技术规范标准_水电站压力钢管设计规范中外技术标准对照研究宣讲课

08 2011 水电站压力钢管设计规范 中外技术标准对照研究成果宣讲 2014 11 17 水电站压力钢管设计规范 DL T5141 2001 中外技术标准对照研究成果宣讲 1 对照标准选取简介 2 中外标准对照研究成果 2 3 使用标准需关注的主要问题 4 对标工作体会 1 对照标准选取简介 3 1 对照标准选取简介 4 1 对标所用中国规范 水电站压力钢管设计规范 2001版 1 对照标准选取简介 5 2 对标所用外国标准对标研究主要涉及的外国标准有 美国土木工程师协会的 压力钢管 2012版本 日本闸门钢管协会的 压力钢管设计技术标准 2007版 欧洲CECT的 水电站压力钢管设计制造和安装标准 1984版 6 3 对标所用标准情况中国标准 水电站压力钢管设计规范 DL T5141 2001 共分为13章 9篇附录 美国土木工程师协会的 压力钢管 2012版本 共分为18章 日本闸门钢管协会的 压力钢管设计技术标准 共分为2章 欧洲CECT的 水电站压力钢管设计制造和安装标准 1984 共分为7章 6个附录 2 中外标准对照研究成果 7 1 适用范围 8 中外标准均对其适用范围做了规定 中国标准适用于水电站发电引水钢管的设计 美国标准主要适用于压力钢管的设计 制作 安装 试验 运行和维护等 日本标准主要适用于水电站压力钢管的设计与施工 欧洲CECT标准主要适用于水电站压力钢管的设计 制造和安装 2 结构型式 9 中外标准发电引水钢管的结构型式都包括明管和埋管 中国标准中有坝后背管型式 美 日 欧标准没有坝后背管的型式 中国标准中地下埋管是指隧洞钢衬 美国标准是指土中埋管或者回填管 中国标准对回填管等没有规定 美 日标准有专门章节阐述土中埋管和回填管 3 引用标准 10 中国标准将引用的标准全部列出 给出了明确的引用法规或标准 日本标准给出了明确的引用法规或标准 美国标准只给出了两个最常用的规范 其它的包含在规范各章节中 欧洲CECT标准没有给出引用的标准 4 总则 11 中国标准是一本行业规范 其中的强制性条文必须遵守 美国设计手册是介绍压力钢管的设计程序 没有强制性要求 是供缺乏经验的设计者参考 欧洲CECT主要介绍压力钢管的计算 设计和施工 没有强制性要求 是供业主在压力钢管招标和评标时参考 日本标准主要强调钢管设计应考虑安全 经济和技术等因素 5 术语 符号 12 中国标准DL T5141对规范中的术语及其定义 符号及其含义均给出了明确定义和规定 美 日 欧洲标准没查到相关汇总的定义和规定 而分述在各章节中 6 一般管段布置 13 1 中 美 日 欧标准对压力钢管布置要求基本是一致的 压力钢管的布置应根据地质条件 线路 结构型式 引水方式 施工等条件确定 2 中国标准规定明管 坝内埋管 坝后背管以及水轮机前不设进水阀的地下埋管必须在管道首端设快速闸门和必要的检修闸门 水轮机前设进水阀的地下埋管 必须设检修闸门 美国标准规定对于输水系统必须在取水建筑物设事故闸门 可以看出 中美标准对压力钢管设置首部闸门的要求基本一致 仅对地下埋管设置闸门的规定略有区别 6 一般管段布置 14 3 对于弯管的转弯半径 中国标准规定为2 3倍管径 美国标准规定必须等于或大于1倍的管径 但不必大于3倍管径 当转弯半径小于2 5倍管径时必须复核钢管应力 日本标准规定为3倍管径以上 4 对于异型管 中国标准规定进口渐变段长度不宜短于1倍管径 美国标准中规定方变圆渐变段长度为1 5 2倍管径 中美标准规定基本一致 6 一般管段布置 15 5 中 美 日标准对镇墩的布置要求基本一致 相应的都规定了伸缩节的设置条件 中国标准建议将伸缩节设置在镇墩的下游侧 美 日标准没有具体规定 但标准中限制伸缩节至镇墩的距离 美国标准更加明确提出了两者的最大间距不能超过500英尺 约150m 中国标准中规定直管段长度超过150m 可以在其间设镇墩和伸缩节 直管段纵坡很缓且不超过200m 可不设中间镇墩 但要在管段中部设置伸缩节 日本标准中规定直管段较长时 应考虑在中间设镇墩 镇墩的最大间距可取为120m 150m 6 一般管段布置 16 6 中 美 日标准对支座型式的划分基本一致 中国标准将支座的型式分为 鞍形滑动支座 平面滑动支座 滚动支座 摇摆支座 美 日标准对支座型式的划分完全一致 先将支座形式分为鞍形支座和环形支座 然后又将环形支座分为 滑动支座 滚动支座及摇摆支座 6 一般管段布置 17 7 中 美 日 欧标准均规定压力钢管应布置排水措施 以防止外水压力过大 以免造成压力钢管的外压失稳 并做好灌浆 提高围岩的完整性 中国和美国标准还规定应布置观测设施 8 中国标准对于坝内埋管和坝后背管这两种钢管型式 均考虑压力钢管及外部混凝土联合承担内水荷载的作用 而在美 日 欧标准中未查到相关资料 对于这两种型式的钢管均不考虑混凝土的作用 压力钢管单独承担内水荷载 7 材料 18 1 钢材a 中 美 日标准均给出了钢管用钢板应符合的技术标准 中国标准详细地列出了钢管主要受力构件及明管支座可供选用的钢种 美国标准则给出了钢管各部分适用的钢材技术标准 欧洲标准没有找到钢材技术标准及钢种的具体规定 b 中 美 日 欧标准均规定应对钢管主要受力构件所用钢材进行化学成分分析和相关力学性能 拉伸和弯曲等 试验 以保证其达到相应技术要求 只是各国规定的除此之外的额外试验项目略有不同 c 中 美 日标准均以表格形式给出了钢管用钢材的各项强度指标 欧洲标准则是以查图并辅以公式计算的方法来求得钢材强度指标 同时 中 美 日标准均根据不同的钢材种类和厚度 分别列出了钢材的各项强度指标 7 材料 19 2 止水 垫层 混凝土和钢筋材料中国标准给出了伸缩节止水 法兰及人孔止水和钢管外包垫层常用的材料名称 并给出了钢管外包垫层材料的特性要求 美 日 欧标准均末找到相应具体规定 8 水力计算 20 1 中国标准明确列出了压力钢管水力计算的内容及成果 美 日 欧标准未查到相关规定 2 日本标准关于水锤压力升高值最小值规定与中国标准一致 都不应小于正常蓄水位钢管静水压力的10 美国及欧洲标准未查到相关规定 3 中国标准对最高及最低压力线的计算工况给出了详细的说明 美国标准并未对此进行表述 日本和欧洲标准则对最高压力线的计算做出了规定 但未提及最低压力线的计算 9 基本设计规定 21 1 中国规范采用以概率理论为基础的极限状态设计法 以可靠指标量度钢管结构构件的可靠度 按分项系数表达式进行设计 美国标准和日本标准采用容许应力法 欧洲标准则采用安全系数法 2 中国 美国和日本标准都规定了相应的焊缝系数 9 基本设计规定 22 3 中国 美国 日本和欧洲标准都列出了钢管可能承受的荷载 中国规范规定按承载能力极限状态设计时设计状况系数不同 并有相应的作用分项系数 按正常使用极限状态设计时设计状况系数及各种作用的分项系数则均取1 0 美国和日本标准没有设计状况系数规定 各荷载系数均取1 0 4 中国规范规定当对钢管结构构件进行吊装验算时 应考虑钢管自重作用的动力系数 美国 日本和欧洲标准没有相关规定 9 基本设计规定 23 5 中国规范列出了各种管型按承载能力极限状态设计的具体作用效应组合与计算情况 例如明管规定了6种计算工况6种荷载组合 地下埋管规定了4种工况4种荷载组合等 美国标准规定钢管使用情况有6种 荷载组合共21种 日本标准则只计算管内满水时 管内充水时和管内放空时三种工况 欧洲标准列表说明了各种管型需考虑的计算工况和荷载状况 6 中国 日本和欧洲标准均采用第四强度理论 剪切变形能量理论 计算等效应力 美国ASCE标准采用最大剪应力理论 7 抗外压稳定安全系数的取值 中国规范取1 8 2 0 美国标准和日本标准取1 5 2 4 欧洲CECT标准则没有具体规定 10 一般管段结构计算 24 1 明管a 中国和日本标准均给出了明管的管壁 镇墩 支墩上的作用力 美国标准给出了镇墩设计中作用在镇墩上的作用力 b 中国规范列举了应力分析的不同方法 并提出对于钢管管壁 两支座间跨中部分纵向按连续梁计算 在支承环 加劲环附近应计算局部应力 美国和日本标准是从环向应力 纵向应力等具体应力种类方面说明了结构的应力 并列举出应力计算公式 c 对于支承环的受力 中国规范采用弹性力学和结构力学方法即可由管壁应力计算求得支撑环的内力 美国标准提出 支承环应力分析中应将支承环与压力钢管相交处的环向应力与纵向应力进行组合 从而得到最大支承环应力 10 一般管段结构计算 25 1 明管d 对于管壁抗外压分析 中国规范给出了管壁抗外压稳定分析和加劲环抗外压强度及稳定分析 日本标准给出了无加劲环和有加劲环两种情况下的抗外压稳定计算公式 欧洲标准给出明管临界外压计算公式 并考虑了加劲环的稳定性 e 对于镇墩 支墩的要求 中国 美国 日本标准均指出 镇墩 支墩宜设置在稳固的岩基上 以满足承载力和稳定要求 中国规范提出 对于一些稳固欠佳的岩基 应考虑地基不均匀沉降 抗倾覆验算等 美国标准提出 镇墩 支墩处基础的移动是不允许的 对于不好的地质材料 要求有补救措施 日本标准提出 对于不能满足要求的岩基 应采取必要的措施对地基基础进行处理 采用桩基 或对基础进行灌浆处理 欧洲标准指出 业主可根据厂家明确的作用在支墩和支座上的力 来判断地基承载力是否可以满足要求 10 一般管段结构计算 26 1 明管f 对于钢管振动方面 中国规范建议明管进行振动分析以防止共振 美国标准提出通过对压力钢管进行三维有限元的静 动力分析来确定钢管振动频率 从而避免发生共振 日本标准提出应求出钢管的固有频率 避免该频率在水压变动频率附近 10 一般管段结构计算 27 2 地下埋管a 对于地下埋管抗外压分析 中国规范提出光面管抗外压稳定分析常用的公式有伏汉公式 E W Vaughan 包罗特公式 H Borot 阿姆斯图兹公式 E Amstutz 和孟泰尔公式 R Montel 加劲环式埋管的管壁临界外压采用明管的米赛斯公式 R VonMises 美国标准 在地下埋管抗外压分析中 常用的有阿姆斯图兹公式 E Amstutz 和雅可比森公式 Jacobsen 日本标准 在地下埋管抗外压分析中 对没有加劲肋的钢管 一般按阿姆斯图兹公式 E Amstutz 公式计算 有加劲肋时 一般用铁木辛柯公式 S Timoshenko 加劲肋的临界外压一般采用阿姆斯图兹公式 E Amstutz 10 一般管段结构计算 28 2 地下埋管b 对于地下埋管围岩的工程地质条件 中国规范提出 地下埋管应查明围岩的工程地质条件 且对于重要工程 围岩的Er Er0 K0 泊松比 r等地质参数宜由野外试验确定 美国标准提出 每次地质勘察中 要收集场地的背景材料和特殊资料 且资料必须满足按可以接受的可信度水平对土的性能进行预测的要求 c 对于地下埋管承受的地下水压力值 中国规范提出 该值由多种因素确定 日本标准指出 地下水渗透压力可取预定地下水位引起的外压 当钢管周围设置了排水设备则可降低设计压力 10 一般管段结构计算 29 3 坝内埋管中国规范对坝内埋管结构分析作了具体的规定 而美国 日本和欧洲标准均没有相关规定 4 坝后背管中国规范对坝后背管结构分析作了具体的规定 而美国 日本和欧洲标准均没有相关规定 11 岔管布置 结构分析 30 1 布置a 中国 美国 日本 欧洲标准均要求岔管布置应合理 不应产生较大的应力集中和变形 过水时 水流平顺 避免或减少涡流和振动 以减小水头损失 制作费用经济合理 b 中国规范对于岔管轴线和底部高程有一定的布置要求 日本 美国标准对此没有明确的规定 c 中国规范要求在岔管底部最好设置排水管 日本 美国标准对此没有明确的规定 d 对于岔管的分类 中国 美国 日本标准基本一致 11 岔管布置 结构分析 31 2 结构分析a 对于作用在岔管上的力 中国规范提出 对于未埋设在镇墩内部的岔管应考虑温度荷载 并与支管段一起进行结构分析 美国标准规定当温度荷载较为显著时 温度应力大于基本允许应力的10 还需要计算其他附属构件的温度应力 日本标准仅对管内充水工况考虑温度荷载 b 中国规范规定岩石埋深足够时 经论证后结构分析计算中可计入部分岩体抗力 美国标准对此未明确指出 对于外包混凝土衬砌的作用 中国规范将混凝土衬砌与岔管结构当做一个整体 可进行联合受力分析 而日本标准将混凝土当做约束进行分析 11 岔管布置 结构分析 32 2 结构分析c 中国 日本标准对于岔管壁厚都有相应的计算公式 所采用的力学理论也基本一致 但所罗列的可计算的岔管类别范围不同 中国规范所覆盖的范围较日本标准大 美国标准则叙述较为笼统 主要采用有限元法计算 d 对于抗外压稳定 中国规范规定采用与明管抗外压稳定相同的方法进行估算 未查到日本 美国标准明确规定 12 构造要求 33 1 一般要求a 管壁最小厚度要求 中 美 日标准均给出了考虑钢管制造 运输和安装因素的管壁最小厚度 欧洲标准对此未作详细规定 b 对于钢板厚度变化处焊接接口坡度 中 美标准规定一致 均为1 3的坡度 欧洲标准规定为1 4 中国标准给出了环向及纵向焊缝设置间距的具体要求 日本及欧洲标准对纵向焊缝规定了不允许在同一直线上 且不应交叉 中国标准规定更为详细 c 关于钢管焊接焊缝 中国标准给出了按重要性分类的焊缝类别 美国 欧洲标准则给出了不同焊缝形式的焊接样式 12 构造要求 34 1 一般要求d 中国及欧洲标准给出了管口圆度偏差允许值 美国标准按端管节和管身分类 分别给出了管口圆度 周长和直线度等的容差 较中 欧标准更为详细 日本标准则规定了钢管的周长容许误差 e 中国标准规定了消除应力处理的适用范围 美 日 欧标准均未对此作出规定 f 钢管的防腐措施 中国标准仅表述了钢管防腐应考虑的因素 并未对具体防腐措施进行描述 美 日 欧标准均详细给出了钢管防腐应遵循的体系 采取的措施及具体实施环境 12 构造要求 35 2 明管中国标准对镇墩的混凝土强度和钢筋配置构造要求等有明确规定 中 美 日标准对于伸缩节的形式及长度影响因素一致 美国及日本标准都明确给出了伸缩节长度计算公式 钢管进人孔的大小 中 美 日标准规定基本一致 中 日标准还给出了进人孔设置间距建议值 12 构造要求 36 3 地下埋管中国标准规定了地下埋管回填 固结和接触灌浆的压力 且规定了钢管管壁与围岩之间的径向净空尺寸的下限值 中 美标准对于灌浆孔的封堵 加劲环及阻水环的设置原则基本一致 12 构造要求 37 4 坝内埋管中国标准对坝内埋管的安装 回填管周围混凝土的温控措施提出了要求 钢管在跨越坝体纵缝时应使纵缝与管轴垂直 对与混凝土连接的钢管始端提出了必须设置阻水环的构造要求 美 日 欧标准均未对坝内埋管做描述 12 构造要求 38 5 坝后背管中国标准主要规定了坝后背管外包混凝土的强度 钢筋布置构造要求 明确了钢管纵缝与环向钢筋接头之间应满足的要求 美 日 欧标准均为对坝后背管做描述 12 构造要求 39 6 岔管中国标准对岔管为满足水流流态要求而需设置的导流板等相关结构做出了规定 且大型岔管管壁厚度级差不宜大于4mm 美 日 欧标准对岔管相关的计算有描述 但并未明确岔管在体型上应满足的构造要求 13 模型试验 水压试验 40 1 模型试验中国标准对钢管结构模型试验作了详细规定 而美 日 欧标准均无类似规定 13 模型试验 水压试验 41 2 水压试验a 中 美 日标准对水压试验均无强制要求 中国标准要求对部分特殊 新型结构和构件进行水压试验 美 日标准倾向于用无损探伤来代替水压试验 欧洲标准对是否必须进行水压试验无相应规定 b 中国 美国和日本标准均规定水压试验可在工厂或者现场进行 中国标准还建议岔管宜在工厂做单体水压试验 欧洲标准只对工厂水压试验作了规定 c 中 美 日标准均对水压试验压力取值和稳压时间提出了要求 但压力大小和时间长短略有差异 欧洲标准没有水压试验压力和稳压时间的具体规定 13 模型试验 水压试验 42 2 水压试验d 中 美 日标准都指出需要考虑到水压试验可能和实际运行状态不一样的情况 需要注意闷头的影响 欧洲标准无类似规定 e 中 美标准对现场水压试验的充水程序作了具体规定 日 欧标准无相应要求 f 中 美标准规定水压试验管段需要安装通气阀 日 欧标准无相应要求 g 中 美标准对水压试验过程的监测和控制作了详细规定 日 欧标准无类似规定 14 原型观测 运行检查 43 1 原型观测仅中国规范明确规定了应进行钢管原型观测的情况及相应的观测项目 美 日 欧标准均未有此项规定 14 原型观测 运行检查 44 2 运行检查a 中国标准明确指出设计单位应向电站提交运行管理使用说明书 并应在说明书中明确规定应进行运行检查的项目及其要求 美 日 欧标准均未有此类规定 b 中 美 日标准均明确给出了钢管需要运行检查的项目及检查频率 钢管运行检查的诸多项目中 中 美 日标准均共