水電站壓力管道

1、第八章 水電站壓力管道第一節(jié) 壓力管道的功用、類型一、功用和特點壓力管道是從水庫、壓力前池或調壓室向水輪機輸送水量的水管，一般為有壓狀態(tài)。其特點是集中了水電站大部分或全部的水頭，另外坡度較陡，內水壓力大，還承受動水壓力的沖擊(水錘壓力)，且靠近廠房，一旦破壞會嚴重威脅廠房的安全。所以壓力管道具有特殊的重要性，對其材料、設計方法和加工工藝等都有特殊要求。壓力管道的主要荷載為內水壓力，管道的內直徑D(m)和其承受的水頭H(m)及其乘積HD值是標志壓力管道規(guī)模及技術難度的重要參數值。目前最大直徑的鋼管是巴基斯坦的塔貝拉水電站第三期擴建工程的隧洞內明鋼管，直徑為13.26m。HD值最高的常見于抽水蓄能

2、電站，已超過5 000m2。二、分類壓力管道可按照布置型式和所用的材料分類，見表8-1。表8-1 壓力管道類型按 結 構 型 式 分按 材 料 分明管(露天式)：布置在地面上鋼管，鋼筋混凝土管，木管地下埋管：埋入地下山巖中不襯砌，錨噴或混凝土襯砌，鋼襯混凝土襯砌，聚酯材料管混凝土壩身管道：依附于壩身，包括：(1) 壩內管道；(2) 壩上游面管；(3) 壩下游面管鋼筋混凝土結構，鋼襯鋼筋混凝土結構，預應力鋼筋鋼襯混凝土結構其中，明管適用于引水式地面廠房，地下埋管多為引水式地面或地下廠房采用，混凝土壩身管道則只能在混凝土壩式廠房中使用。由于鋼材強度高，防滲性能好，故鋼管或鋼襯混凝土襯砌管道主要用于

3、中、高水頭電站；而鋼筋混凝土管適用于中小型電站。 圖8-1 焊縫布置圖(一) 鋼管鋼管按其自身的結構又可分為：(1) 無縫鋼管。其直徑較小，適用于高水頭小流量的情況。(2) 焊接鋼管。適用于較大直徑的情況。焊接鋼管由彎成圓弧形的鋼板焊接而成，焊縫結構如圖8-1所示，一般相鄰兩節(jié)管道的縱縫應錯開一定角度，以避免焊縫薄弱點在同一直線上。(3) 箍管。當HD1 000m2時，鋼板厚度一般會超過40mm，其加工比較困難，因而在這種情況下常采用箍管。箍管是在焊接管或無縫鋼管外套以無縫的鋼環(huán)(鋼箍，稱為加勁環(huán))，從而使管壁和鋼箍共同承受內水壓力，以減小管壁鋼板的厚度。鋼管所使用的鋼材應根據鋼管結構型式、鋼

4、管規(guī)模、使用溫度、鋼材性能、制作安裝工藝要求以及經濟合理等因素參照設計規(guī)范選定。(二) 鋼筋混凝土管鋼筋混凝土管具有造價低、剛度較大、經久耐用等優(yōu)點，通常用于內壓不高的中小型水電站。除了普通的鋼筋混凝土管外，還有預應力和自應力鋼筋混凝土管、鋼絲網水泥管和預應力鋼絲網水泥管等。普通鋼筋混凝土管適用于HD600m2，=32mm40mm，不易加工。當HD較高時采用16Mn，其強度高，但塑性差：強度越高，塑性越差。若采用高強鋼，要有充分的論證。2、加工性能輥軋、冷彎、焊接、切割，要求焊接性能好，冷加工的塑性變形小，加工后無殘余應力，焊縫和熱影響區(qū)不產生裂紋。3、化學成份影響鋼材的強度、焊接性能，含碳不

5、要過高(脆)，含硫量和含硅量也不能高。三、容許應力鋼材的容許應力一般用屈服強度除以安全系數得到，即=s/K不同的荷載、不同的部位采用不同的容許應力。表8-2 鋼材的允許應力應力區(qū)域膜應力區(qū)局部應力區(qū)荷載組合基本特殊基本特殊產生應力的內力軸力軸力軸力和彎矩軸力軸力和彎矩允許應力明鋼管0.55s0.7s0.67s0.85s0.8s1.0s地下埋管0.67s0.9s壩內埋管0.67s0.8s0.9s按明管校核情況四、管身構造1、無縫鋼管：無縱縫，橫縫用焊接、法蘭連接成整體，強度高，造價高，施工困難。 國內：D60cm；國外：D120cm。適用高水頭小流量電站。2、焊接管：鋼板按要求的曲率輥成弧形，焊

