(情緒管理方法)第三章壓力管道總論及明鋼管

1、(26智卓選智I2020年5月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(diào)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(nèi)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(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建工程的隧洞內(nèi)明鋼管，直徑為13.

2、26m。HD值最高的常見于抽水蓄能電站，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(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，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(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)， 預應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。由于鋼材強度高，防滲性能好，故鋼管或鋼襯混

3、凝土襯砌管道主要用于中、高水頭電站；而鋼筋混凝土管適用于中小型電站。（一）鋼管圖8-1焊縫布置圖鋼管按其自身的結(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HD>1 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

4、鋼材應根據(jù)鋼管結(jié)構(gòu)型式、鋼管規(guī)模、使用溫度、鋼材性能、制作 安裝工藝要求以及經(jīng)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(jīng)久耐用等優(yōu)點，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，還有預應力和自應力鋼筋混凝土管、鋼絲 網(wǎng)水泥管和預應力鋼絲網(wǎng)水泥管等。普通鋼筋混凝土管適用于HD<50m2的情況，預應力和自應力鋼筋混凝土管的 HD可達到200m2,而預應力鋼絲網(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，

5、適用于 HD較高的情況。由于鋼襯可以 防滲，外包的鋼筋混凝土允許開裂，有利于充分發(fā)揮鋼筋的作用。除了表8-1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 卜土壩下埋管、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）。即每臺機組都有一條壓力管道供水，如圖 8-2（a）,不設下 閥門。其特點是：結(jié)構(gòu)簡單（無岔管），工作可靠，靈活性好，當某根管道檢修或發(fā)生事 故時，只影響一臺機組工作，其它機組照常工作

6、。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寸大，造價高。適用于單機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）。即一根主管向多臺機組供水，在廠房前分岔，在進入機 組前的每根支管上設快速閥門，如圖8-2（b）。其特點是單管規(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。適用于單機流量小、 機組少、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）。即設多根主管，每根主管向數(shù)臺機組供水，在進入機組 前的每根支管上設快速閥門

7、，如圖8-2（c）。其特點介于上面兩種供水方式之間。適用于壓力水管較長，機組臺數(shù)多，單機流量較小的地下埋管和明管。圖8-2壓力水管的供水方式（c）分組供水（a）單元供水（b）聯(lián)合供水76o一有時可以不設的閥門；X 必須設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 8-3(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

8、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 8-3(c)和(d),管道的軸線與電站廠房的縱軸線平行。其工作特 點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 8-3(e),其管道的軸線與電站廠房的縱軸線斜交。其工作特點 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8-3 壓力水管引近廠房的方式(a)、(b)正向引進(c)、(d)縱向引進 (e)斜向引進三、線路選擇壓力管道的線路選擇應結(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)

9、條件優(yōu)越的地段。明鋼管線路選擇的一般原則為：(1)管道路線應盡可能短而直，以降低造價，減少水頭損失，降低水錘壓力，改善 機組運行條件。因此，地面壓力管道一般敷設在陡峻的山脊上。(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，要滿足鋼管運輸安裝和運行管理、維

10、修等交通要求。此外，為了避免鋼管一旦發(fā)生意外事故時，危機電站設備和人身安全，需要設置事故排水和和防沖工程設施。與水渠、道路、輸電線、通信線路等交叉時，要設置必 要的交叉建筑物和防護設施。沿管線一般要設置交通道路，并有照明設施。根據(jù)工程具體情況，可在交通道路 沿線設置休息平臺、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)，同時應注意施工的便利。進水口應選擇在相對

11、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行期的穩(wěn)定和強度要求。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)濟問題，應通過技術(shù)經(jīng)濟比較確定。目前國內(nèi)外計算壓力鋼管經(jīng)濟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，再分別進行造價和電量計算，

