水电站压力钢管-8 介绍

1、第八章第八章 水电站压力管道水电站压力管道l 作用：作用：从水库、前池或调压室向水轮机输送水量。从水库、前池或调压室向水轮机输送水量。l 特点：特点：坡度陡、内水压力大，承受动水压力，且靠坡度陡、内水压力大，承受动水压力，且靠近厂房，失事后果严重，所以必须安全可靠。近厂房，失事后果严重，所以必须安全可靠。第一节第一节 压力管道的类型压力管道的类型按布置方式分按布置方式分按材料分按材料分明管：明管：暴露在空气中暴露在空气中(无压引水式电站无压引水式电站)钢管钢管( (大中型水电站大中型水电站) )钢筋混凝土管钢筋混凝土管( (小型电站小型电站) )地下埋管地下埋管（隧洞埋管（隧洞埋管) :埋入岩

2、体。埋入岩体。(有压引水电站有压引水电站) 不衬砌、锚喷或混凝土衬不衬砌、锚喷或混凝土衬砌、钢衬混凝土衬砌，砌、钢衬混凝土衬砌，聚酯材料管、木管等聚酯材料管、木管等混凝土坝身埋管：混凝土坝身埋管： 依附于坝身依附于坝身(混凝土重力坝及重混凝土重力坝及重力拱坝力拱坝)，包括：坝内管道、，包括：坝内管道、 坝上游面管、坝下游面管坝上游面管、坝下游面管 钢筋混凝土结构、钢衬钢筋钢筋混凝土结构、钢衬钢筋混凝土结构混凝土结构第一节第一节 压力管道的类型压力管道的类型钢管管节钢管管节 钢筋混凝土管钢筋混凝土管第一节第一节 压力管道的类型压力管道的类型聚酯材料管聚酯材料管 木管木管第二节第二节 压力管道的布

3、置和供水方式压力管道的布置和供水方式一、压力管道的布置一、压力管道的布置压力管道线路选择应结合其它建筑物压力管道线路选择应结合其它建筑物( (前池、调压室前池、调压室) )和和水电站厂房布置统一考虑水电站厂房布置统一考虑。路线尽可能短、直。路线尽可能短、直。( (经济，经济，h hf f和和H H小小) )。地质条件好。山体稳定、地下水位低、避开山崩、地质条件好。山体稳定、地下水位低、避开山崩、雪崩地区。雪崩地区。尽量减小起伏尽量减小起伏, , 避免出现负压避免出现负压; ; 转弯半径转弯半径R3DR3D。避开可能发生山崩或滑坡的地区以及山水集中的地避开可能发生山崩或滑坡的地区以及山水集中的地

4、区，可沿山脊布置。区，可沿山脊布置。明钢管首部设事故闸门，并考虑事故排水等明钢管首部设事故闸门，并考虑事故排水等二、压力管道引进厂房的方式二、压力管道引进厂房的方式1.正向引近：低水头电站。水流平顺、水头损正向引近：低水头电站。水流平顺、水头损失小，开挖量小、交通方便。钢管发生事故失小，开挖量小、交通方便。钢管发生事故时直接危机厂房安全。时直接危机厂房安全。2.纵向引近：高、中水头电站。避免水流直冲纵向引近：高、中水头电站。避免水流直冲厂房。厂房。3.斜向引近：分组供水和联合供水。斜向引近：分组供水和联合供水。二、压力管道引进厂房的方式二、压力管道引进厂房的方式 (a)、(b) 正向引进正向引

5、进 (c)、(d) 纵向引进纵向引进 (e) 斜向引进斜向引进 压力水管引进厂房的方式压力水管引进厂房的方式三、供水方式三、供水方式1 1单元供水单元供水：一管一机。不设下阀门。一管一机。不设下阀门。l 优点：结构简单优点：结构简单( (无岔管无岔管) )、工作可靠、灵活性好，、工作可靠、灵活性好，易于制作，无岔管易于制作，无岔管l 缺点：造价高缺点：造价高l 适用：适用：(1) (1) 单机流量大、长度短的地下埋管或明单机流量大、长度短的地下埋管或明管；管； (2) (2) 混凝土坝内管道和明管道混凝土坝内管道和明管道三、供水方式三、供水方式2 2联合供水：联合供水： 一根主管，向多台机组供

6、水。设下阀门。一根主管，向多台机组供水。设下阀门。l 优点：造价低优点：造价低l 缺点：结构复杂（岔管）、灵活性差缺点：结构复杂（岔管）、灵活性差l 适用：机组少、单机流量小、引水道长的地下埋管和明管适用：机组少、单机流量小、引水道长的地下埋管和明管3. 3. 分组供水：分组供水： 设多根主管，每根主管向数台机组供水。设下阀门。设多根主管，每根主管向数台机组供水。设下阀门。l 适用：压力水管较长，机组台数多，单机流量较小的情况。适用：压力水管较长，机组台数多，单机流量较小的情况。地下埋管和明管地下埋管和明管. . 三、供水方式三、供水方式单元供水单元供水 联合供水联合供水 分组供水分组供水 第

7、三节第三节 水力计算和经济直径的确定水力计算和经济直径的确定一、水力计算一、水力计算l 恒定流计算：确定管道的水头损失，包括沿程和局部两部恒定流计算：确定管道的水头损失，包括沿程和局部两部分。分。沿程损失：处于紊流，可按曼宁公式计算沿程损失：处于紊流，可按曼宁公式计算局部损失：进口、门槽、渐变段、弯段、分岔等部位，局部损失：进口、门槽、渐变段、弯段、分岔等部位，按水力学公式计算。按水力学公式计算。h hw w电能电能装机容量装机容量管径选择管径选择l 非恒定流计算：水锤计算非恒定流计算：水锤计算( (N N变变Q Q变变H H变变) ) ，确定管道中，确定管道中各点的动水压力和变化过程。各点的