6、接成管段。適用于各種直徑、水頭，造成價低。(1) 縱縫：焊縫交錯排列，避開兩個中心軸(2) 相鄰管壁厚度差2mm，內部光滑，外部成臺階狀。3、箍管：鋼管外加鋼箍。4、鋼管的結構要求：鋼管最小厚度：min(D/800+4)mm，或6mm防腐、防銹措施：涂料、噴鍍、化學保護。加防銹厚度2mm。第四節(jié) 敷設方式及附件一、明鋼管的敷設方式和支承方式由于明鋼管一般長度都很大，所以常分段敷設，即在直線段每隔120150m或在鋼管軸線轉彎處(包括平面轉彎和立面轉彎)設置鎮(zhèn)墩，以固定鋼管，防止鋼管發(fā)生位移。在兩鎮(zhèn)墩間設置伸縮節(jié)，其作用是當溫度發(fā)生變化時，管身可以自由伸縮，從而減小溫度應力。伸縮節(jié)一般放在鎮(zhèn)墩的

7、下游側。鎮(zhèn)墩之間的管段用一系列等間距的支墩支承，支墩的間距由鋼管應力分析，并考慮鋼管的安裝條件、地基條件和支墩型式，經技術經濟比較確定?？拷炜s節(jié)的一跨，支墩間距可縮短一些。管身離地面不小于60cm，以便于維護和檢修。這種敷設方式的水管受力明確，在自重和水重作用下，水管相當于一個多跨連續(xù)梁，鎮(zhèn)墩將水管完全固定，相當于梁的固定端，見圖8-4。圖8-4 明鋼管的敷設(一) 鎮(zhèn)墩鎮(zhèn)墩的作用是靠本身的重量固定鋼管，承受因水管改變方向而產生的軸向不平衡力，防止水管產生位移。鎮(zhèn)墩一般由混凝土澆制而成，混凝土強度等級一般不低于C15。在寒冷地區(qū)，墩底基面應深埋在凍土線以下。分封閉式和開敞式兩種型式。1封閉式

8、：如圖8-5所示，鋼管被埋在封閉的混凝土體中。鎮(zhèn)墩表層需布置溫度筋，鋼管周圍設置環(huán)向筋和一定數量錨筋。這種布置方式結構簡單，節(jié)約鋼材，固定效果好，應用較廣泛。2開敞式：如圖8-6所示，利用錨栓將鋼管固定在混凝土基礎上。鎮(zhèn)墩處的管壁受力不均勻，錨環(huán)施工復雜，其優(yōu)點是便于檢查維修。這種鎮(zhèn)墩在我國很少采用。(二) 支墩支墩用于承受水重和管重的法向分力。相當于連續(xù)梁的滾動支承，允許水管在軸向自由移動(溫度變化時)。按支墩上的支座與管身相對位移的特征，有以下幾種型式： 圖8-5 封閉式鎮(zhèn)墩 圖8-6 開敞式鎮(zhèn)墩1滑動支墩。鋼管發(fā)生軸向伸縮時，沿支座頂面滑動。滑動式支墩又可分為無支承環(huán)鞍形支墩、有支承環(huán)鞍

9、形支墩和有支承環(huán)滑動支墩三種。無支承環(huán)鞍形支墩，見圖8-7(a)，是將鋼管直接支承在一個鞍形混凝土支座上，其包角在90o120o之間。為了減少管壁與支座之間的摩擦力，在支座上鋪設鋼板并在接觸面上加潤滑劑。這種支墩結構簡單，但管身受力不均勻，摩擦力大。適用于管徑1m以下的鋼管。有支承環(huán)滑動支墩，見圖8-7(b)，支承環(huán)放在金屬的支承板上，比上面兩種支墩的摩擦力更小。適用于管徑13m的鋼管。2滾動支墩。如圖8-8所示，在支承環(huán)與墩座之間加圓柱形輥軸，鋼管發(fā)生軸向伸縮時，輥軸滾動，摩擦系數約為0.1，適用于垂直荷載較小而管徑大于2m的鋼管。3擺動支墩。如圖8-9所示，在支承環(huán)與支承面之間設置一擺動短

10、柱。短柱下端與支承板鉸接，上端以圓弧面與支承環(huán)的承板接觸。鋼管沿軸向伸縮時，短柱以鉸為中心前后擺動。其摩擦力很小，能承受較大的垂直荷載，適用于管徑大于2m的鋼管。圖8-7滑動式支墩(a) 鞍式； (b) 支承環(huán)式圖8-8滾動式支墩 圖8-9擺動式支墩二、鋼管上的閘門和附件(一) 閘門及閥門在壓力水管的進口處一般都設置平板閘門，以便在壓力管道發(fā)生事故或檢修時用以切斷水流。平板閘門價格便宜，構造簡單，便于制造，常以此代替閥門。對于上游有壓力前池或調壓室的明管，為了在發(fā)生事故時緊急關閉和檢修放空水管的需要，在鋼管進口處一般也要設置閘門，閘門裝在壓力前池或調壓室內。閥門一般設置在緊靠壓力管道末端，即水