12、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計階段，也可以用下面的經(jīng)驗公式法或經(jīng)濟流速方法確定 壓力鋼管的直徑。(1)經(jīng)驗公式法3D 7 5.2Qmax(8-1)H式中Qmax壓力管道設計流量，m3/S；H設計水頭（包括水錘壓力）,m。（2）經(jīng)濟流速法壓力管道的經(jīng)濟流速一般為46m/s,最大不超過7m/s。選定經(jīng)¥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：(8-2)D 1.13 Q Ve第三節(jié)明鋼管的鋼管的材料和管身構(gòu)造一、鋼管的材料鋼管所用鋼材應根據(jù)鋼管結(jié)構(gòu)型式、鋼管規(guī)模、使用溫度、鋼材性能、制作安裝 工藝要求以及經(jīng)濟合理等因素選定。鋼管主要受力構(gòu)件

13、（包括管壁、支承環(huán)、岔管加強構(gòu)件等）可采用下列鋼種：Q235C、D級碳素結(jié)構(gòu)鋼，Q345 C、D級及Q390C、D級低合金結(jié)構(gòu)鋼；20R、 16MnR、15MnNbR、15MnVR 等壓力容器鋼；07MnCrMoVR、07MnNiCrMoVDR 等高 強度壓力容器鋼。明管宜采用容器鋼。如需采用其他鋼種，應先研究其性能，確定相 應的焊接方式熱處理工藝等。明管支座輻輪可采用下列鋼種：Q235A、B、C級鋼；Q345A、B、C級鋼；30、35、40、45 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼； ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570 等鑄件。 支座支承板可采用與管材、支承環(huán)相同的材料。支座墊板可采用上

14、列鋼板或鑄件。 二、鋼材的性能要求1、機械性能屈服強度（5、抗拉強度例塑性指標：斷裂時的延伸率8斷面收縮率以沖擊韌性ako要求強度高、塑性好（沖擊、低溫、加工）可焊性能好。A3鋼機械性能適用于壓力管道，但容許應力低。當 HD>600m2, 8 =32mm 40mm ,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、加工性能輻軋、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(chǎn)生裂紋。3、化學成份影響鋼材的強度、£、焊接性能，含碳不要過高(脆),含硫量和含硅量也不能高。三、容

15、許應力鋼材的容許應力一般用屈服強度除以安全系數(shù)得到，即q= os/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(chǎn)生應力的內(nèi)力軸力軸力軸力和彎矩軸力軸力和彎矩允許應力明鋼管0.55 d s0.7 <rs0.67 b s0.85 d s0.8 b s1.0 crs地下埋管0.67 d s0.9 <rs壩內(nèi)埋管0.67 b s0.8 <rs0.9 <rs按明管校核情況四、管身構(gòu)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(nèi)：DW60cm；國外：Dwi20cm。適用高水

16、頭小流量電站。2、焊接管：鋼板按要求的曲率輻成弧形，焊接成管段。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(nèi)部光滑，外部成臺階狀。3、箍管：鋼管外加鋼箍。4、鋼管的結(jié)構(gòu)要求：鋼管最小厚度：8 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、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120750m或在鋼管軸線轉(zhuǎn)彎處（包括平面轉(zhuǎn)彎和立面轉(zhuǎn)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

17、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)濟比較確定。靠近伸縮節(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(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， 混凝土強度等級一般不低于 C15。 在

18、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：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(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(chǔ)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

19、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 B在90°120°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(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輻軸，鋼管發(fā)生軸向伸縮時，輻軸滾動，摩擦系數(shù)約為

20、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柱。短柱下端與支承板較接，上端以圓弧面與支承環(huán)的承板接觸。鋼管沿軸向伸縮時，短柱以較為中心前后擺動。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(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 鋼管進口處一般也要設

21、置閘門，閘門裝在壓力前池或調(diào)壓室內(nèi)。閥門一般設置在緊靠壓力管道末端，即水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(diào)速器、導水葉 發(fā)生故障時緊急切斷水流，防止機組產(chǎn)生飛逸，在每臺機組前都應設置閥門，通常稱 為下閥門。壩內(nèi)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(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。這種閥門止水嚴密，運行 可靠，但需要很大的啟閉力，動作緩慢，易

22、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(guān)閉，但必須用旁通管平壓后在靜水中開啟

23、。(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 8-12所 示。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)點是在開啟狀態(tài)時實際上沒有水頭損失，止水嚴密，結(jié)構(gòu)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(guān)閉，但需要用旁通閥平壓后在靜水中開啟。禮一圖8-10平板閥門圖8-11蝴蝶閥圖8-12 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，以消除溫度應力，且適

