水電站壓力鋼管.doc

1、第三章 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(diǎn)壓力管道是從水庫、壓力前池或調(diào)壓室向水輪機(jī)輸送水量的水管，一般為有壓狀態(tài)。其特點(diǎn)是集中了水電站大部分或全部的水頭，另外坡度較陡，內(nèi)水壓力大，還承受動水壓力的沖擊(水擊壓力)，且靠近廠房，一旦破壞會嚴(yán)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(shè)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(nèi)水壓力，管道的內(nèi)直徑d(m)和其承受的水頭h(m)及其乘積hd值是標(biāo)志壓力管道規(guī)模及技術(shù)難度的重要參數(shù)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(kuò)建工程的隧洞內(nèi)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3-1。表3-1 壓力管道類型按 結(jié) 構(gòu) 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(nèi)管道；(2) 壩上游面管；(3) 壩下游面管鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼襯鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力鋼筋鋼襯混凝土結(jié)構(gòu)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(qiáng)度高，防滲性能好，故鋼管或鋼襯混凝土襯砌管道主要用于中、高

3、水頭電站；而鋼筋混凝土管適用于中小型電站。 (一) 鋼管鋼管按其自身的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖3-1所示，一般相鄰兩節(jié)管道的縱縫應(yīng)錯開一定角度，以避免焊縫薄弱點(diǎn)在同一直線上。圖3-1 焊縫布置圖(3) 箍管。當(dāng)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(nèi)水壓力，以減小管壁鋼板的厚度。鋼管所使用的鋼材應(yīng)根據(jù)鋼管結(jié)構(gòu)型式、鋼管規(guī)模

4、、使用溫度、鋼材性能、制作安裝工藝要求以及經(jīng)濟(jì)合理等因素參照設(shè)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(jīng)久耐用等優(yōu)點(diǎn)，通常用于內(nèi)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(yù)應(yīng)力和自應(yīng)力鋼筋混凝土管、鋼絲網(wǎng)水泥管和預(yù)應(yīng)力鋼絲網(wǎng)水泥管等。普通鋼筋混凝土管適用于hd50m2的情況，預(yù)應(yīng)力和自應(yīng)力鋼筋混凝土管的hd可達(dá)到200m2，而預(yù)應(yīng)力鋼絲網(wǎng)水泥管的抗裂性能好，hd可超過300m2。(三) 鋼襯鋼筋混凝土管鋼襯鋼筋混凝土管是在鋼筋混凝土管內(nèi)襯鋼板。在內(nèi)水壓力作用下，剛襯與鋼筋混凝土聯(lián)合受力，從而可以減小鋼板的厚度，適用于hd較高的情況。由于鋼襯可以防滲，外包的鋼

5、筋混凝土允許開裂，有利于充分發(fā)揮鋼筋的作用。除了表3-1中所列出的壓力管道類型以外，還有回填管(多用于尾礦壩排水管)、土壩下埋管、木管、鑄鐵管等。這些類型的管道目前在大中型水電站中較少采用，但在小型水電站中有時還能見到。第二節(jié) 壓力管道的線路選擇及尺寸擬定一、供水方式壓力管道向多臺機(jī)組供水的方式有三種，即單元供水、聯(lián)合供水、分組供水。1. 單元供水(單管單機(jī))。即每臺機(jī)組都有一條壓力管道供水，如圖3-2(a)，不設(shè)下閥門。其特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單(無岔管)，工作可靠，靈活性好，當(dāng)某根管道檢修或發(fā)生事故時，只影響一臺機(jī)組工作，其它機(jī)組照常工作。另外，單元供水的管道易于制作，無岔管，但管道在平面上所占尺

6、寸大，造價高。適用于單機(jī)流量大或長度短的地下埋管或明管，混凝土壩身管道也常用這種供水方式。2. 聯(lián)合供水(一管多機(jī))。即一根主管向多臺機(jī)組供水，在廠房前分岔，在進(jìn)入機(jī)組前的每根支管上設(shè)快速閥門，如圖3-2(b)。其特點(diǎn)是單管規(guī)模大，分岔管多，容易布置，但造價較低，此外一旦主管道檢修或發(fā)生事故，需全廠停機(jī)。適用于單機(jī)流量小、機(jī)組少、引水管道較長的引水式水電站。地下埋管中開挖距離相近的幾根管井多有一定困難，所以常采用這種方式。3. 分組供水(多管多機(jī))。即設(shè)多根主管，每根主管向數(shù)臺機(jī)組供水，在進(jìn)入機(jī)組前的每根支管上設(shè)快速閥門，如圖3-2(c)。其特點(diǎn)介于上面兩種供水方式之間。適用于壓力水管較長，機(jī)