11、輪機蝸殼進口處的鋼管上。在分組供水和聯(lián)合供水時，為避免一臺機組檢修影響其他機組的正常運行，或在調速器、導水葉發(fā)生故障時緊急切斷水流，防止機組產生飛逸，在每臺機組前都應設置閥門，通常稱為下閥門。壩內埋管長度較小，只須在進口處設置閘門，不設下閥門。有時雖是單獨供水，但水頭較高、容量較大時也要設下閥門。水電站壓力水管的閥門常見的有三種。(1) 平板閥。平板閥由框架和板面構成，閥體在門槽中的滑動方式與一般的平板閘門相似，如圖910所示。平板閥一般用電動或液壓操作。這種閥門止水嚴密，運行可靠，但需要很大的啟閉力，動作緩慢，易產生汽蝕，常用于直徑較小的水管。(2) 蝴蝶閥。如圖911所示，蝴蝶閥由閥殼和閥

12、體組成。閥殼為一短圓筒，閥體形似圓盤，在閥殼內繞水平或垂直軸旋轉。閥門關閉時，閥體平面與水流方向垂直；開啟時，閥體平面與水流方向一致。蝴蝶閥的操作有電動和液壓兩種，前者用于小型，后者用于大型。這種閥門啟閉力小，操作方便迅速，體積小，重量輕，造價較低；但在開啟狀態(tài)時由于閥門板對水流的擾動，造成附加水頭損失和閥門內汽蝕現(xiàn)象；在關閉狀態(tài)時，止水不嚴密，不能部分開啟。適用于大直徑、水頭不很高的情況。目前蝴蝶閥應用最廣，最大直徑可達8m以上，最大水頭達200m。蝴蝶閥可在動水中關閉，但必須用旁通管平壓后在靜水中開啟。(3) 球閥。球閥由球形外殼、可旋轉的圓筒形閥體及其他附件組成，如圖8-12所示。閥體圓

13、筒的軸線與水管軸線一致時，閥門處于開啟狀態(tài)，若將閥體旋轉90o，使圓筒一側的球面封板擋住水流通路，則閥門處于關閉狀態(tài)。球閥的優(yōu)點是在開啟狀態(tài)時實際上沒有水頭損失，止水嚴密，結構上能承受高壓；缺點是尺寸和重量大，造價高。適于作高水頭電站的水輪機前閥門。球閥是在動水中關閉，但需要用旁通閥平壓后在靜水中開啟。 圖8-10 平板閥門 圖8-11 蝴蝶閥圖8-12 球閥(a) 關閉狀態(tài) (b) 開啟狀態(tài)(二) 附件(1) 伸縮節(jié)。露天式壓力鋼管受到溫度變化或水溫變化的影響時，為了使管身能沿軸線自由伸縮，以消除溫度應力，且適應少量的不均勻沉陷，常在上鎮(zhèn)墩的下游側設置伸縮節(jié)。對伸縮界的基本要求是：能隨溫度變

14、化自由伸縮，能適應鎮(zhèn)墩和支墩的基礎變形而產生的線變位和角變位，并留有足夠余度。伸縮節(jié)的型式較多，較常見的幾種見圖8-13。在閥門處的伸縮節(jié)應便于閥門拆卸，并允許產生微小的角位移。(a)(b) (c)(d)圖913 伸縮節(jié)(a)套筒式伸縮節(jié) (b)壓蓋式限拉伸縮節(jié) (c)波紋管伸縮節(jié) (d)波紋密封套筒式伸縮節(jié)(2) 通氣閥。通氣閥常布置在閥門之后。當閥門緊急關閉時，水管中的負壓使通氣閥打開向管內充氣，以消除管中負壓；水管充水時，管中空氣從通氣閥排出，然后再關閉閥門。(3) 進人孔。為了檢修方便，在鋼管鎮(zhèn)墩的上游側通常設置進人孔。進人孔間距一般為150m，不宜超過300m。進人孔為圓形或橢圓形，

15、其直徑(或短軸)一般不小于45cm。為保證正常運行期間不漏水，進人孔蓋與外接套管之間要設止水盤根，如圖8-14所示。(4) 旁通閥。旁通閥設在水輪機進水閥門處，與閘門處的旁通管作用相同，使閥門前后平壓后開啟，以減小啟閉力。(5) 排水設施。在壓力水管的最低點應設置排水管，在檢修水管時用于排出管中的積水和滲漏水。嚴寒地區(qū)的明鋼管，應有防止鋼管本身及其附件結冰的保溫措施。圖8-14 進人孔1-孔蓋； 2-墊圈； 3-螺栓； 4-接管第五節(jié) 作用在鋼管上的荷載及其組合一、荷載計算按荷載的作用方向可以將其分為軸向力、徑向力和法向力。各種作用力計算公式及作用方向見表8-3，但風荷載、雪荷載、地震荷載等需