24、應少量的不均勻沉陷，常在上鎮(zhèn)墩的下游側(cè)設 置伸縮節(jié)。對伸縮界的基本要求是：能隨溫度變化自由伸縮，能適應鎮(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8-13。在閥門處的伸縮節(jié)應便于閥門拆卸，并允許產(chǎn)生微小的角位移。(b)(c)，止，填故若悻1T 1； 內(nèi)套波技*. ；(d)圖9 13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(guān)閉時， 水管中的負壓使通氣閥打開向管內(nèi)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(guān)閉閥門。(3)進人孔。

25、為了檢修方便，在鋼管鎮(zhèn)墩的上游側(cè)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， 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(jié)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、荷載計算按荷載的作用方向可以

26、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、地震荷載等需查閱水工建筑物荷載設計規(guī) 范。二、荷載組合鋼管結(jié)構(gòu)設計應根據(jù)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(nèi)水壓力強度PP HVV2.1垂直管軸鋼管自重的分力QsQsqs L cosVVV2.2管內(nèi)水重的分力QwQw qwL cosVVV3.1平行管軸鋼管自重的分力A1AqsL sin順順VV3.2關(guān)閉的閥門及悶頭上的

27、力A2A2D：P/4順或逆順或逆VV3.3漸縮管上的內(nèi)水壓力A22A3(Dmax Dmin)P/4順順VV3.4伸縮節(jié)端部的內(nèi)水壓力A4A(D； D2)P/4順逆VV3.5彎管上內(nèi)水壓力的分力 AA5D2P/4順逆VV3.6彎管上水流離心力的分力A6- 22 .A D 0 wvo / 4g順逆VV3.7溫 度 作 用溫變時伸縮節(jié)止水填料的摩擦力AADbP pP順逆逆順VV3.8溫變時支座墊板與鋼管 間或支座上下墊板間的 摩擦力AA81(qs qw)L cos順逆逆順VVA82(qs qw)L cos逆順順逆V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

28、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(nèi)水壓力設計值；w-水的重度；H 計算截面管軸處內(nèi)水壓力作用水頭（包括靜水壓力和水錘壓力）；qs一單位管長鋼管自重設計值；qw 一單位管長管內(nèi)水重設計值；L 一支墩間距；“一管軸與水平面夾角；Do 鋼管內(nèi)徑；Dmax和Dmin 一漸縮管的最大內(nèi)徑和最小內(nèi)徑；Di和D2 伸縮節(jié)內(nèi)套管的外徑和內(nèi)徑；vo 一機組滿負荷時鋼管內(nèi)水流流速；g 重力加速度；bp 一伸縮節(jié)止水填料長度；即一伸縮節(jié)止水填料與鋼管間的摩擦系數(shù)；科一支座墊板

29、與鋼管間或支座上下墊板間的摩擦系數(shù)。序 號何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(nèi) 水 壓 力正常蓄水位的靜水壓力VV正常工況最高壓力V特殊工況最高壓力V水壓試驗內(nèi)水壓力V2鋼管結(jié)構(gòu)自重VVVVVVV3鋼管內(nèi)的滿水重VVVVV4鋼管充水、放水過程中，管內(nèi) 部分水重V5溫度變化引起的力VVVVV表8- 4明鋼管荷載組合與計算情況第六節(jié) 明鋼管的結(jié)構(gòu)分析、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(nèi)水壓力在管壁上產(chǎn)生的環(huán)向應力是其主要應力，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

30、條件可以得出管壁中的環(huán)向拉應力:PD 2 HD 2(8-3)以鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力限值R代替6 ,整理得：PD HD2 R 2 R,并考慮焊縫的強度降低，引入焊縫系數(shù)(8-4)上面二式中： P 內(nèi)水壓力；D鋼管直徑；8 管壁厚度；丫 一一水的比重；H鋼管內(nèi)的水頭。根據(jù)規(guī)范要求，焊縫系數(shù) 巾一般取為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Bmin。Bmin般取為D/800+4（mm）,且不宜小于 6 mm。、管身的應力分析前面已經(jīng)指出，明鋼管敷設在一系列