8、动水压力和变化过程。 水击压强水击压强确定压力管道荷载和管线确定压力管道荷载和管线( (最高压力线和最低压最高压力线和最低压力线力线) ) 二、压力管道直径的选择二、压力管道直径的选择1. 动能经济比较法：基本原理与渠道相同动能经济比较法：基本原理与渠道相同(要考虑要考虑流速、水击压力的影响流速、水击压力的影响)，拟定几个直径，进行，拟定几个直径，进行动能经济计算，比较确定最优经济直径。动能经济计算，比较确定最优经济直径。2. 经验公式法：简化条件推导公式。精度较低，初经验公式法：简化条件推导公式。精度较低，初步设计时采用步设计时采用 Qmax压力管道设计流量，压力管道设计流量，H设计水头设计

9、水头3. 经济流速法：压力管道的经济流速一般为经济流速法：压力管道的经济流速一般为46m/s，最大不超过最大不超过7m/s，Ae= Qmax/Ve73max2 . 5HQD 第四节第四节 钢管的材料和管身构造钢管的材料和管身构造 一、钢管的材料一、钢管的材料l 管道的受力构件有管壁、加劲环、支承环、支管道的受力构件有管壁、加劲环、支承环、支座滚轮、支承板等座滚轮、支承板等l 常用的钢材：经过镇静熔炼的热轧平炉低碳钢常用的钢材：经过镇静熔炼的热轧平炉低碳钢或低合金钢，如：或低合金钢，如：A3、16Mn，或经过正火的，或经过正火的15MnV、15MnTi。滚轮可采用。滚轮可采用A3、A4、A5、1

10、6Mn或或35、45等优质钢材。等优质钢材。 二、钢材性能的要求二、钢材性能的要求( (一一) ) 压力管道的工作特点与制作程序压力管道的工作特点与制作程序l 工作特点：内水压力大，并经常承受冲击荷载工作特点：内水压力大，并经常承受冲击荷载的作用；低温状态下工作的作用；低温状态下工作( (水温在水温在44左右左右) )对对钢材的工作条件不利。钢材的工作条件不利。l 制作过程：制作过程：板裁：冷卷、辊压成形；板裁：冷卷、辊压成形；现场焊接现场焊接( (自动焊、手焊自动焊、手焊) )；检查焊缝检查焊缝(射线、超声波射线、超声波) ) 二、钢材性能的要求二、钢材性能的要求(二二) 钢材性能要求钢材性

11、能要求1、机械性能、机械性能l 屈服强度屈服强度s 、抗拉强度、抗拉强度b ；塑性指标：断裂时的延伸率；塑性指标：断裂时的延伸率、断面收缩率断面收缩率；冲击韧性；冲击韧性ak。要求强度高、塑性好。要求强度高、塑性好(冲击、冲击、低温、加工低温、加工)可焊性能好。可焊性能好。l A3钢机械性能适用于压力管道，但容许应力低。钢机械性能适用于压力管道，但容许应力低。l 当当HD600m2，=32mm40mm，不易加工。不易加工。l 当当HD较高时采用较高时采用16Mn，其强度高，但塑性差：，其强度高，但塑性差：l 强度越高，塑性越差。若采用高强钢，要有充分的论证。强度越高，塑性越差。若采用高强钢，要

12、有充分的论证。一般一般A3、16Mn不需论证，可直接采用。不需论证，可直接采用。二、钢材性能的要求二、钢材性能的要求2 2、加工性能、加工性能l 辊轧、冷弯、焊接、切割，要求焊接性能好，冷辊轧、冷弯、焊接、切割，要求焊接性能好，冷加工的塑性变形小，加工后无残余应力，焊缝和加工的塑性变形小，加工后无残余应力，焊缝和热影响区不产生裂纹。热影响区不产生裂纹。3 3、化学成份、化学成份l 影响钢材的强度、影响钢材的强度、焊接性能，含碳不要过高、焊接性能，含碳不要过高( (脆脆) )，含硫量和含硅量也不能高。，含硫量和含硅量也不能高。三、容许应力三、容许应力l 钢材的容许应力一般用屈服强度除以安全系数得

13、到，钢材的容许应力一般用屈服强度除以安全系数得到，即即 =s/Kl 不同的荷载、不同的部位采用不同的容许应力，见不同的荷载、不同的部位采用不同的容许应力，见表表8-2。四、管身构造四、管身构造1、无缝钢管无缝钢管：无纵缝，横缝用焊接、法兰连接成整体，强度：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。高，造价高，施工困难。 国内：国内：D60cm；国外：；国外：D120cm。 适用高水头小流量电站。适用高水头小流量电站。2、焊接管焊接管：钢板按要求的曲率辊成弧形，焊接成管段。适用于：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，造成价低。各种直径、水头，造成价低。

14、 (1) 纵缝：焊缝交错排列，避开两个中心轴纵缝：焊缝交错排列，避开两个中心轴 (2) 相邻管壁厚度差相邻管壁厚度差 2mm，内部光滑，外部成台阶状。，内部光滑，外部成台阶状。四、管身构造四、管身构造四、管身构造四、管身构造3 3、箍管：钢管外加钢箍。、箍管：钢管外加钢箍。l钢管最小厚度：钢管最小厚度：min (D/800+4)mm，或，或6mml防腐、防锈措施：防腐、防锈措施： 涂料、喷镀、化学保护。涂料、喷镀、化学保护。加防锈厚度加防锈厚度2mm。第五节第五节 明钢管的敷设方式、镇墩、明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备支墩和附属设备 一、敷设方式敷设方式l 明钢管一般敷设在一明钢管一般

15、敷设在一系列支墩上，离地面系列支墩上，离地面不小于不小于6060cmcml 转弯处设镇墩，将水转弯处设镇墩，将水管完全固定，相当于管完全固定，相当于梁的固定端。梁的固定端。l 水管受力明确，在自水管受力明确，在自重和水重作用下，相重和水重作用下，相当于一个多跨连续梁当于一个多跨连续梁. .一、敷设方式敷设方式l 连续式布置连续式布置： 管身在两镇墩间连续，不设伸缩节。温度应力大，管身在两镇墩间连续，不设伸缩节。温度应力大，一般较少采用。一般较少采用。l 分段式分段式： 两镇墩之间设置伸缩节两镇墩之间设置伸缩节 ( (在上镇墩的下游侧在上镇墩的下游侧) )。 温度应力小。温度应力小。 二、支墩二

16、、支墩(support)1.功用：承受水重和管重的法向分力。相当于连功用：承受水重和管重的法向分力。相当于连续梁的滚动支承，允许水管在轴向自由移动续梁的滚动支承，允许水管在轴向自由移动(温温度变化时度变化时)。2.布置：间距布置：间距L=612m，D特别大时，特别大时，L取取3m。L小小M、Q小小支墩造价高。支墩造价高。3.类型：类型：滑动式滑动式、滚动式滚动式、摆动式摆动式。(1) 滑动式支墩滑动式支墩l 鞍式鞍式(saddle support)：包角：包角：90120，结构简单，造价，结构简单，造价低，摩擦力大，支承部位受低，摩擦力大，支承部位受力不均匀，适用于力不均匀，适用于D1m。l

17、支承环式支承环式(slidding ring girder support)：在支墩处：在支墩处管身四周加刚性支承环。摩管身四周加刚性支承环。摩擦力小，支承部位受力较均擦力小，支承部位受力较均匀，匀，D2m。(3) 摆动式摆动式(rocking ring girder support)l 在支承环与墩座之间设一摆动短柱。摩擦系数在支承环与墩座之间设一摆动短柱。摩擦系数f f很小，适很小，适用于大直径管道。用于大直径管道。 三、镇墩三、镇墩(anchor block)1.1. 功用：固定钢管，承受因水管改变方向而产生的功用：固定钢管，承受因水管改变方向而产生的轴向不平衡力。水管在此处不产生任何位

18、移。轴向不平衡力。水管在此处不产生任何位移。2.2. 布置：在水管转弯处，直线段不超过布置：在水管转弯处，直线段不超过150m。3.3. 类型：一般由混凝土浇制，靠自重维持稳定。类型：一般由混凝土浇制，靠自重维持稳定。 封闭式：应用广泛。结构简单，节约钢村，固定效果封闭式：应用广泛。结构简单，节约钢村，固定效果好。好。 开敞式：采用较少。易于检修，但受力不均匀。开敞式：采用较少。易于检修，但受力不均匀。 三、镇墩(anchor block) 封闭式封闭式 开敞式开敞式 三、镇墩(anchor block)4 4、设计、设计l 荷载见表荷载见表8-3，P126。根据管道的满水、放空、温。根据管道

19、的满水、放空、温升、温降等情况，找出最不利的荷载组合。升、温降等情况，找出最不利的荷载组合。l 设计内容包括抗滑稳定、地基应力校核、细部构设计内容包括抗滑稳定、地基应力校核、细部构造设计。造设计。l 一般由混凝土浇制，靠自重维持稳定。一般由混凝土浇制，靠自重维持稳定。 四、钢管上的闸门、阀门和附件四、钢管上的闸门、阀门和附件1 1、闸门及阀门、闸门及阀门l 压力管道进口设快速闸门压力管道进口设快速闸门( (事故门事故门)()(在前池、在前池、调压室、水库等位置调压室、水库等位置) )。l 对于联合供水或分组供水的管道，在水轮机进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口前应设快

20、速阀门( (事故阀事故阀) )，其型式有蝴蝶阀、，其型式有蝴蝶阀、球阀。小型水电站有时用平板阀。球阀。小型水电站有时用平板阀。四、钢管上的闸门、阀门和附件四、钢管上的闸门、阀门和附件(1) (1) 蝴蝶阀蝴蝶阀(Butterfly Valve)(Butterfly Valve)l 优点：启闭力小，操作方便优点：启闭力小，操作方便迅速，体积小迅速，体积小, ,重量轻，造重量轻，造价低。价低。l 缺点：开启状态时，阀体对缺点：开启状态时，阀体对水流有扰动，水头损失较大；水流有扰动，水头损失较大；关闭状态止水不严。关闭状态止水不严。l 动水中关闭，在静水中开启动水中关闭，在静水中开启 四、钢管上的闸

21、门、阀门和附件四、钢管上的闸门、阀门和附件(2) (2) 球阀：球形外壳球阀：球形外壳+ +可旋转的圆筒形可旋转的圆筒形阀体阀体+ +附件。附件。l 优点：开启状态时没有水头损失，优点：开启状态时没有水头损失，止水严密，能承受高压。止水严密，能承受高压。l 缺点：结构复杂，尺寸和重量大，缺点：结构复杂，尺寸和重量大，造价高。造价高。l 适用：高水头电站。适用：高水头电站。世世界界上上最最大大的的球球阀阀 四、钢管上的闸门、阀门和附件四、钢管上的闸门、阀门和附件2 2、伸缩节、伸缩节(expansion (expansion joint)joint) l 功用：消除温度应功用：消除温度应力，且适

22、应少量的力，且适应少量的不均匀沉陷不均匀沉陷 l 位置：常在上镇墩位置：常在上镇墩的下游侧的下游侧 l 伸缩节的型式较多，伸缩节的型式较多，常见的几种见下页常见的几种见下页图。图。伸缩节(a)套筒式伸缩节套筒式伸缩节 (b)波纹密封套筒式伸缩节波纹密封套筒式伸缩节(c)压盖式限拉伸缩节压盖式限拉伸缩节 (d)波纹管伸缩节波纹管伸缩节伸缩节动画 四、钢管上的闸门、阀门和附件四、钢管上的闸门、阀门和附件 3 3、 通气阀通气阀 作用：当阀门紧急关闭时，向管内充气，以消除管中负压；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，排出管中空气水管充水时，排出管中空气 位置：阀门之后位置

23、：阀门之后 4 4、 进人孔进人孔 作用：检修钢管；位置：钢管上方；直径：作用：检修钢管；位置：钢管上方；直径：50cm50cm左右左右, ,间距间距100100m m 。 5 5、 旁通阀及排水设备旁通阀及排水设备l 旁通阀：旁通阀：设在水轮机进水阀门处；作用：阀门前后平压后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。开启，以减小启闭力。l 排水管：排水管：水管的最低点应设置；作用：在检修水管时用于水管的最低点应设置；作用：在检修水管时用于排出管中的积水和渗漏水排出管中的积水和渗漏水第六节第六节 明钢管的管身应力分析明钢管的管身应力分析l结构设计状况：结构设计状况：持久状况

24、、短暂状况、偶然状况持久状况、短暂状况、偶然状况l三种设计状况均应进行承载能力极限状态设计。三种设计状况均应进行承载能力极限状态设计。l持久状况还应进行正常使用极限状态设计，短暂状况可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。根据需要进行正常使用极限状态设计。l承载能力极限状态：承载能力极限状态：指钢管结构或构件，或达到最大承指钢管结构或构件，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载能力、或丧失弹性稳定、或出现不适合于继续承载的变形。变形。l正常使用极限状态正常使用极限状态：钢管结构或构件达到正常使用或耐：钢管结构或构件达到正常使用

25、或耐久性能的某项规定限值。久性能的某项规定限值。第六节第六节 明钢管的管身应力分析明钢管的管身应力分析l 结构设计状况分为结构设计状况分为持久状况、短暂状况和偶然状况持久状况、短暂状况和偶然状况三种。三种。l 三种设计状况均应进行三种设计状况均应进行承载能力极限状态设计承载能力极限状态设计。l 持久状况还应进行正常使用极限状态设计；持久状况还应进行正常使用极限状态设计；l 短暂状况可根据需要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；l 偶然状况可不进行正常使用极限状态设计。偶然状况可不进行正常使用极限状态设计。l 承载能力极限状态承载能力极限状态，是指钢管结构或构件

26、，或达到最大承，是指钢管结构或构件，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载能力、或丧失弹性稳定、或出现不适合于继续承载的变形；形；l 正常使用极限状态正常使用极限状态，是钢管结构或构件达到正常使用或耐，是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。久性能的某项规定限值。l 按照设计规范要求，明钢管要求进行承载能力极按照设计规范要求，明钢管要求进行承载能力极限状态验算，其内容包括：限状态验算，其内容包括：l 主要结构构件的主要结构构件的承载能力计算，管壁和加劲环的承载能力计算，管壁和加劲环的抗外压稳定计算。抗外压稳定计算。l 如有必要应进行镇墩和支墩抗倾、抗滑及

27、抗浮验如有必要应进行镇墩和支墩抗倾、抗滑及抗浮验算；算；l 如有抗震要求，还应进行抗震承载能力计算如有抗震要求，还应进行抗震承载能力计算一、荷载计算及其分项系数一、荷载计算及其分项系数l 按荷载的作用方向可以将其分为按荷载的作用方向可以将其分为轴向力、径向力轴向力、径向力和法向力。和法向力。 每种荷载都有其不同的作用分载系数，见表每种荷载都有其不同的作用分载系数，见表8-28-2。l 作用在明钢管上的各种作用力计算公式及作用方作用在明钢管上的各种作用力计算公式及作用方向见表向见表8-38-3，但风荷载、雪荷载、地震荷载等需查，但风荷载、雪荷载、地震荷载等需查阅阅水工建筑物荷载设计规范水工建筑物

28、荷载设计规范。 二、荷载组合二、荷载组合 l 钢管结构设计应根据承载能力极限状态的要求，对不同设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，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表对明钢管要求的组合见表8-4。 表表8-4 明钢管按承载能力极限状态设计的作用效应组合与计算情况明钢管按承载能力极限状态设计的作用效应组合与计算情况 第七节第七节 管身应力分析和结构设计管身应力分析和结构设计 钢管管壁厚度估算钢管管壁厚度估算l 锅炉公式初拟管壁厚度锅炉公式初拟管壁厚度l 根据规范要求，焊缝系数根据规范要求，焊

29、缝系数一般取为一般取为0.90.95，允许应力取，允许应力取钢管材料允许应力的钢管材料允许应力的75% 85%。考虑钢管运行期间的锈蚀、。考虑钢管运行期间的锈蚀、磨损及钢板厚度误差，磨损及钢板厚度误差， 实际实际=+2mm（锈蚀厚度）（锈蚀厚度）l 在实际工程中，考虑到制造、运输、安装等条件，必须保在实际工程中，考虑到制造、运输、安装等条件，必须保持一定的刚度，因而需要限制管壁的最小厚度持一定的刚度，因而需要限制管壁的最小厚度min。min一一般取为般取为D/800+4(mm)，且不宜小于，且不宜小于6 mm 22HDPD一、管身应力分析和结构设计一、管身应力分析和结构设计1 1、四个基本断面

30、、四个基本断面 一、管身应力分析和结构设计一、管身应力分析和结构设计一般情况下，最后一跨的应力最大。根据受力特点常选四个一般情况下，最后一跨的应力最大。根据受力特点常选四个断面进行应力分析。断面进行应力分析。l 跨中断面跨中断面1 11:1:只有弯距作用，且弯距最大只有弯距作用，且弯距最大, ,无局部应力无局部应力受力最简单；受力最简单；l 支承环旁管壁膜应力区边缘，断面支承环旁管壁膜应力区边缘，断面2 22 2：弯距和剪力共同弯距和剪力共同作用，均按最大值计算，无局部应力作用，均按最大值计算，无局部应力受力比较简单；受力比较简单；l 加劲环及其旁管壁，断面加劲环及其旁管壁，断面3 33 3：

31、由于加劲环的约束，存在由于加劲环的约束，存在局部应力；局部应力；l 支承环及其旁管壁，断面支承环及其旁管壁，断面4 44 4：应力最复杂，存在弯距和应力最复杂，存在弯距和剪力剪力( (支承反力支承反力) )的作用，有局部应力。的作用，有局部应力。( (一一) ) 跨中段面跨中段面(1)-(1)(1)-(1)的管壁应力的管壁应力 跨中段面属于膜应力区，其特点是弯矩最大，剪跨中段面属于膜应力区，其特点是弯矩最大，剪力为零。力为零。 1 1径向应力径向应力 管壁内表面管壁内表面: : ， “ “-”-”表示压应力。表示压应力。 管壁外表面：管壁外表面： rHr0r( (一一) ) 跨中段面跨中段面(

32、1)-(1)(1)-(1)的管壁应力的管壁应力2 2切向切向( (环向环向) )应力应力 设压力水管中心处的水头为设压力水管中心处的水头为H H，而水管轴线与水平面的夹，而水管轴线与水平面的夹角为角为，则在管壁中任意一点，则在管壁中任意一点( (该点半径与管顶半径的夹该点半径与管顶半径的夹角为角为) )的水头为的水头为coscosrH 压力压力管道水压力分布及管壁微圆弧的受力平衡图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推导出管壁中的切向拉力T T 和切向应力和切向应力1)coscos(rHrTcoscos11rHrT)coscos1 (HrrP( (一一) ) 跨中段面跨

33、中段面(1)-(1)(1)-(1)的管壁应力的管壁应力( (一一) ) 跨中段面跨中段面(1)-(1)(1)-(1)的管壁应力的管壁应力3 3轴向应力轴向应力 = =法向力引起的轴向弯曲应力法向力引起的轴向弯曲应力 + +轴向作用力轴向作用力引起的轴向应力引起的轴向应力 x1x2x法法向向力力引引起起的的弯弯矩矩和和剪剪力力 ( (一一) ) 跨中段面跨中段面(1)-(1)(1)-(1)的管壁应力的管壁应力(1) (1) 法向力作用引起的管壁轴向应力法向力作用引起的管壁轴向应力 l M水重和管重的法向分力作用下连续梁的弯矩；水重和管重的法向分力作用下连续梁的弯矩；l W连续梁连续梁(空心圆环空

34、心圆环)的断面模数，的断面模数， (2) (2) 轴向力引起的轴向应力轴向力引起的轴向应力 在轴向力的合力在轴向力的合力A作用下，管壁中产生的轴向应力为，作用下，管壁中产生的轴向应力为，管壁的断面积为管壁的断面积为F，则，则 coscos21rMWMx1x2rW 2xDAFAx2 ( (二二) (2)-(2) ) (2)-(2) 断面的管壁应力断面的管壁应力l (2)-(2)断面虽然靠近支承环，但在支承环的影响范围之外，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

35、相等。该断面的弯矩和剪力与支承环断面相等。l 跨中断面和支承环断面的管道弯矩大小相等，方向相反，跨中断面和支承环断面的管道弯矩大小相等，方向相反，支承环处存在剪力支承环处存在剪力V。所以在垂直于管道轴线的横断面上。所以在垂直于管道轴线的横断面上剪应力的计算公式为剪应力的计算公式为 rVbJVSRxsin( (二二) (2)-(2) ) (2)-(2) 断面的管壁应力断面的管壁应力式中式中 V管重和水重的法向分力作用下连续梁的剪力；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，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，受剪截面宽度， ；

36、 J截面惯性矩，截面惯性矩， 。l 当当=0(管道顶部管道顶部)和和=180(管道底部管道底部)时，时， =0；当；当=90(管道侧面中点管道侧面中点)时，达到最大值时，达到最大值 l 断面断面(2)-(2)的其他正应力的其他正应力r、和和x均与断面均与断面(1)-(1)相等，但相等，但符号不尽相同符号不尽相同 sin22rSR2b338rDJxFVx2 2-2断面图形( (三三) ) 加劲环及其旁管壁，断面加劲环及其旁管壁，断面(3)-(3)(3)-(3)的管壁应力的管壁应力 ( (四四) ) 支承环及其旁管壁，断面支承环及其旁管壁，断面(4)(4)(4)(4)的管壁应力的管壁应力 l 支承

37、环由于承担管重和水重法向力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而在支墩处引起的支承反力R，从而在支承环内产生附加应力。，从而在支承环内产生附加应力。 1支承环的支承方式支承环的支承方式 侧支承和下支承两种形式。侧支承和下支承两种形式。图中点划线为支承环有效截面重心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轴，它与圆心距离为半径R，支墩支承点至支承环截面有效重心，支墩支承点至支承环截面有效重心轴距离为轴距离为b，支承反力为，支承反力为 。l 当采用侧支承时，设支承反力离支承环重心轴距离为当采用侧支承时，设支承反力离支承环重心轴距离为b。根据分。根据分析，在设计时取析

38、，在设计时取b=0.04R，可使环上最大正弯矩与最大负弯矩接，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。近相等，则钢材性能得到最充分的发挥。cos2Q( (四四) ) 支承环及其旁管壁，断面支承环及其旁管壁，断面(4)(4)(4)(4)的管壁应力的管壁应力支承环支承方式支承环支承方式 ( (四四) ) 支承环及其旁管壁，断面支承环及其旁管壁，断面(4)(4)(4)(4)的管壁应力的管壁应力 2 支承环所承受的荷载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管重和水重在支承环两侧管壁上