7、組臺數(shù)多，單機(jī)流量較小的地下埋管和明管。圖3-2 壓力水管的供水方式(a) 單元供水 (b) 聯(lián)合供水 (c) 分組供水o有時可以不設(shè)的閥門； 必須設(shè)置的閥門或閘門鋼管首部的快速閘門(閥)和事故閘門(閥)必須在中央控制室和現(xiàn)場設(shè)置操作裝置，并要求有可靠的電源為其供電。二、明管布置管道與主廠房的關(guān)系主要取決于整個廠區(qū)樞紐布置中各建筑物的布置情況，常采用的明鋼管引近廠房的方式有三種：1. 正向引近。如圖3-3(a)和(b)，管道的軸線與電站廠房的縱軸線垂直。其工作特點(diǎn)是水流平順，水頭損失小，開挖量小，交通方便，但鋼管發(fā)生事故時直接危及廠房安全。適用于中、低水頭電站。2. 縱向引近：如圖3-3(c)

8、和(d)，管道的軸線與電站廠房的縱軸線平行。其工作特點(diǎn)是一旦鋼管破裂時可以避免水流直沖廠房，但水流條件不太好，增加了水頭損失，且開挖工程量較大。適用于高、中水頭電站。3. 斜向引近。如圖3-3(e)，其管道的軸線與電站廠房的縱軸線斜交。其工作特點(diǎn)介于上述兩種布置方式之間，常用于分組供水和聯(lián)合供水的水電站。圖3-3 壓力水管引近廠房的方式(a)、(b) 正向引進(jìn) (c)、(d) 縱向引進(jìn) (e) 斜向引進(jìn)三、線路選擇壓力管道的線路選擇應(yīng)結(jié)合引水系統(tǒng)中其它建筑物(前池、調(diào)壓室)和水電站廠房的布置統(tǒng)一考慮，選擇在地形和地質(zhì)條件優(yōu)越的地段。明鋼管線路選擇的一般原則為：(1) 管道路線應(yīng)盡可能短而直，以

9、降低造價，減少水頭損失，降低水擊壓力，改善機(jī)組運(yùn)行條件。因此，地面壓力管道一般敷設(shè)在陡峻的山脊上。(2) 選擇良好的地質(zhì)條件。通常要求山體穩(wěn)定、地下水位低，避開山崩、雪崩、沉陷量很大的地區(qū)、洪水集中的地區(qū)、村鎮(zhèn)居民區(qū)和交通道路等。如果無法滿足要求，要有切實可行的防護(hù)措施，若不能避開村鎮(zhèn)居民區(qū)，要考慮工程對環(huán)境的影響。(3) 盡量減小管道線路的上下起伏和波折，避免出現(xiàn)負(fù)壓；如果需要在平面上轉(zhuǎn)彎時，轉(zhuǎn)彎半徑可采用23倍管道直徑d；盡量避免與其它管道或交通道路交叉。(4) 水頭高線路長的管線，要滿足鋼管運(yùn)輸安裝和運(yùn)行管理、維修等交通要求。此外，為了避免鋼管一旦發(fā)生意外事故時，危機(jī)電站設(shè)備和人身安全，

10、需要設(shè)置事故排水和和防沖工程設(shè)施。與水渠、道路、輸電線、通信線路等交叉時，要設(shè)置必要的交叉建筑物和防護(hù)設(shè)施。沿管線一般要設(shè)置交通道路，并有照明設(shè)施。根據(jù)工程具體情況，可在交通道路沿線設(shè)置休息平臺、扶手欄桿、越過鋼管的爬梯或管底通道等。對于地下埋管，其線路也應(yīng)選擇在地質(zhì)和地形條件優(yōu)越的地區(qū)，巖石要盡量堅固、完整，要有足夠的上覆巖石厚度，以利用圍巖承擔(dān)內(nèi)水壓力。埋管軸線要盡量與巖層構(gòu)造面垂直，并避開活動斷層、滑坡、地下水壓力和勇水量很大的地帶，以避免鋼襯在外水壓力作用下失穩(wěn)，同時應(yīng)注意施工的便利。進(jìn)水口應(yīng)選擇在相對優(yōu)良的地段。如果選用多根管道，相鄰管道間的巖體要滿足施工期和運(yùn)行期的穩(wěn)定和強(qiáng)度要求。

11、四、壓力管道直徑的選擇壓力管道直徑的確定是壓力管道的主要設(shè)計內(nèi)容之一。管道的直徑越小，管道的用材和造價越低，但管道中的流速也就越高，水頭損失和發(fā)電量損失也越大。因此，管道直徑的確定不僅是一個技術(shù)問題，還是一個經(jīng)濟(jì)問題，應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。目前國內(nèi)外計算壓力鋼管經(jīng)濟(jì)直徑的理論公式和經(jīng)驗公式很多，但其基本原理和基本方法都相似。實際設(shè)計中，由于有些因素(如施工工藝和技術(shù)水平等)無法在計算公式中考慮，所以按照公式計算的結(jié)果一般作為參考。通?？梢愿鶕?jù)已有工程經(jīng)驗和計算公式確定幾種直徑，再分別進(jìn)行造價和電量計算，再考慮技術(shù)方面的因素后，選擇最優(yōu)直徑。在可行性研究和初步設(shè)計階段，也可以用下面的經(jīng)驗公式法