31、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(gòu)件計算；徑向力作用只會引 起鋼管的環(huán)向變形。根據(jù)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）斷面是加勁環(huán)及其旁管壁，由于加勁環(huán)的約束，存在局部

32、 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0 ,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 r水管的內(nèi)表面承受內(nèi)水壓力，所以內(nèi)表面的徑向應力等于該處的水壓強，即H , “-”表示壓應力。管壁外表面的 0。由于徑向應力的數(shù)值比較小,所以應力計算中可以忽略。2 .切向（環(huán)向）應力設壓

33、力水管中心處的水頭為H,而水管軸線與水平面的夾角為意一點(該點半徑與管頂半徑的夾角為e ,見圖8-17)的水頭為Ha ,則在管壁中任r cos cos 。在管壁中取出一段微圓弧 d ，其圓周長為rd 。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 1為:T r(H rcos cos )T r 口1 - H rcos cos1P “ r、r(1 cos cos )H(8-5)(8-6)式中 P內(nèi)水壓強;B 管壁計算厚度;H計算水頭；a 管軸線傾角；e 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(nèi)水壓力的分布圖8-18管壁微圓弧的

34、受力平衡3 .軸向應力 x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x1和軸向作用力引起的軸向應力 x2。(1)法向力作用引起的管壁軸向應力X1。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 間輻軸支座，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(jié)構(gòu)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MMxi cos cos(8-7)Wr式中M水重和管

35、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)， W r2 。x2。在軸向力合力12A作用下，管壁中產(chǎn)生的軸向應力為X2,管壁的斷面積為F,則:x2(8-8)“-”表示壓應力。一般情況下,12A為壓力，即x2為壓應力，D為管道直徑。4.剪應力 x由于跨中斷面的剪力為0,所以該斷面的x =0。(2)軸向力引起的軸向應力(二卜支承環(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

36、，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：VSRV sinbJ r(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計算點以上管壁環(huán)形截面積對重心軸的靜矩，SR2 r2sin ；b受剪截面寬度，b 2 ；J截面慣性矩，J D3 /8r3。當0=0° (管道頂部)和0=180° (管道底部)時，x =0；當0=90。(管道側(cè)面中點) 時，x2V/F ,達到最大值。x的分布如圖8-20,該圖為以上各口 ,x應力的綜合圖。斷面(2)-(2)的其他正應力(T r、° e和°x

37、均與斷面(1)-相等，但符號不盡相同。(三)加勁環(huán)及其旁管壁，斷面 (3)-(3)的管壁應力圖8- 20支承環(huán)旁管壁應力分布和方向1.軸向應力(7x3。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(cè)為 l。l又43(10.78 . r(8-10)稱等效翼緣寬度。由彈性理論分析可得式中W 鋼材的泊松比。對于l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(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

38、，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(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821(b)所示。設在內(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Ai;加勁環(huán)影響范圍以外的管壁向外徑向變位為投;如果沒有M和V的作用，全部管壁都將有相同的變位 &；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Ai。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 &。根據(jù)變形連續(xù)條件， 321,同時管壁在 M和V作用下沒有角變位(轉(zhuǎn)角)。(1)求 生。在加勁環(huán)影響范圍以外的管

39、壁變位A2,是由均勻內(nèi)水壓力產(chǎn)生的。A2為半徑的增加。根據(jù)虎克定律可得(b)圖821加勁環(huán)及其旁管壁變形示意圖管壁局部變形；(b)切口處均布的徑向彎矩和剪力(a)_ 2PD DPr2(8-11)2 E 2 E式中E鋼材彈性模量。(2)(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。求用類似的方法可以推導出:2r1 Pa 2V F E(8-13)(8-14)求加。根據(jù)彈性理論， M與V之間存在關(guān)系如下:M V2k在M與V的共同作用下，該處管壁的徑向變位減小A33V (12)3 k3E 3式中k等效翼緣寬度的倒數(shù)，即:根據(jù)連續(xù)條件,3V(1k再將k23(1代入式（813）