39、产生的剪应力均为为 ， 因此沿管壁圆周单位长度上作用在支承环上的剪力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) 支墩两侧的反力支墩两侧的反力0.5Q，钢管一般都是倾斜布置，支承反，钢管一般都是倾斜布置，支承反力为力为 ； (3) 支承环自重，但相对较小，可以不计。支承环自重，但相对较小，可以不计。cossin12rQSxxcos5 .0Qcossin2 rQx( (四四) ) 支承环及其旁管壁，断面支承环及其旁管壁，断面(4)(4)(4)(4)的管壁应力的管壁应力3支承环内力计算支承环内力计算l 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。支承环的内力计算常采用结构力学中

40、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，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。可用弹性中心法计算支承环上各点的内力。l 要进行支承环截面的内力计算，实际上是要计算一个封闭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圆环各断面上的弯矩MR、剪力、剪力TR和轴力和轴力NR。 ( (四四) ) 支承环及其旁管壁，断面支承环及其旁管壁，断面(4)(4)(4)(4)的管壁应力的管壁应力支承环计算简图支承环计算简图 b=0.04R时支承环内力图时支承环内力图图中弯矩画在受拉一边，正的图中弯矩画在受拉一边

41、，正的MR表示支承环外侧受拉，正的表示支承环外侧受拉，正的NR表示拉力，正的表示拉力，正的TR方向如方向如。( (四四) ) 支承环及其旁管壁，断面支承环及其旁管壁，断面(4)(4)(4)(4)的管壁应力的管壁应力l 计算出支承反力产生的弯矩计算出支承反力产生的弯矩MR、轴力、轴力NR和剪力和剪力TR后，它后，它们所产生的应力分别为们所产生的应力分别为FNR3aJSTRRRrRRRRRWMJZM4ZR计算点与重心轴的距离；计算点与重心轴的距离；JR支承环有效截面对重心轴的惯性矩；支承环有效截面对重心轴的惯性矩；WR支承环有效截面对重心轴的面积矩；支承环有效截面对重心轴的面积矩；SR支承环有效截

42、面上，计算点以外部分对重心轴的静矩；支承环有效截面上，计算点以外部分对重心轴的静矩；a支承环腹板厚度；支承环腹板厚度；F支承环有效截面积，包括管壁等效翼缘支承环有效截面积，包括管壁等效翼缘 ( (四四) ) 支承环及其旁管壁，断面支承环及其旁管壁，断面(4)(4)(4)(4)的管壁应力的管壁应力断面断面(4)-(4)(4)-(4)各应力的方向和分布各应力的方向和分布 二、管身应力分析强度校核强度校核l 钢管为三维受力状态，计算出各个应力分量后，应按强钢管为三维受力状态，计算出各个应力分量后，应按强度理论进行校核。如果不满足强度要求，则重新调整管度理论进行校核。如果不满足强度要求，则重新调整管壁

43、厚度和支墩间距，再重新计算，直到满足强度条件。壁厚度和支墩间距，再重新计算，直到满足强度条件。目前多采用第四强度理论目前多采用第四强度理论l 目前电力行业规范采用极限强度理论验算钢管的强度，各目前电力行业规范采用极限强度理论验算钢管的强度，各项荷载给出分项系数，验算承载能力极限状态项荷载给出分项系数，验算承载能力极限状态 )( 3222222rxxrrrxxrx3222xxx二、管身应力分析外压稳定校核外压稳定校核1.1.明钢管外压失稳的原因及失稳现象明钢管外压失稳的原因及失稳现象l 机组运行过程中由于负荷变化产生负水击，而使管道内产机组运行过程中由于负荷变化产生负水击，而使管道内产生负压；生

44、负压；l 管道放空时通气孔失灵，而在管道内产生真空。管道放空时通气孔失灵，而在管道内产生真空。l 管道内部产生真空或负压时，管壁在外部的大气压力下可管道内部产生真空或负压时，管壁在外部的大气压力下可能丧失稳定，管壁被压瘪。能丧失稳定，管壁被压瘪。外压稳定校核外压稳定校核2.光滑管段的稳定性光滑管段的稳定性当外压力当外压力P增加到临界压力增加到临界压力Pcr时，钢管管壁就丧失稳定。时，钢管管壁就丧失稳定。临界压力临界压力Pcr为为 为了安全起见，引入安全系数为了安全起见，引入安全系数K，要求：，要求：PcrKP。 取取K=2.0，P=0.1MPa，钢材的弹性模量，钢材的弹性模量E=2105MPa

45、, 略去略去2，则得到光滑钢管段不失稳的条件为，则得到光滑钢管段不失稳的条件为32233)1 (2)1 (123DEErPcr130D 外压稳定校核外压稳定校核3、加劲钢管的外压稳定、加劲钢管的外压稳定l 如按上述要求，管径太大时管壁太厚无法加工，因此可采如按上述要求，管径太大时管壁太厚无法加工，因此可采用在管壁上增加加劲环以提高管壁刚度的措施。用在管壁上增加加劲环以提高管壁刚度的措施。 (1) (1) 加劲环之间的管壁外压稳定性加劲环之间的管壁外压稳定性2222222332222221121)1 (121) 1(rLnnnrErLnnrEPcr4/12/174. 2rLrn也可以用查图表的方

46、法求临界压力。 外压稳定校核外压稳定校核(2) 加劲环断面的外压稳定加劲环断面的外压稳定l 两个要求两个要求加劲环断面本身不失稳加劲环断面本身不失稳加劲环断面的压应力小于材料的允许值加劲环断面的压应力小于材料的允许值。 l 按光滑管的公式计算，但是等式右边应该除以加劲环的间按光滑管的公式计算，但是等式右边应该除以加劲环的间距距L，其他参数用加劲环有效断面计算，其他参数用加劲环有效断面计算。 LREJKPPkcr33三、镇墩和支墩结构设计( (一一) )镇墩结构分析镇墩结构分析l 镇墩承受明管传递来的轴向力、剪力、弯矩等荷载，其中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

47、载。轴向力为主要外荷载。l 镇墩必须以其自重来平衡外荷载，以满足抗滑动和抗倾覆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等要求。稳定和地基承载能力等要求。 1 1、作用力分析、作用力分析 求出作用于明钢管而传到镇墩上的各种力，并按照温升求出作用于明钢管而传到镇墩上的各种力，并按照温升情况下钢管充水运行、钢管放空和温降情况下钢管充水运情况下钢管充水运行、钢管放空和温降情况下钢管充水运行、钢管放空等进行最不利的组合。行、钢管放空等进行最不利的组合。三、镇墩和支墩结构设计 2、求轴向力分量、求轴向力分量 设设 x轴水平顺水方向为正。轴水平顺水方向为正。y轴垂直向下为正，轴垂

48、直向下为正， 水管轴线交点为坐标原点。水管轴线交点为坐标原点。 求出轴向力总和在求出轴向力总和在x和和 y轴下的分力：轴下的分力： coscosAAXXX sinsinAAYYY三、镇墩和支墩结构设计3、拟定镇墩尺寸、拟定镇墩尺寸l 镇墩的尺寸应能够将钢管的转弯段完全包住。镇墩上游面镇墩的尺寸应能够将钢管的转弯段完全包住。镇墩上游面为使钢管受力均匀而垂直管轴，管道的外包混凝士厚度不为使钢管受力均匀而垂直管轴，管道的外包混凝士厚度不宜小于管径的宜小于管径的0.40.8倍。为维护、检修方便，管道底距地倍。为维护、检修方便，管道底距地面不宜小于面不宜小于0.6m。在土基上的镇墩，底面常做成水平。在土

49、基上的镇墩，底面常做成水平。 l 镇墩地基应坚实、稳定、可靠。在严寒地区，镇墩埋深应镇墩地基应坚实、稳定、可靠。在严寒地区，镇墩埋深应在冰冻线以下在冰冻线以下1m，对岩基不少于，对岩基不少于0.5m。地震区应将镇墩。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。较深地埋入地基中并适当加大基础面，同时减小镇墩间距。l 根据结构上的要求拟定出尺寸后，求出镇墩的重心位置及根据结构上的要求拟定出尺寸后，求出镇墩的重心位置及其重量其重量G。 三、镇墩和支墩结构设计 4、求合力作用点及偏心距、求合力作用点及偏心距 利用图解法或数解法求利用图解法或数解法求G及及A的合力作用点位置及偏心距

50、的合力作用点位置及偏心距e。应保证。应保证e在镇墩底宽的二分点以内。在镇墩底宽的二分点以内。 5、抗滑稳定校核、抗滑稳定校核 抗滑稳定应符合下式要求：抗滑稳定应符合下式要求：l ccKXGYfK三、镇墩和支墩结构设计6、地基承载能力校核、地基承载能力校核 要求地基上均为压应力，且最大值不超过地基的容许值要求地基上均为压应力，且最大值不超过地基的容许值R。可按偏心受压公式计算地基应力。可按偏心受压公式计算地基应力。 要求最大值要求最大值maxR，最小值，最小值min0，不应出现负值，不应出现负值 (二二) 支墩结构分析支墩结构分析 支墩承受管重和管内水重的法向分力与镇墩相似。主要内支墩承受管重和

51、管内水重的法向分力与镇墩相似。主要内容也是抗滑、抗倾覆稳定及地基承载力校核容也是抗滑、抗倾覆稳定及地基承载力校核 RBeLBGY61.四、地面压力钢管的设计步骤四、地面压力钢管的设计步骤1 1、线路选择：选择几个方案，进行技术经济比较。、线路选择：选择几个方案，进行技术经济比较。2 2、管径确定：通过动能经济比较，确定经济直径。、管径确定：通过动能经济比较，确定经济直径。3 3、管道布置及附件设计：镇墩、支墩、伸缩节、进人孔、管道布置及附件设计：镇墩、支墩、伸缩节、进人孔、阀门阀门4 4、水力计算：、水力计算： (1)(1)恒定流：确定钢管在不同流量下的水头损失恒定流：确定钢管在不同流量下的水

52、头损失 (2)(2)非恒定流：水电站在工况发生变化时，钢管的水击非恒定流：水电站在工况发生变化时，钢管的水击压力。压力。四、地面压力钢管的设计步骤四、地面压力钢管的设计步骤5 5、压力钢管结构设计、压力钢管结构设计(1)(1)初步拟定管壁厚度初步拟定管壁厚度( (考虑锈蚀厚度考虑锈蚀厚度) )；(2)(2)根据管壁厚度用光滑管外压稳定计算公式进行外压稳定根据管壁厚度用光滑管外压稳定计算公式进行外压稳定校核，如果不稳定设置加劲环校核，如果不稳定设置加劲环( (也可用支承环代替也可用支承环代替) )，并，并选定其间距；选定其间距；(3)(3)根据加劲环抗外压稳定和横断面压应力小于允许值的要根据加劲

53、环抗外压稳定和横断面压应力小于允许值的要求，确定加劲环的尺寸；求，确定加劲环的尺寸；(4)(4)进行强度校核，如果不满足要求则增加管壁厚度或缩小进行强度校核，如果不满足要求则增加管壁厚度或缩小加劲环间距。在重复上面的步骤，直到满足要求。加劲环间距。在重复上面的步骤，直到满足要求。6 6、校核镇墩的稳定及地基应力。、校核镇墩的稳定及地基应力。第七节第七节 分岔管分岔管okukiyotsu一、分岔管的功用、特点一、分岔管的功用、特点1 1、功用：作用是分配水流。采用联合供水或分组供、功用：作用是分配水流。采用联合供水或分组供水时，需要设置分岔管，岔管位于厂房上游侧。水时，需要设置分岔管，岔管位于厂

54、房上游侧。2 2、特点、特点水流条件较差，引起的水头损失较大；水流条件较差，引起的水头损失较大；岔管由薄壳和刚度较大的加强构件组成，管壁厚，构件岔管由薄壳和刚度较大的加强构件组成，管壁厚，构件尺寸大，有时需锻造，焊接工艺要求高，造价较高；尺寸大，有时需锻造，焊接工艺要求高，造价较高；受力条件差，所承受的静动水压力最大，又靠近厂房，受力条件差，所承受的静动水压力最大，又靠近厂房，其安全性十分重要。其安全性十分重要。我国已经建成的水电站岔管大多数属于地下岔管，但大我国已经建成的水电站岔管大多数属于地下岔管，但大多按明管设计，即不考虑周围岩体分担荷载。多按明管设计，即不考虑周围岩体分担荷载。二、岔管

55、的布置形式二、岔管的布置形式l 卜形布置。纵向引近和斜向引进的厂房常采用这卜形布置。纵向引近和斜向引进的厂房常采用这种布置方式。种布置方式。l 对称对称Y Y形布置。形布置。l 三岔形布置。三岔形布置。 三、几种常用的岔管三、几种常用的岔管1、贴边式岔管贴边式岔管l 贴边式岔管是在卜形布贴边式岔管是在卜形布置的主、支管相贯线两置的主、支管相贯线两侧用补强板加固，补强侧用补强板加固，补强板与管壁焊固形成一个板与管壁焊固形成一个整体。整体。l 补强板刚度较小，不平衡区的水压力由补强板和管壁共同补强板刚度较小，不平衡区的水压力由补强板和管壁共同承担。承担。l 常用于中、低水头卜型布置的地下埋管常用于

56、中、低水头卜型布置的地下埋管。 三、几种常用的岔管三、几种常用的岔管2 2、三梁岔管、三梁岔管l 由相贯线上的两根由相贯线上的两根腰梁和一根腰梁和一根U U梁构梁构成三梁岔成三梁岔l U U梁承受较大的不平梁承受较大的不平衡水压力，其受力非衡水压力，其受力非常复杂。常复杂。l 适用：内压较高、直径不大的明管道。适用：内压较高、直径不大的明管道。 三、几种常用的岔管三、几种常用的岔管3、月牙肋岔管、月牙肋岔管l 用一个嵌入管体内的用一个嵌入管体内的月牙形肋板来代替三月牙形肋板来代替三梁岔管的梁岔管的U梁，并取梁，并取消腰梁。消腰梁。l 在三梁岔管基础上发展在三梁岔管基础上发展 而来，目前在我国已

57、基本取代了三梁岔管。而来，目前在我国已基本取代了三梁岔管。l 适用：大中型电站。适用：大中型电站。三、几种常用的岔管4 4、球形岔管、球形岔管l 通过球面体进行分岔，通过球面体进行分岔，由球壳，圆柱形主、支由球壳，圆柱形主、支管以及补强环和导流板管以及补强环和导流板等组成。等组成。l 在内水压力作用下，球壳应力仅为同直径管壳环向应力的在内水压力作用下，球壳应力仅为同直径管壳环向应力的一半。一半。l 适用：高水头大中型电站。是国外采用比较多的一种成熟适用：高水头大中型电站。是国外采用比较多的一种成熟管型，国内应用尚少。管型，国内应用尚少。 三、几种常用的岔管三、几种常用的岔管5 5、无梁岔管、无

58、梁岔管l 用直径较大的锥管和球壳用直径较大的锥管和球壳沿切线方向衔接，使球壳沿切线方向衔接，使球壳只剩下上下两个面积不大只剩下上下两个面积不大的三角形，并在主、支管的三角形，并在主、支管和这些锥管之间插入几节和这些锥管之间插入几节l 逐渐扩大的过渡段，构成一个比较平顺的、无太大不连续接逐渐扩大的过渡段，构成一个比较平顺的、无太大不连续接合线的体型，从而形成无梁岔管。合线的体型，从而形成无梁岔管。 l 有发展前途的管型，能发挥与围岩共同受力的优点。目前国有发展前途的管型，能发挥与围岩共同受力的优点。目前国内应用较少。内应用较少。 第八节第八节 地下埋管地下埋管(buried penstock )

59、l施工过程：开挖岩洞（清理石渣、支护等）施工过程：开挖岩洞（清理石渣、支护等）安装钢管安装钢管回填混凝土回填混凝土接处灌浆接处灌浆l大型水电站中应用较多大型水电站中应用较多地地下下埋埋管管施施工工中中一、地下埋管的布置形式 类型：斜井、竖井、平洞。类型：斜井、竖井、平洞。1.1. 竖井：常用于首部式开发的地下电站，竖井的竖井：常用于首部式开发的地下电站，竖井的开挖、钢管的安装、混凝土的回填，一般都自开挖、钢管的安装、混凝土的回填，一般都自下而上进行。下而上进行。2.2. 斜井：适用于地面和地下厂房，采用得最多。斜井：适用于地面和地下厂房，采用得最多。为了施工出渣方便，倾角大于为了施工出渣方便，

60、倾角大于4545( (自下而上开挖自下而上开挖) )或不小于或不小于3535( (自上而下自上而下) ) 。3.3. 平洞：作为过渡段使用。平洞：作为过渡段使用。 尽量布置在坚固完整的岩体中。尽量布置在坚固完整的岩体中。二、地下埋管的结构和构造二、地下埋管的结构和构造l 回填混凝土的功用是将部分内水压力传递给围岩，必须严回填混凝土的功用是将部分内水压力传递给围岩，必须严格控制混凝土的回填质量，尤其是平洞的顶部。格控制混凝土的回填质量，尤其是平洞的顶部。l 在围岩在围岩/混凝土混凝土/钢管之间存在缝隙，需要用灌浆进行处理，钢管之间存在缝隙，需要用灌浆进行处理，压力不小于压力不小于0.2MPa。l