16、查閱水工建筑物荷載設計規(guī)范。二、荷載組合鋼管結構設計應根據承載能力極限狀態(tài)的要求，對不同設計狀況下可能同時出現(xiàn)的作用，進行相應的作用效應組合，對明鋼管要求的組合見表8-4。表8-3 明鋼管荷載計算公式序號作用力方向作 用 力 名 稱計 算 公 式指向受力部位上段下段管壁支墩鎮(zhèn)墩1.1徑向內水壓力強度P2.1垂直管軸鋼管自重的分力Qs2.2管內水重的分力Qw3.1平行管軸鋼管自重的分力A1順順3.2關閉的閥門及悶頭上的力A2順或逆順或逆3.3漸縮管上的內水壓力A3順順3.4伸縮節(jié)端部的內水壓力A4順逆3.5彎管上內水壓力的分力A5順逆3.6彎管上水流離心力的分力A6順逆3.7溫度作用溫變時伸縮節(jié)

17、止水填料的摩擦力A7順逆逆順3.8溫變時支座墊板與鋼管間或支座上下墊板間的摩擦力A8順逆逆順逆順順逆情 況溫升溫降溫升溫降注：1“上段”和“下段”分別指鎮(zhèn)墩上游側和下游側管段，管段從伸縮節(jié)斷開。2“順”和“逆”分別表示發(fā)電工況順水流方向和逆水流方向，序號3.2作用力及順水流抬高的管段的其他作用力指向應具體判斷。表8-3中各計算式種符號的含義為：P 內水壓力設計值； 水的重度；H 計算截面管軸處內水壓力作用水頭(包括靜水壓力和水錘壓力)；qs 單位管長鋼管自重設計值；qw 單位管長管內水重設計值；L 支墩間距； 管軸與水平面夾角；D0 鋼管內徑；Dmax和Dmin 漸縮管的最大內徑和最小內徑；D

18、1和D2 伸縮節(jié)內套管的外徑和內徑；v0 機組滿負荷時鋼管內水流流速；g 重力加速度；bp 伸縮節(jié)止水填料長度；p 伸縮節(jié)止水填料與鋼管間的摩擦系數； 支座墊板與鋼管間或支座上下墊板間的摩擦系數。表8-4 明鋼管荷載組合與計算情況序號荷載基本荷載組合特殊荷載組合正常運行放空特殊運行水壓試驗施工充水地震(一)(二)1內水壓力正常蓄水位的靜水壓力正常工況最高壓力特殊工況最高壓力水壓試驗內水壓力2鋼管結構自重3鋼管內的滿水重4鋼管充水、放水過程中，管內部分水重5溫度變化引起的力第六節(jié) 明鋼管的結構分析一、鋼管管壁厚度估算在進行鋼管設計時，需要先設定管壁厚度。由于內水壓力在管壁上產生的環(huán)向應力是其主要

19、應力，因此常用鍋爐公式來初擬管壁厚度。取單位長度承受較高水頭的壓力鋼管，將其沿水平直徑切開，由力的平衡條件可以得出管壁中的環(huán)向拉應力： (8-3)以鋼管結構構件的抗力限值代替，并考慮焊縫的強度降低，引入焊縫系數，整理得： (8-4)上面二式中： P 內水壓力；D 鋼管直徑； 管壁厚度； 水的比重；H 鋼管內的水頭。根據規(guī)范要求，焊縫系數一般取為0.90.95?？紤]鋼管運行期間的銹蝕、磨損及鋼板厚度誤差，管壁厚度至少比計算值加2mm。另外，在實際工程中，考慮到制造、運輸、安裝等條件，必須保持一定的剛度，因而需要限制管壁的最小厚度min。min一般取為D/800+4(mm)，且不宜小于6 mm。二

20、、管身的應力分析前面已經指出，明鋼管敷設在一系列支墩上，為了改善鋼管的受力條件及保持管壁的外壓穩(wěn)定，有時需要在管壁上加設支承環(huán)和加勁環(huán)。鋼管承受的荷載分為徑向力、軸向力、法向力?？梢岳茂B加原理對其進行應力分析。在管重和水重作用下，鋼管相當于一根連續(xù)梁；在軸向力作用下鋼管可用軸向受壓構件計算；徑向力作用只會引起鋼管的環(huán)向變形。根據受力特點，管身的應力分析可選擇四個基本斷面，如圖8-15所示。(1)-(1)斷面在跨中，只有彎距作用，且彎距最大,剪力為零，無局部應力，受力最簡單；(2)-(2)斷面位于支承環(huán)旁管壁膜應力區(qū)的邊緣，彎距和剪力共同作用，無局部應力，受力比較簡單；(3)-(3)斷面是加勁

21、環(huán)及其旁管壁，由于加勁環(huán)的約束，存在局部應力；(4)-(4)斷面指支承環(huán)及其旁管壁，應力最復雜，彎距和剪力(支承反力)共同作用，存在局部應力。在壓力鋼管的應力分析中，其坐標系規(guī)定為：軸向x、徑向r、環(huán)向，如圖8-16所示。(一) 跨中段面(1)-(1)的管壁應力跨中段面屬于膜應力區(qū)，其特點是彎矩最大，剪力為零。下面分別介紹徑向應力、切向(環(huán)向)應力和軸向應力的計算。 圖8-15 明鋼管應力分析的幾個斷面 圖8-16 管壁應力計算坐標系1徑向應力水管的內表面承受內水壓力，所以內表面的徑向應力等于該處的水壓強，即，“-”表示壓應力。管壁外表面的。由于徑向應力的數值比較小，所以應力計算中可以忽略。2

22、切向(環(huán)向)應力設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(該點半徑與管頂半徑的夾角為，見圖8-17)的水頭為。在管壁中取出一段微圓弧，其圓周長為。沿軸線方向取單位長度，則由力的平衡(圖8-18)，可以推導出管壁中的切向拉力T和切向應力為： (8-5) (8-6)式中 P 內水壓強； 管壁計算厚度；H 計算水頭； 管軸線傾角； 管壁中任意一點半徑與管頂半徑的夾角； r 水管半徑。圖8-17 管壁上內水壓力的分布 圖8-18 管壁微圓弧的受力平衡3軸向應力跨中段面的軸向應力由兩部分組成，即法向力引起的軸向彎曲應力和軸向作用力引起的軸向應力。(1) 法向力作用引起的

23、管壁軸向應力。將水重和管重的法向分力視為均布荷載，則鋼管的受力與多跨連續(xù)梁類似，其變形以彎曲為主，并在管壁上產生彎曲正應力與剪應力。在相鄰兩鎮(zhèn)墩之間的壓力鋼管放置于支墩之上，支墩相當于連續(xù)梁的中間輥軸支座，最下端的鎮(zhèn)墩相當于固定端，上端伸縮節(jié)處可近似認為是自由端。在均布荷載作用下，三跨連續(xù)梁的彎矩和剪力見圖8-19，其他情況用結構力學方法求出，或查規(guī)范計算。這樣管壁橫斷面上任意一點的軸向應力為 (8-7)式中 M水重和管重的法向分力作用下連續(xù)梁的彎矩，鋼管底部受拉為正； W連續(xù)梁(空心圓環(huán))的斷面模數，。圖8-19 三跨連續(xù)梁截面內力(2) 軸向力引起的軸向應力。在軸向力合力A作用下，管壁中產

24、生的軸向應力為，管壁的斷面積為F，則： (8-8)“-”表示壓應力。一般情況下，A為壓力，即為壓應力，D為管道直徑。4剪應力由于跨中斷面的剪力為0，所以該斷面的=0。(二)、支承環(huán)旁管壁膜應力區(qū)邊緣(2)-(2)斷面的管壁應力(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，認為該斷面的彎矩和剪力與支承環(huán)斷面相等。對于連續(xù)梁，跨中斷面和支承環(huán)斷面的管道彎矩，方向相反，顧可用式(9-7)計算彎曲應力。此外支承環(huán)處存在剪力V，在垂直于管道軸線的橫斷面上剪應力的計算公式為： (8-9)式中 V管重和水重的法向分力作用下連續(xù)梁的剪力； SR計算點

25、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，。圖 820 支承環(huán)旁管壁應力分布和方向當=0(管道頂部)和=180(管道底部)時，=0；當=90(管道側面中點)時，達到最大值。的分布如圖8-20，該圖為以上各應力的綜合圖。斷面(2)-(2)的其他正應力r、和x均與斷面(1)-(1)相等，但符號不盡相同。(三) 加勁環(huán)及其旁管壁，斷面(3)-(3)的管壁應力1軸向應力x3。由于加勁環(huán)存在，管壁在內水壓力作用下的徑向變形受到了限制，因而將產生局部應力，變形狀態(tài)如圖8-21(a)所示。加勁環(huán)對管壁約束的影響范圍，每側為。又稱等效翼緣寬度。由彈性理論分析可得 (8-10)式中