12、或經(jīng)濟(jì)流速方法確定壓力鋼管的直徑。(1) 經(jīng)驗公式法 (3-1)式中 qmax壓力管道設(shè)計流量，m3/s；h設(shè)計水頭(包括水擊壓力)，m。(2) 經(jīng)濟(jì)流速法壓力管道的經(jīng)濟(jì)流速一般為46m/s，最大不超過7m/s。選定經(jīng)濟(jì)流速ve后，根據(jù)水管引用流量q用下面的公式確定管道直徑： (3-2)第三節(jié) 明鋼管的敷設(shè)方式及附件一、明鋼管的敷設(shè)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(shè)，即在直線段每隔120150m或在鋼管軸線轉(zhuǎn)彎處(包括平面轉(zhuǎn)彎和立面轉(zhuǎn)彎)設(shè)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(shè)置伸縮節(jié)，其作用是當(dāng)溫度發(fā)生變化時，管身可以自由伸縮，從而減小溫度應(yīng)力。伸縮節(jié)一般放在

13、鎮(zhèn)墩的下游側(cè)。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(yīng)力分析，并考慮鋼管的安裝條件、地基條件和支墩型式，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(hù)和檢修。這種敷設(shè)方式的水管受力明確，在自重和水重作用下，水管相當(dāng)于一個多跨連續(xù)梁，鎮(zhèn)墩將水管完全固定，相當(dāng)于梁的固定端，見圖3-4。圖3-4 明鋼管的敷設(shè)(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(chǎn)生的軸向不平衡力，防止水管產(chǎn)生位移。鎮(zhèn)墩一般由混凝土澆制而成，混凝土強(qiáng)度等級一般不低于c15。在寒冷地區(qū)，墩底基面應(yīng)深埋在凍土線以下。分封閉式和開敞式兩種型式。1

14、封閉式：如圖3-5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(shè)置環(huán)向筋和一定數(shù)量錨筋。這種布置方式結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)約鋼材，固定效果好，應(yīng)用較廣泛。2開敞式：如圖3-6所示，利用錨栓將鋼管固定在混凝土基礎(chǔ)上。鎮(zhèn)墩處的管壁受力不均勻，錨環(huán)施工復(fù)雜，其優(yōu)點(diǎn)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(dāng)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3-5 封閉式鎮(zhèn)墩 圖3-6 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?；瑒邮街Ф沼挚煞譃闊o支承環(huán)鞍形支墩、有支

15、承環(huán)鞍形支墩和有支承環(huán)滑動支墩三種。無支承環(huán)鞍形支墩，見圖3-7(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(shè)鋼板并在接觸面上加潤滑劑。這種支墩結(jié)構(gòu)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3-7(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。圖3-7滑動式支墩(a) 鞍式； (b) 支承環(huán)式2滾動支墩。如圖3-8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(shù)約為0.1，適用于垂直荷載較小而管徑大于2m的鋼管。3擺

16、動支墩。如圖3-9所示，在支承環(huán)與支承面之間設(shè)置一擺動短柱。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3-8滾動式支墩 圖3-9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(jìn)口處一般都設(shè)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(gòu)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(diào)壓室的明管，為了在發(fā)生事故時緊急關(guān)閉和檢修放空水管的需要，在鋼管進(jìn)口處一般也要設(shè)置閘門，閘門裝在壓力前池或調(diào)壓室內(nèi)。閥門一般設(shè)置在緊靠壓力管道末端

17、，即水輪機(jī)蝸殼進(jìn)口處的鋼管上。在分組供水和聯(lián)合供水時，為避免一臺機(jī)組檢修影響其他機(jī)組的正常運(yùn)行，或在調(diào)速器、導(dǎo)水葉發(fā)生故障時緊急切斷水流，防止機(jī)組產(chǎn)生飛逸，在每臺機(jī)組前都應(yīng)設(shè)置閥門，通常稱為下閥門。壩內(nèi)埋管長度較小，只須在進(jìn)口處設(shè)置閘門，不設(shè)下閥門。有時雖是單獨(dú)供水，但水頭較高、容量較大時也要設(shè)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(gòu)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(yán)密，運(yùn)行可靠，但需要很大的啟閉力，動作緩慢，易產(chǎn)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

18、殼和閥體組成。閥殼為一短圓筒，閥體形似圓盤，在閥殼內(nèi)繞水平或垂直軸旋轉(zhuǎn)。閥門關(guān)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(nèi)汽蝕現(xiàn)象；在關(guān)閉狀態(tài)時，止水不嚴(yán)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(yīng)用最廣，最大直徑可達(dá)8m以上，最大水頭達(dá)200m。蝴蝶閥可在動水中關(guān)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(zhuǎn)的圓筒形閥體及其他附件組成，如圖3-12所示。