40、得32)E2Pr2E二）代入上式,0.78 . r1,將式（811）、（812）、（814）代入,得Pa2V(8-15)化簡后得(8-16)(8-17)P2k2(8-18)a2"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力x33Pr3(12)，x3為Pr(8-19)取尸0.3,則(8-20)Pr x3 1.816 1 ,當F'很大時,式中的正號代表管壁內(nèi)緣受拉，負號代表管壁外緣受壓。由于031,而沒有加勁環(huán)時，F(xiàn)'=aB, 32 .剪應力xr上述分布剪力V在加勁環(huán)旁管壁內(nèi)產(chǎn)生剪應力xr , xr的作用方向指向管中心,其值用公式

41、xr1.5 P/k （管壁中面）或xr0（管壁內(nèi)、外緣）計算。一般 xr的值較小，且管壁總應力的控制點在管壁內(nèi)外緣，故xr可忽略不計。Pa外，還承受外側(cè)徑向剪力2V,如圖(8-21)3 .切向應力（7。2加勁環(huán)凈截面除承受徑向的均勻內(nèi)水壓力8-21（a）?？偳邢蚶瓚閞2 p（Pa 2V）(8-22)將式(816)代入上式得2 J (PaPPr2) (a 2l )kFa)根據(jù)式(818)可得(8-23)(8-24)F01將上式代入式(822),即可得Pr2 PL (1)4.剪應力 x由管重和水重法向分力在管壁中引起的剪應力x用式(89)計算，而由剪應力互等定理可知(8-25)圖8 - 22加

42、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(7x1、(7x2和剪應 力x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(nèi)產(chǎn)生附加應力。隨著支承方式和結(jié)構(gòu)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(cè)支承和下支承兩種形式，如圖8-23所示。圖中點

43、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Q . 2 cos 。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(jié)構(gòu)，可用彈性中心法計算支承環(huán)上各點的內(nèi)力。當采用側(cè)支承時，設支承反力離支承環(huán)重心軸距離為bo根據(jù)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£ =30°90°較經(jīng)濟。符號£的意義見圖8 23(b)。圖823支承環(huán)支承方式(a)側(cè)支承；(b)下支

44、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(表現(xiàn)為支承環(huán)兩側(cè)管壁上的剪應力x ),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0.5Qcos 。管重和水重在支承環(huán)兩側(cè)管壁上產(chǎn)生的剪應力均為x Q sin cos ,因此沿管2 r壁圓周單位長度上作用在支承環(huán)上的剪力為Q .Sx2 x 1 sin cos(8-26)r要進行支承環(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8 24所示。利用結(jié)構(gòu)力學中的彈性中心法， 將圓環(huán)頂部切開加上內(nèi)力 Tg和Mg

45、；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Mo,推力為To。由彈性中心法可以求得MsdsM 0 (8-27)dsMs ydsTo 2一(8-28)y ds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 Mo及To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。導出的內(nèi)力 Mr、Tr和Nr在一些特殊點處的方f算公式列于表8 3。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、Sx以外，還與支點的位置 b有關(guān)。當b=0.04R時，支承環(huán)各斷面的內(nèi)力分布情況如圖8-2

46、5所示。圖8-24支承環(huán)計算簡圖圖8-25b=0.04 R時支承環(huán)內(nèi)力圖圖中彎矩畫在受拉一邊，正的Mo表示支承環(huán)外側(cè)受拉，正的Nr表示拉力，正的Tr方向如J T。(2)下支承式支承環(huán)的內(nèi)力計算。下支承環(huán)支點位置用£角度來確定，如圖 8-824(b)。支承環(huán)任意斷面內(nèi)力23(b)所示。仍用彈性中心法計算內(nèi)力，計算簡圖如圖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(cè)支承或是下支計算出支承反力產(chǎn)生的彎矩承，當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8-5支承環(huán)內(nèi)力計算公式內(nèi)力象限任一段面的內(nèi)力0 , /2,時的截面內(nèi)力彎 矢巨Mr

47、I或IIQR2b3M r sin(_)cos2R22(1 b)0MrQR0.07 0.43b2R12-Qb - QbMr, