第八章(2)水电站压力管道

水电站 武汉大学水利水电学院水电站教研室 第六节明钢管的管身应力分析及结构设计 一 明钢管的荷载和组合 1 荷载内水压力 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 明钢管的计算工况和荷载组合应根据工程的具体情况参照钢管设计规范采用 2 荷载组合 电力版规范荷载分类 电力版规范荷载分类 续 电力版规范明钢管荷载组合 二 管身应力分析和结构设计 明钢管设计内容 镇墩 支墩和管身部分 分析目的 确定管壁厚度和加劲环尺寸 二 管身应力分析和结构设计 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 1 管壁厚度估算 可由允许应力求管壁厚度 根据力的平衡 也可由管壁厚度求应力 考虑焊缝影响 1 管壁厚度估算 按估算厚度需另加2mm锈蚀厚度 且需满足最小结构厚度要求 为允许应力 焊缝系数 可由规范选取 选取柱坐标x r 轴向 径向 环向 2 坐标系选取 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 跨中1 1断面 其特点为 跨中1 1断面特点 支撑环附近 但又不受支撑环影响的2 2断面 其特点为 支撑环影响范围的长度为 支撑环附近2 2断面特点 支撑环3 3断面特点 支撑反力R 影响范围的长度l 支撑环3 3断面特点 1 由水重和管重产生的弯矩和剪力 2 由支撑环 加劲环 约束所产生的局部弯矩和局部剪力M 和Q 3 由支撑反力R在管壁中所产生的弯矩 剪力和轴力 4 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 内水压力产生的环向正应力 D 管内径和管壁计算厚度 cm H 管顶以上的计算水头 cm Hp 管中心处的计算水头 cm 管壁计算点与垂直中线构成的圆心角 管轴线与水平线的倾角 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 注意管顶和管底符号不一样 M由多跨连续梁求出 轴向力产生的轴向正应力 内水压力产生的径向正应力 支撑环附近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 2 2断面与1 1断面相比 仅多了一项由水重和管重的法向分力产生的剪应力 S 某断面以上的管壁对中和轴的静矩 J 管壁的惯性矩 r 管道半径 b 受剪截面宽度 管顶至计算点的圆心角 由水重和管重的法向分力产生的剪应力 支撑环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 支撑反力产生的环向正应力和剪应力 局部弯矩产生的轴向正应力 局部剪力产生的剪应力 支承环3 3断面 支承环处的管壁由于支承环的约束 在内水压力作用下发生局部弯曲 因此3 3断面与2 2断面相比 增加了局部弯曲应力 切向应力也因支承环的影响而改变 支承环在管壁中引起的局部弯曲应力随离开支承环的距离而很快衰减 影响范围长度为 1 水重和管重的法向分力产生的轴向正应力 3 轴向力产生的轴向正应力 2 局部弯矩产生的轴向正应力 前面已说明 下面需求 轴向正应力 支承环3 3断面 轴向正应力 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 轴向正应力 虎克定律 加劲环处在M 和Q 共同作用下 只产生径向位移 不生产角位移 则需满足下列条件 处在M 和Q 共同作用下 该处管壁径向缩小为 轴向正应力 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 由此可得 沿管环向取单位长度 则 对加劲环 其切向应力由支撑环直接承受的内水压力和管壁对支撑环的剪力产生 即 环向正应力 支承环3 3断面 支撑反力产生的环向正应力 对支承环 利用结构力学中的弹性中心法 求出在支承反力的作用下支承环各断面的内力 为了合理利用材料 b与Rk最合理的比值是使支承环上下不同的两个断面最大弯矩绝对值相等 满足这一条件的是 1 水重和管重的法向分力产生的剪应力 2 支撑反力产生的剪应力 3 局部剪力产生的剪应力 剪应力 支承环3 3断面 5 钢管强度校核 钢管的工作处于三维应力状态 强度校核的方法是求出计算应力并与容许应力作比较 而不是直接采用某一方向的应力与容许应力作比较 钢管的强度校核 目前多采用第四强度理论 其强度条件为 式中为焊缝系数 取0 9 0 95 由于一般较小故上式可简化为 按第四强度理论公式校核 如不满足要求 需重新调整壁厚或支墩间距 直到满足要求为止 第四强度理论 三 抗外压稳定校核 概念 结构体型在荷载作用下失去稳定平衡称失稳 临界压力 钢管失去稳定平衡的最小外压值称临界压力 外压稳定 要求钢管可能的最大外压小于临界压力 并有一定的安全裕量 K 2 光面管抗外压稳定计算 明管失稳的原因 管道放空 通气孔失灵在管内形成负压 而管外为大气压造成的 若光面管不满足抗外压稳定要求 则可以加厚钢管壁厚或在钢管外设置加劲环 1 光面管抗外压稳定计算 1 管壁本身外压稳定计算 由于管壁外增加了加劲环 管道失稳时 屈曲波数增加 屈曲波数为 2 加劲管抗外压稳定计算 2 加劲环本身外压稳定计算 两者中取小值 明管管身稳定公式 加劲环外压强度条件 分别表示钢管壁厚 半径 直径 泊松比 弹模 屈曲波数 加劲环间距 分别为加劲环断面积 断面惯性矩 截面形心曲率半径 第七节分岔管 一 分岔管的功用 特点和要求 功用 采用联合供水或分组供水时 即一根管道需要向两台或更多机组供水时 需要设置分岔管 岔管位于厂房上游侧 要求 1 水流平顺 水头损失小 避免涡流和振动 2 结构合理简单 受力条件好 不产生过大的应力集中和变形 3 制作 运输 安装方便 特点 岔管用以分配水流 水流的方向和流态有较大改变 因此水头损失较大 岔管处动 静水压力最大 又靠近厂房 故其安全性十分重要 又岔管水力学条件 结构要求往往互相矛盾 对于低水头电站 应更多考虑水头损失 对高水头电站 有时为了使结构合理简单 可以容许水头损失稍大一些 二 岔管的典型布置 1 卜形布置 适用于从主管中分出一支较小的岔管 或者两条支管的轴线因故不能对称布置时 2 对称Y形布置 用于主管分成两个相同的支管 3 三岔形布置 用于主管直接分成三个相同的支管 若机组台数较多 可采用Y形 卜形或Y形 三岔形组合布置 岔管的主 支管中心线宜布置在同一平面内 使结构简单 主支管壁的交线 称为相贯线 主支管分岔处若相切于一公切球 则相贯线为一平面曲线 三 岔管的结构形式 1 明钢岔管 岔管用钢材焊制而成 全部荷载由钢材承受 明钢岔管按其所用加强方式或受力特点 可有以下结构形式 1 三梁岔管2 内加强月牙肋岔管3 贴边岔管4 无梁岔管5 球形岔管6 隔壁岔管 它为在主 支管的相贯线外侧 设置U梁和腰梁 组成薄壳和空间梁系的组合结构 它的典型布置有Y形 卜形和三岔形 三梁岔管 内加强月牙肋岔管 它由主管扩大段 主锥 和支管缩小段 支锥 组成一个切于同一个公切球的圆锥壳 并沿支锥的相贯线 内插一月牙状的肋板 焊接在管壁上作为加强构件 贴边岔管 它由在主 支管的相贯线二侧一定范围内的内侧或外侧 设置与管壳紧密贴合的补强板而成 它的典型布置是卜形 无梁岔管 它由用主管和支管逐渐扩大的锥壳与中心的球壳比较连续 平顺地联接 不设置任何加固梁 它的典型布置是Y形和卜形 也可布置为三分岔形 球形岔管 它通过球面壳进行分岔 沿主 支管与球壳交接处的相贯线 设置圆环形加强梁 组成球壳和加强梁的组合结构 它的典型布置有Y形和三分岔 隔壁岔管 它由扩散段 隔壁段 变形段组成 各级皆为完整的封闭壳体 除隔壁外 无其它加强构件 地下埋藏式岔管位于岩体内 通常用于地下埋管的末端 其特征是设计时考虑围岩分担岔管的内水压力 有 1 埋藏式钢岔管2 埋藏式钢筋混凝土岔管 地下埋藏式岔管 3 钢衬钢筋混凝土岔管 钢岔管外包钢筋混凝土 两者共同承受内水压力 2 地下埋藏式岔管 三梁岔管设计 在岔管处 由于管壳相互切割 不再是一个完整的圆 在被切割处存在一个环向拉力T 此力称为不平衡力 为维持其力的平衡 需由加强梁向管壁提供的力 U梁 腰梁 三梁岔管的设计就是要求出作用在腰梁 U梁上的荷载 并确定相应尺寸 T 内水压力产生的不平衡力 注意 两支管的T不在一个平面上 H 不平衡力产生的水平分力 V 不平衡力产生的垂直分力 在内压P作用下 沿锥管轴线单位长度管壁的环向力T 锥管的半顶角 rx 计算点的锥管半径 1 管壁环向力引起的荷载 T沿LM方向长度的垂直分量为 T沿LM方向长度的水平分量为 a 支管轴线与主管轴线所夹之锐角 y 相关线垂直坐标 a b 相贯线的半长轴和半短轴 管壁轴向力有以下几种情况 闷头 锥管 伸缩节等 对支管有闷头的情况 单位周长管壁沿母线方向的轴力为 2 管壁轴向力引起的荷载 轴向力T 在相贯线上的垂直和水平分量为 将各梁取脱离体 相互约束代之以剪力与弯矩 将所有荷载作用其上 另外还需可以写出节点处位移与转角的表达式 根据节点力平衡条件 即可求出相应的未知量 从而进行梁的结构设计 真正要计算岔管还需参考许多的参考书和资料 月牙肋岔管设计 月牙肋岔管处的月牙肋是按无矩要求设计的 荷载合力基本通过肋板截面形心 使肋板处于轴心受拉状态