26、 鋼材的泊松比。對于范圍以外的管壁，認為不受加勁環(huán)的影響，即不存在局部應力。在計算時，加勁環(huán)有效斷面面積F，等于其自身凈斷面F加上兩側各長為0.78的管壁面積。在內水壓力作用下，其變形具有軸對稱特性，因此管壁圓周上各處的彎矩和剪力值都相等。設想將加勁環(huán)與管壁切開，根據變形相容條件可以證明，在切口處存在著均布的徑向彎矩M和剪力V，如圖821(b)所示。設在內水壓力P和管壁傳來的剪力V作用下，加勁環(huán)向外徑向變位為1；加勁環(huán)影響范圍以外的管壁向外徑向變位為2；如果沒有M和V的作用，全部管壁都將有相同的變位2；但是在M和V作用下，鋼管與加勁環(huán)連接處的變位應該與加勁環(huán)的變位相同，等于1。我們可以看作M和

27、V作用下使鋼管在斷面(3)-(3)處發(fā)生一個變位等于3。根據變形連續(xù)條件，同時管壁在M和V作用下沒有角變位(轉角)。(1) 求2。在加勁環(huán)影響范圍以外的管壁變位2，是由均勻內水壓力產生的。2為半徑的增加。根據虎克定律可得(b)圖821 加勁環(huán)及其旁管壁變形示意圖(a) 管壁局部變形；(b) 切口處均布的徑向彎矩和剪力 (8-11)式中 E鋼材彈性模量。(2) 求1。用類似的方法可以推導出： (8-12)式中 a加勁環(huán)寬度； F加勁環(huán)凈截面積，不包括管壁翼緣。(3) 求3。根據彈性理論，M與V之間存在關系如下： (8-13)在M與V的共同作用下，該處管壁的徑向變位減小3 (8-14)式中 k等效

28、翼緣寬度的倒數，即： 根據連續(xù)條件，將式(811)、(812)、(814)代入，得 (8-15)再將代入上式，化簡后得 (8-16)代入式(813)得 (8-17) (8-18)式中 F加勁環(huán)有效截面積，包括管壁的等效翼緣。最后可得局部彎矩M產生的管壁局部軸向應力x3為 (8-19)取=0.3，則 (8-20)式中的正號代表管壁內緣受拉，負號代表管壁外緣受壓。由于，當F很大時，1，而沒有加勁環(huán)時，F(xiàn)=a, 0。2剪應力上述分布剪力V在加勁環(huán)旁管壁內產生剪應力，的作用方向指向管中心，其值用公式(管壁中面)或(管壁內、外緣)計算。一般的值較小，且管壁總應力的控制點在管壁內外緣，故可忽略不計。3切向

29、應力2加勁環(huán)凈截面除承受徑向的均勻內水壓力Pa外，還承受外側徑向剪力2V，如圖8-21(a)?？偳邢蚶瓚?(8-21)將式(816)代入上式得 (8-22)根據式(818)可得 (8-23)將上式代入式(822)，即可得 (8-24)4剪應力由管重和水重法向分力在管壁中引起的剪應力用式(89)計算，而由剪應力互等定理可知= (8-25)圖822加勁環(huán)斷面管壁應力分布和方向示意圖斷面(3)-(3)的軸向應力x1、x2和剪應力的計算，均與斷面(2)-(2)相同。綜合斷面(3)-(3)各應力方向和分布，如圖8-22所示。(四) 支承環(huán)及其旁管壁，斷面(4)(4)的管壁應力支承環(huán)與加勁環(huán)從形式上看

30、都是一個套焊在管壁外緣的鋼環(huán)，因此斷面(4)-(4)的管壁應力的計算均與斷面(3)-(3)相同。但支承環(huán)由于承擔管重和水重法向力Q而在支墩處引起的支承反力R，從而在支承環(huán)內產生附加應力。隨著支承方式和結構不同，應力狀態(tài)也不同。1支承環(huán)的支承方式大中型水電站明鋼管上的支承環(huán)支承方式有側支承和下支承兩種形式，如圖8-23所示。圖中點劃線為支承環(huán)有效截面重心軸，它與圓心距離為半徑R，支墩支承點至支承環(huán)截面有效重心軸距離為b，支承反力為。2支承環(huán)內力計算支承環(huán)的內力計算常采用結構力學中的彈性中心方法進行。因為鋼管斷面是一個對稱圓環(huán)，是一個三次超靜定結構，可用彈性中心法計算支承環(huán)上各點的內力。當采用側支

31、承時，設支承反力離支承環(huán)重心軸距離為b。根據分析，在設計時取b=0.04R，可使環(huán)上最大正彎矩與最大負彎矩接近相等，則鋼材性能得到最充分的發(fā)揮。采用下支承時，一般=30o90o較經濟。符號的意義見圖823(b)。圖823支承環(huán)支承方式(a) 側支承；(b) 下支承(1) 側支承式支承環(huán)的內力計算。支承環(huán)所承受的荷載主要是管重和水重法向分力產生的剪力(表現(xiàn)為支承環(huán)兩側管壁上的剪應力)，以及支墩兩側的反力0.5Q，還有支承環(huán)自重，但相對較小，可以不計。鋼管一般都是傾斜布置，支承反力為。管重和水重在支承環(huán)兩側管壁上產生的剪應力均為，因此沿管壁圓周單位長度上作用在支承環(huán)上的剪力為 (8-26)要進行支

32、承環(huán)截面的內力計算，實際上是要計算一個封閉圓環(huán)各斷面上的彎矩MR、剪力TR和軸力NR。其計算簡圖如圖824所示。利用結構力學中的彈性中心法，將圓環(huán)頂部切開加上內力TG和MG；由于圓環(huán)是對稱圖形，該處沒有剪力。把內力移到彈性中心，令彈性中心處的力矩為M0，推力為T0。由彈性中心法可以求得 (8-27) (8-28)式中 Ms圓弧上各點的靜定力矩，以順時針方向為正；y圓弧的縱坐標； ds弧長的微分。求出彈性中心處的M0及T0后，即可得到環(huán)頂切口處的內力MG、TG，從而可推求出封閉圓環(huán)(支承環(huán))任一斷面上的內力。導出的內力MR、TR和NR在一些特殊點處的計算公式列于表83。從表中可以看出，支承環(huán)內力

33、除取決于它的幾何尺寸及荷載Q、以外，還與支點的位置b有關。當b=0.04R時，支承環(huán)各斷面的內力分布情況如圖8-25所示。圖8-24 支承環(huán)計算簡圖圖8-25 b=0.04R時支承環(huán)內力圖圖中彎矩畫在受拉一邊，正的M0表示支承環(huán)外側受拉，正的NR表示拉力，正的TR方向如。 (2) 下支承式支承環(huán)的內力計算。下支承環(huán)支點位置用角度來確定，如圖823(b)所示。仍用彈性中心法計算內力，計算簡圖如圖824(b)。支承環(huán)任意斷面內力計算公式可查水電站壓力鋼管設計規(guī)范DL/T 5141-2001。不論是側支承或是下支承，當需要考慮地震時尚需計算橫向地震力作用下產生的內力，計算公式見上述規(guī)范。表8-5 支

34、承環(huán)內力計算公式內力象限任一段面的內力時的截面內力彎矩MRI或II ，IV或III 軸力NRI或II，IV或III剪力TRI或IIIV或III計算出支承反力產生的彎矩MR、軸力NR和剪力TR后，它們所產生的應力分別為(見圖8-25): (8-29) (8-30)(支承環(huán)腹板) (8-31)上面三式中 NR支承環(huán)橫截面上的軸力；圖8-26 支承環(huán)斷面管壁應力分布和方向示意圖MR支承環(huán)橫截面上的彎矩；ZR計算點與重心軸的距離；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；TR支承環(huán)橫斷面上的剪力；SR支承環(huán)有效截面上，計算點以外部分對重心軸的靜矩；a支承環(huán)腹板厚度；F支承

35、環(huán)有效截面積，包括管壁等效翼緣。斷面(4)-(4)各應力的方向和分布，如圖8-26所示。四個斷面的應力計算公式匯總在表8-6中。表8-6 明鋼管應力計算公式匯總表斷面應 力計 算 公 式(1)-(1)(2)-(2)(3)-(3)(4)-(4)縱斷面(支承環(huán)腹板)橫斷面(管壁內緣+，外緣-)三、強度驗算鋼管為三維受力狀態(tài)，計算出各個應力分量后，應按強度理論進行驗算。如果不滿足要求，則重新調整管壁厚度或支墩間距，重新計算，直到滿足要求。按照第四強度理論(畸變能理論)，各應力計算點的等效應力為 (8-33)或簡化為 (8-34)要求： 第七節(jié) 明鋼管的抗外壓穩(wěn)定一、明鋼管外壓失穩(wěn)的原因及失穩(wěn)現(xiàn)象鋼管

36、是一種薄壁結構，可以承受較高的內壓，但承受外壓力的能力較差。機組運行過程中由于負荷變化產生負水錘，而使管道內產生負壓，或者管道放空時通氣孔失靈，而在管道內產生真空。管道內部產生真空或負壓時，管壁在外部的大氣壓力下可能喪失穩(wěn)定，管壁被壓癟。所以，必須根據鋼管處于真空中狀態(tài)時不至于產生不穩(wěn)定變形的條件來校核管壁的厚度或采取工程措施。二、抗外壓穩(wěn)定性校核鋼管承受均布外壓荷載時，其抗外壓穩(wěn)定性可按下式驗算： (8-35)其中：Kc抗外壓穩(wěn)定安全系數，對明鋼管一般取為2.0；P0k徑向均布外壓力標準值；Pcr抗外壓穩(wěn)定臨界壓力計算值。三、光滑管段的臨界外壓力取單位長度的圓環(huán)考慮，在均勻外壓力作用下產生變

37、形，如圖8-27示。當外壓力P增加到臨界壓力Pcr時，鋼管管壁就喪失穩(wěn)定。在Pcr作用下，管壁維持一定的變形狀態(tài)。經過推導，得出臨界壓力Pcr為 (8-36)式中 D 圓環(huán)直徑； E 鋼的彈性模量； 鋼的泊松比； 鋼管厚度。圖8-27 管壁在外壓下的屈曲三、加勁鋼管的外壓穩(wěn)定當管徑較大時按公式(8-36)求出的管壁厚度太大，可能無法加工，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，不但可以增加其抗外壓穩(wěn)定性，也可以降低生產難度，并降低造價(比增加管壁厚度更經濟)。(一) 加勁環(huán)之間的管壁臨界外壓力加勁環(huán)的剛度要足夠大，在設計外壓下不失穩(wěn)。管壁由于受到加勁環(huán)的約束，其變形與光滑管不相同，其

38、變形形態(tài)如圖8-28所示，變形的特點是發(fā)生多波屈曲。發(fā)生多波屈曲所需的外壓力比發(fā)生雙波屈曲的外壓力要大，但這與加勁環(huán)的間距有關。當加勁環(huán)的間距較小時，其間的光滑部分與加勁環(huán)一同變形，管壁的臨界壓力即加勁環(huán)的臨界壓力；當加勁環(huán)的間距較大時，假設加勁環(huán)的剛度足夠大，不會失穩(wěn)，則兩個加勁環(huán)的中間光滑部分的臨界外壓力為： (8-37) (8-38)式中 n相應于最小臨界壓力的屈曲波數，用(8-37)估算；L為加勁環(huán)間距。屈曲波數n應為整數，但求出的n不一定是整數，需對其取整。因此按上面的公式計算時，首先求出屈曲波數n，并取整，然后用n，n-1，n+1三個數分別帶入上面的公式中，求出的最小值就是臨界荷載

39、。用公式(8-37)和(8-38)計算臨界壓力非常繁瑣，也可以用查圖表的方法求臨界壓力，圖表是根據上述公式繪制而成，見圖8-29。圖8-28 有加勁環(huán)的鋼管管壁屈曲波形示意圖圖8-29 加勁環(huán)間管壁屈曲壓力計算曲線 (二) 加勁環(huán)斷面的臨界外壓力圖8-30 加勁環(huán)有效斷面加勁環(huán)兩側附近的管壁與加勁環(huán)一起變形，這一部分的長度為，加勁環(huán)有效斷面如圖8-30所示。加勁環(huán)斷面的外壓穩(wěn)定計算公式，可按照光滑管的公式計算，但是等式右邊應該除以加勁環(huán)的間距L，其他參數用加勁環(huán)有效斷面計算。 (8-39)式中 J 計算斷面對自身中和軸的慣性矩； Rk加勁環(huán)有效斷面中心半徑；最后，總結一下明鋼管的設計步驟：(1

40、) 首先根據鍋爐公式并考慮銹蝕厚度初步擬定管壁厚度，但在應力和穩(wěn)定計算中，不計銹蝕厚度；(2) 再由管壁厚度用光滑管外壓穩(wěn)定計算公式進行外壓穩(wěn)定校核，如果不穩(wěn)定可設置加勁環(huán)(也可用支承環(huán)代替)，并選定其間距；(3) 根據加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定和橫斷面壓應力小于鋼管構件抗力限值的要求，確定加勁環(huán)的尺寸；(4) 進行強度校核，如果不滿足要求則增加管壁厚度或縮小加勁環(huán)間距。重復上面的步驟，直到滿足要求。第八節(jié) 分岔管一、分岔管的功用、特點和要求采用聯(lián)合供水或分組供水時，即一根管道需要供應兩臺或更多機組用水時，需要設置分岔管，這種岔管位于廠房上游側，其作用是分配水流。有時，一條壓力引水道需要分成二根以上的壓力管道，也是分岔管，通常位于調壓井底部或調壓井下游。幾臺機組的尾水管往往在下游合成一條壓力尾水洞，匯合處也是分岔管，不過水流方向相反。上下游壓力引水道上的分岔管往往尺寸較大，但內壓較低。我國已經建成的水電站岔管大多數屬于地下岔管，但大多按明管設計，即不