力示意图 加劲环 3-3 断面 内水压力 产生的环 向正应力 水重和管重 的法向分力 产生的轴向 正应力 轴向力产 生的轴向 正应力 内水压力 产生的径 向正应力 水重和管 重的法向 分力产生 的剪应力 局部剪力 产生的环 向正应力 局部弯矩 产生的轴 向正应力 局部剪力 产生的剪 应力 中面 内外缘 加劲环断面3-3：加劲环处的管壁由于加劲环的约 束， 在内水压力及环重作用下径向变形受限，发 生局部弯曲，因此 3-3 断面与 2-2 断面相比，增 加了局部弯曲应力，环向应力也因支承环的影响 而改变。 加劲环在管壁中引起的局部弯曲应力随离开加劲 环的距离而很快衰减，影响范围长度为： 对于影响范围以外的 管壁，不受加劲环的 影响，也就不存在局 部应力，我们称之为 膜应力区； 对于影响范围以内的 管壁我们称之为局部 应力区。 水重和管重的法向分力产生的轴向正应力 轴向力产生的轴向正应力 局部弯矩产生的轴向正应力 1）轴向正应力有： 前面 已说明，下面 需求 。 在内水压力作用下，管壁和加劲环均向外变形，由 上图可见 ： （几何方程） （虎克定律） 求解 ，需先求出加劲环处的局部弯矩和局部剪力。 （虎克定律） 加劲环处在 m 和 v 共同作用下，只产生径向位移， 不产生角位移，则需满足下列条件： 处在 m 和 v共同作用下，该处管壁径向缩小为： 联立求解，即可解出 。 其中： 上述共有5个方程，有5个未知数即 加劲环有效截面积，包括管壁等效冀缘。 由此可得 ： =0.3，则： 对加劲环，其静截面除承受径向的均匀内水压力pa 外，还承受外侧径向剪力2v 。总的切向拉应力为： 2）环向正应力 ： 3）剪应力 剪力v在加劲环旁管壁内产生剪应力 ，作用方 向指向管中心： 在管壁中面 在管壁内外缘 因为其值较小，且管壁综合应力的控制点在管壁 内外缘，故 可忽略不计。 4）剪应力 由管重和水重在管壁中引起的剪应力 ： 断面3-3的轴向应力 ， 和剪应力 的 计算均与2-2断面相同。 支承环与加劲环从形式上看都是一个焊套在管壁 外缘的钢环，因此相对于 3-3 断面，断面 4-4 的 支承环由于承担管重和水重法向力q 而在支墩处 引起的支承反力 r ，从而在支承环内产生了附加 应力。 随着支承形式和结构的不同，应力状态也不相同 。支承环的支承方式 分为侧支承和下支承两种 形式。 支承环 4-4 断面 v下图中点划线为支承环有效截面重心轴，它与圆 心距离为半径r，支承反力为 。 v 当采用侧支承时，设支承反力离支承环重心轴距 离为b。根据分析，在设计时取 b=0.04r，可使环 上最大正弯矩与最大负弯矩接近相等，则钢材性 能得到最充分的发挥。对下支承取 =3090o。 1 支承环支承方式 支承环支承方式 2 支承环所承受的荷载 (1)管重和水重法向分力产生的剪力； 管重和水重在支承环两侧管壁上产生的剪应力均为， 因此沿管壁圆周单位长度上作用在支承环上的剪力为 (2) 支墩两侧的反力0.5q，钢管一般都是倾斜布置， 支承反力为 ； (3) 支承环自重，但相对较小，可以不计。 3支承环内力计算 v支承环的内力计算常采用结构力学中的弹性中心方 法进行。因为钢管断面是一个对称圆环，是一个三 次超静定结构，可用弹性中心法计算支承环上各点 的内力。 v要进行支承环截面的内力计算，实际上是要计算一 个封闭圆环各断面上的弯矩mr、剪力tr和轴力nr。 支承环计算简图 侧支承下支承 图中弯矩画在受拉一边，正的mr表示支承环外侧 受拉，正的nr表示拉力，正的tr方向如。 b=0.04r时支承环内力图 计算出支承反力产生的弯矩mr、轴力nr和剪力tr 后，它们所产生的应力分别为 zr计算点与重心轴的距离； jr支