19、閥體圓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(zhuǎn)90o，使圓筒一側(cè)的球面封板擋住水流通路，則閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。球閥的優(yōu)點(diǎn)是在開啟狀態(tài)時實際上沒有水頭損失，止水嚴(yán)密，結(jié)構(gòu)上能承受高壓；缺點(diǎn)是尺寸和重量大，造價高。適于作高水頭電站的水輪機(jī)前閥門。球閥是在動水中關(guān)閉，但需要用旁通閥平壓后在靜水中開啟。 圖3-10 平板閥門 圖3-11 蝴蝶閥圖3-12 球閥(a) 關(guān)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(yīng)力，且適應(yīng)少量的不均勻沉陷，常在上鎮(zhèn)墩的下游側(cè)設(shè)置伸縮節(jié)。對伸縮界的基本要求是：能隨

20、溫度變化自由伸縮，能適應(yīng)鎮(zhèn)墩和支墩的基礎(chǔ)變形而產(chǎn)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3-13。在閥門處的伸縮節(jié)應(yīng)便于閥門拆卸，并允許產(chǎn)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(dāng)閥門緊急關(guān)閉時，水管中的負(fù)壓使通氣閥打開向管內(nèi)充氣，以消除管中負(fù)壓；水管充水時，管中空氣從通氣閥排出，然后再關(guān)閉閥門。(3) 進(jìn)人孔。為了檢修方便，在鋼管鎮(zhèn)墩的上游側(cè)通常設(shè)置進(jìn)人孔。進(jìn)人孔間距一般為150m，不宜超過300m。進(jìn)人孔為圓形或橢

21、圓形，其直徑(或短軸)一般不小于45cm。為保證正常運(yùn)行期間不漏水，進(jìn)人孔蓋與外接套管之間要設(shè)止水盤根，如圖3-14所示。(4) 旁通閥。旁通閥設(shè)在水輪機(jī)進(jìn)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(shè)施。在壓力水管的最低點(diǎn)應(yīng)設(shè)置排水管，在檢修水管時用于排出管中的積水和滲漏水。嚴(yán)寒地區(qū)的明鋼管，應(yīng)有防止鋼管本身及其附件結(jié)冰的保溫措施。圖3-14 進(jìn)人孔1-孔蓋； 2-墊圈； 3-螺栓； 4-接管第四節(jié) 作用在鋼管上的荷載及其組合鋼管的結(jié)構(gòu)設(shè)計狀況分為持久狀況、短暫狀況和偶然狀況三種。三種設(shè)計狀況均應(yīng)進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計。持久狀況還應(yīng)進(jìn)行正常使用極限狀

22、態(tài)設(shè)計，短暫狀況可根據(jù)需要進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計，偶然狀況可不進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計。承載能力極限狀態(tài)，是指鋼管結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，或達(dá)到最大承載能力、或喪失彈性穩(wěn)定、或出現(xiàn)不適合于繼續(xù)承載的變形。而正常使用極限狀態(tài)，是鋼管結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值。按照設(shè)計規(guī)范要求，明鋼管要求進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)驗算，其內(nèi)容包括主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力計算，管壁和加勁環(huán)的抗外壓穩(wěn)定計算。如有必要應(yīng)進(jìn)行鎮(zhèn)墩和支墩抗傾、抗滑及抗浮驗算，如有抗震要求，還應(yīng)進(jìn)行抗震承載能力計算。一、荷載計算及其分項系數(shù)按荷載的作用方向可以將其分為軸向力、徑向力和法向力。每種荷載都有其不同的作用分項系數(shù)，見表3-2。作

23、用在明鋼管上的各種作用力計算公式及作用方向見表3-3，但風(fēng)荷載、雪荷載、地震荷載等需查閱水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范。表3-2 作用分類及按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計的作用分項系數(shù)序 號作 用 分 類 及 名 稱作用分項系數(shù)(1)(1a)內(nèi)水壓力正常蓄水位的靜水壓力靜水壓力q=1.0水擊壓力q=1.1(1b)正常運(yùn)行最高壓力(靜水壓力+水擊壓力)(1c)特殊運(yùn)行最高壓力(靜水壓力+水擊壓力)靜水壓力a=1.0水擊壓力a=1.1(1d)水壓試驗內(nèi)水壓力q=1.0(2)管道結(jié)構(gòu)自重g=1.05或0.95(3)管內(nèi)滿水重q=1.0(4)溫度作用q=1.1(5)管道直徑變化處、轉(zhuǎn)彎處及作用在堵頭、閘閥、伸縮節(jié)上的

24、內(nèi)水壓力(靜水壓力+水擊壓力)靜水壓力q=1.0水擊壓力q=1.1(6)彎道離心力q=1.1(7)鎮(zhèn)墩、支墩不均勻沉降引起的力q=1.1(8)風(fēng)荷載q=1.3(9)雪荷載q=1.3(10)灌漿壓力q=1.3(11)地震作用a=1.0(12)管道放空時通氣設(shè)備造成的氣壓差q=1.0(13)(13a)外水壓力地下水壓力q=1.0(13b)壩體滲流水壓力q=1.0(14)壩體變位作用q=1.0說明：1(2)中的作用分項系數(shù)，當(dāng)自重作用效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利時采用0.95。2g、q、a分別為永久作用、可變作用、偶然作用的分項系數(shù)。3管道放空時通氣設(shè)備造成的氣壓差作用取值不應(yīng)小于0.05n/mm2，也不應(yīng)大于0

25、.1n/mm2。二、荷載組合鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)根據(jù)承載能力極限狀態(tài)的要求，對不同設(shè)計狀況下可能同時出現(xiàn)的作用，進(jìn)行相應(yīng)的作用效應(yīng)組合，對明鋼管要求的組合見表3-4。表3-3 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(nèi)水壓力強(qiáng)度p2.1垂直管軸鋼管自重的分力qs2.2管內(nèi)水重的分力qw3.1平行管軸鋼管自重的分力a1順順3.2關(guān)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(nèi)水壓力a3順順3.4伸縮節(jié)端部的內(nèi)水壓力a4順逆3.5彎管上內(nèi)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)止水填料的摩

26、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(cè)和下游側(cè)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?biāo)鞣较蚝湍嫠鞣较颍蛱?.2作用力及順?biāo)魈Ц叩墓芏蔚钠渌饔昧χ赶驊?yīng)具體判斷。表3-3中各計算式種符號的含義為：p 內(nèi)水壓力設(shè)計值； 水的重度；h 計算截面管軸處內(nèi)水壓力作用水頭(包括靜水壓力和水擊壓力)；qs 單位管長鋼管自重設(shè)計值；qw 單位管長管內(nèi)水重設(shè)計值；l 支墩間距； 管軸與水平面夾角；d0 鋼管內(nèi)徑；dmax和dmin 漸縮管的最大內(nèi)徑和最小內(nèi)徑；d1和d2 伸

27、縮節(jié)內(nèi)套管的外徑和內(nèi)徑；v0 機(jī)組滿負(fù)荷時鋼管內(nèi)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(shù)； 支座墊板與鋼管間或支座上下墊板間的摩擦系數(shù)。荷載計算式中的各個變量要按表3-2計入作用分項系數(shù)。表3-4 明鋼管按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計的作用效應(yīng)組合與計算情況設(shè)計狀況作 用 效 應(yīng) 組 合計算情況組合類別組 合 項 次持久狀況基本組合(1b)+(2)+(3)+(4)+(5)+(7)正常運(yùn)行情況一(1a)+(2)+(3)+(4)+(5)+(7)+(8)或(9)正常運(yùn)行情況二短暫狀況(1d)+(2)+(3)+(5)水壓試驗情況(12)放空情況偶然狀況偶然組合(

28、1c)+(2)+(3)+(4)+(5)+(7)特殊運(yùn)行情況(1a)+(2)+(3)+(4)+(5)+(7)+(11)地震情況第五節(jié) 明鋼管的結(jié)構(gòu)分析一、鋼管管壁厚度估算在進(jìn)行鋼管設(shè)計時，需要先設(shè)定管壁厚度。由于內(nèi)水壓力在管壁上產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力是其主要應(yīng)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(yīng)力： (3-3)以鋼材的允許應(yīng)力代替，并考慮焊縫的強(qiáng)度降低，引入焊縫系數(shù)，整理得： (3-4)上面二式中： p 內(nèi)水壓力；d 鋼管直徑； 管壁厚度； 水的重度；h 鋼管內(nèi)的水頭。根據(jù)規(guī)范要求，焊縫系數(shù)一般取為0.90.95

29、，允許應(yīng)力取鋼管材料允許應(yīng)力的75% 85%?？紤]鋼管運(yùn)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(yùn)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、管身的應(yīng)力分析前面已經(jīng)指出，明鋼管敷設(shè)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(shè)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(jìn)行應(yīng)力分析。在管重和水重作用下，鋼管相當(dāng)于一根連續(xù)梁；在軸向力作用下鋼管可用軸向受壓構(gòu)件計算；徑向力作用只會引起鋼管

30、的環(huán)向變形。根據(jù)受力特點(diǎn)，管身的應(yīng)力分析可選擇四個基本斷面，如圖3-15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(yīng)力，受力最簡單；(2)-(2)斷面位于支承環(huán)旁管壁膜應(yīng)力區(qū)的邊緣，彎距和剪力共同作用，無局部應(yīng)力，受力比較簡單；(3)-(3)斷面是加勁環(huán)及其旁管壁，由于加勁環(huán)的約束，存在局部應(yīng)力；(4)-(4)斷面指支承環(huán)及其旁管壁，應(yīng)力最復(fù)雜，彎距和剪力(支承反力)共同作用，存在局部應(yīng)力。在壓力鋼管的應(yīng)力分析中，其坐標(biāo)系規(guī)定為：軸向x、徑向r、環(huán)向，如圖3-16所示。(一) 跨中段面(1)-(1)的管壁應(yīng)力跨中段面屬于膜應(yīng)力區(qū)，其特點(diǎn)是彎矩最大，剪力為零。下面

31、分別介紹徑向應(yīng)力、切向(環(huán)向)應(yīng)力和軸向應(yīng)力的計算。 圖3-15 明鋼管應(yīng)力分析的幾個斷面 圖3-16 管壁應(yīng)力計算坐標(biāo)系1徑向應(yīng)力水管的內(nèi)表面承受內(nèi)水壓力，所以內(nèi)表面的徑向應(yīng)力等于該處的水壓強(qiáng)，即，“-”表示壓應(yīng)力。管壁外表面的。由于徑向應(yīng)力的數(shù)值比較小，所以應(yīng)力計算中可以忽略。2切向(環(huán)向)應(yīng)力設(shè)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(diǎn)(該點(diǎn)半徑與管頂半徑的夾角為，見圖3-17)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3-18)，可以推導(dǎo)出管壁中的切向拉力t和切向應(yīng)力為： (3-5) (3-6)式中 p 內(nèi)水壓強(qiáng)；

32、 管壁計算厚度；h 計算水頭； 管軸線傾角； 管壁中任意一點(diǎn)半徑與管頂半徑的夾角； r 水管半徑。圖3-17 管壁上內(nèi)水壓力的分布 圖3-18 管壁微圓弧的受力平衡3軸向應(yīng)力跨中段面的軸向應(yīng)力由兩部分組成，即法向力引起的軸向彎曲應(yīng)力和軸向作用力引起的軸向應(yīng)力。(1) 法向力作用引起的管壁軸向應(yīng)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(chǎn)生彎曲正應(yīng)力與剪應(yīng)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(dāng)于連續(xù)梁的中間輥軸支座，最下端的鎮(zhèn)墩相當(dāng)于固定端，上端伸縮節(jié)處可近似認(rèn)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3-19

33、，其他情況用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法求出，或查規(guī)范計算。這樣管壁橫斷面上任意一點(diǎn)的軸向應(yīng)力為 (3-7)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(shù)，。圖3-19 三跨連續(xù)梁截面內(nèi)力(2) 軸向力引起的軸向應(yīng)力。在軸向力合力a作用下，管壁中產(chǎn)生的軸向應(yīng)力為，管壁的斷面積為f，則： (3-8)“-”表示壓應(yīng)力。一般情況下，a為壓力，即為壓應(yīng)力，d為管道直徑。4剪應(yīng)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(yīng)力區(qū)邊緣(2)-(2)斷面的管壁應(yīng)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

34、。為了安全起見，認(rèn)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(3-7)計算彎曲應(yīng)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(yīng)力的計算公式為： (3-9)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(diǎn)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，。當(dāng)=0(管道頂部)和=180(管道底部)時，=0；當(dāng)=90(管道側(cè)面中點(diǎn))時，達(dá)到最大值。的分布如圖3-20，該圖為以上各應(yīng)力的綜合圖。斷面(2)-(2)的其他正應(yīng)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

35、，斷面(3)-(3)的管壁應(yīng)力1軸向應(yīng)力x3。由于加勁環(huán)存在，管壁在內(nèi)水壓力作用下的徑向變形受到了限制，因而將產(chǎn)生局部應(yīng)力，變形狀態(tài)如圖3-21(a)所示。加勁環(huán)對管壁約束的影響范圍，每側(cè)為。又稱等效翼緣寬度。由彈性理論分析可得 (3-10)式中 鋼材的泊松比。對于范圍以外的管壁，認(rèn)為不受加勁環(huán)的影響，即不存在局部應(yīng)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(cè)各長為0.78的管壁面積。在內(nèi)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(shè)想將加勁環(huán)與管壁切開，根據(jù)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921(b)所示。設(shè)

36、在內(nèi)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(yīng)該與加勁環(huán)的變位相同，等于1。我們可以看作m和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(jù)變形連續(xù)條件，同時管壁在m和v作用下沒有角變位(轉(zhuǎn)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(nèi)水壓力產(chǎn)生的。2為半徑的增加。根據(jù)虎克定律可得(b)圖921 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 (3-11)式中 e鋼材彈性模量。

37、(2) 求1。用類似的方法可以推導(dǎo)出： (3-12)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(jù)彈性理論，m與v之間存在關(guān)系如下： (3-13)在m與v的共同作用下，該處管壁的徑向變位減小3 (3-14)式中 k等效翼緣寬度的倒數(shù)，即： 根據(jù)連續(xù)條件，將式(911)、(912)、(914)代入，得 (3-15)再將代入上式，化簡后得 (3-16)代入式(913)得 (3-17) (3-18)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(chǎn)生的管壁局部軸向應(yīng)力x3為 (3-19)取=0.3，則 (3-20)式中的正號代表管壁內(nèi)緣受拉，負(fù)號代表管壁外

38、緣受壓。由于，當(dāng)f很大時，1，而沒有加勁環(huán)時，f=a, 0。2剪應(yīng)力上述分布剪力v在加勁環(huán)旁管壁內(nèi)產(chǎn)生剪應(yīng)力，的作用方向指向管中心，其值用公式(管壁中面)或(管壁內(nèi)、外緣)計算。一般的值較小，且管壁總應(yīng)力的控制點(diǎn)在管壁內(nèi)外緣，故可忽略不計。3切向應(yīng)力2加勁環(huán)凈截面除承受徑向的均勻內(nèi)水壓力pa外，還承受外側(cè)徑向剪力2v，如圖3-21(a)。總切向拉應(yīng)力為 (3-21)將式(916)代入上式得 (3-22)根據(jù)式(918)可得 (3-23)將上式代入式(922)，即可得 (3-24)4剪應(yīng)力由管重和水重法向分力在管壁中引起的剪應(yīng)力用式(99)計算，而由剪應(yīng)力互等定理可知= (3-25)圖922加勁

39、環(huán)斷面管壁應(yīng)力分布和方向示意圖斷面(3)-(3)的軸向應(yīng)力x1、x2和剪應(yīng)力的計算，均與斷面(2)-(2)相同。綜合斷面(3)-(3)各應(yīng)力方向和分布，如圖3-22所示。(四) 支承環(huán)及其旁管壁，斷面(4)(4)的管壁應(yīng)力支承環(huán)與加勁環(huán)從形式上看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(yīng)力的計算均與斷面(3)-(3)相同。但支承環(huán)由于承擔(dān)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(nèi)產(chǎn)生附加應(yīng)力。隨著支承方式和結(jié)構(gòu)不同，應(yīng)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(cè)支承和下支承兩種形式，如圖3-23所示。圖中點(diǎn)劃線為支承環(huán)有效截面重心

40、軸，它與圓心距離為半徑r，支墩支承點(diǎn)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(nèi)力計算支承環(huán)的內(nèi)力計算常采用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的彈性中心方法進(jìn)行。因為鋼管斷面是一個對稱圓環(huán)，是一個三次超靜定結(jié)構(gòu)，可用彈性中心法計算支承環(huán)上各點(diǎn)的內(nèi)力。當(dāng)采用側(cè)支承時，設(shè)支承反力離支承環(huán)重心軸距離為b。根據(jù)分析，在設(shè)計時取b=0.04r，可使環(huán)上最大正彎矩與最大負(fù)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(jīng)濟(jì)。符號的意義見圖923(b)。圖923支承環(huán)支承方式(a) 側(cè)支承；(b) 下支承(1) 側(cè)支承式支承環(huán)的內(nèi)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(chǎn)生的剪力(表

41、現(xiàn)為支承環(huán)兩側(cè)管壁上的剪應(yīng)力)，以及支墩兩側(cè)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(cè)管壁上產(chǎn)生的剪應(yīng)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 (3-26)要進(jìn)行支承環(huán)截面的內(nèi)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924所示。利用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的彈性中心法，將圓環(huán)頂部切開加上內(nèi)力tg和mg；由于圓環(huán)是對稱圖形，該處沒有剪力。把內(nèi)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 (3-27) (3-28)式中 ms圓弧上各點(diǎn)的靜定力矩，以順時針

42、方向為正；y圓弧的縱坐標(biāo)； 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(nèi)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(nèi)力。導(dǎo)出的內(nèi)力mr、tr和nr在一些特殊點(diǎn)處的計算公式列于表93。從表中可以看出，支承環(huán)內(nèi)力除取決于它的幾何尺寸及荷載q、以外，還與支點(diǎn)的位置b有關(guān)。當(dāng)b=0.04r時，支承環(huán)各斷面的內(nèi)力分布情況如圖3-25所示。圖3-24 支承環(huán)計算簡圖圖3-25 b=0.04r時支承環(huán)內(nèi)力圖圖中彎矩畫在受拉一邊，正的m0表示支承環(huán)外側(cè)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(nèi)力計算。下支承環(huán)支點(diǎn)位置用角度來確定，如圖923(b)

43、所示。仍用彈性中心法計算內(nèi)力，計算簡圖如圖924(b)。支承環(huán)任意斷面內(nèi)力計算公式可查水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范dl/t5141-2001。不論是側(cè)支承或是下支承，當(dāng)需要考慮地震時尚需計算橫向地震力作用下產(chǎn)生的內(nèi)力，計算公式見上述規(guī)范。表3-5 支承環(huán)內(nèi)力計算公式內(nèi)力象限任一段面的內(nèi)力時的截面內(nèi)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(chǎn)生的彎矩mr、軸力nr和剪力tr后，它們所產(chǎn)生的應(yīng)力分別為(見圖3-25): (3-29) (3-30)(支承環(huán)腹板) (3-31)上面三式中 nr支承環(huán)橫截面上的軸力；mr支承環(huán)橫截面上的彎矩；z

44、r計算點(diǎn)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(diǎn)以外部分對重心軸的靜矩；a支承環(huán)腹板厚度；f支承環(huán)有效截面積，包括管壁等效翼緣。斷面(4)-(4)各應(yīng)力的方向和分布，如圖3-26所示。四個斷面的應(yīng)力計算公式匯總在表3-6中。表3-6 明鋼管應(yīng)力計算公式匯總表斷面應(yīng) 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(nèi)緣+，外緣-)三、極限狀態(tài)驗算鋼管為三維受力狀態(tài)，計算出各個應(yīng)力分量后，應(yīng)按強(qiáng)度理論進(jìn)行極限狀態(tài)驗算。如果不滿足要求，則重新調(diào)

45、整管壁厚度或支墩間距，重新計算，直到滿足要求。按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時，各計算點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)符合下列要求： (3-32)其中，為鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的作用效應(yīng)計算值，是各種作用標(biāo)準(zhǔn)值及其分項系數(shù)、鋼管構(gòu)件的幾何參數(shù)等的函數(shù)；r為鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力限值，是結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)、結(jié)構(gòu)系數(shù)、焊縫系數(shù)和鋼材強(qiáng)度設(shè)計值的函數(shù)。按照第四強(qiáng)度理論(畸變能理論)，各應(yīng)力計算點(diǎn)的作用效應(yīng)為 (3-33)或簡化為 (3-34)r的計算式為 (3-35)其中0結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，鋼管結(jié)構(gòu)安全級別為i時取1.1，當(dāng)安全級別為ii時取1.0;設(shè)計狀況系數(shù)，其取值為：持久狀況1.0，短暫狀況0.9，偶然狀況0.8。d結(jié)構(gòu)系數(shù)，按表3-7取值。

46、f 鋼材強(qiáng)度設(shè)計值，按水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范dl/t 5141-2001取值。表3-7 結(jié)構(gòu)系數(shù)d應(yīng)力種類內(nèi)力種類結(jié)構(gòu)系數(shù)d(=0.95)整體膜應(yīng)力軸力1.6局部應(yīng)力局部膜應(yīng)力軸力1.3局部膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力軸力+彎矩1.1注：(1) 表中的d適用于焊縫系數(shù)=0.95的情況，若0.95，則d應(yīng)乘以0.95/。主廠房內(nèi)的明鋼管，d可增大10%20%。(2) 焊縫系數(shù)取值：單面對接焊且有墊板時取0.90，雙面對接焊時取0.95。經(jīng)論證，有可靠技術(shù)保障措施時，也可取1.0。第六節(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)象鋼管是一種薄壁結(jié)構(gòu)，可以承受較高的內(nèi)壓，但承受外壓力的能力較差。機(jī)組運(yùn)

47、行過程中由于負(fù)荷變化產(chǎn)生負(fù)水擊，而使管道內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，或者管道放空時通氣孔失靈，而在管道內(nèi)產(chǎn)生真空。管道內(nèi)部產(chǎn)生真空或負(fù)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(jù)鋼管處于真空中狀態(tài)時不至于產(chǎn)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)定性校核鋼管的外壓穩(wěn)定必須滿足兩個要求：(1) 在外壓力作用下鋼管本身不失穩(wěn)；(2) 抗外壓承載能力滿足要求。鋼管承受均布外壓荷載(外水壓力、灌漿壓力等)，其抗外壓穩(wěn)定性可按下式驗算： (3-36)其中：kc抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)，對明鋼管一般取為2.0；p0k徑向均布外壓力標(biāo)準(zhǔn)值；pcr抗外壓穩(wěn)定臨界壓力計算值。鋼管的抗外壓

48、承載能力校核計算按式(3-32)進(jìn)行，計算r時，所有管型的d均應(yīng)按表3-7明鋼管整體膜應(yīng)力取值，鋼管管壁環(huán)向壓應(yīng)力可按下式計算： (3-37)式中：r 鋼管內(nèi)半徑； 鋼管管壁計算厚度。三、光滑管段的臨界外壓力取單位長度的管段考慮，在徑向均布外壓力作用下產(chǎn)生變形，如圖3-27示。當(dāng)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(jīng)過推導(dǎo)，得出臨界壓力pcr為 (3-38)式中 d 鋼管直徑； e 鋼的彈性模量； 鋼的泊松比； 鋼管厚度。圖3-27 管壁在外壓下的屈曲三、加勁鋼管的外壓穩(wěn)定當(dāng)管徑較大時按公式(3-38)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(chǎn)難度，并降低造價(比增加管壁厚度更經(jīng)濟(jì))。(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(shè)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，其變形形態(tài)如圖3-28所示，變形的特點(diǎn)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(guān)。當(dāng)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(dāng)加勁環(huán)的間距較大時，假設(shè)加勁環(huán)的剛度足夠大，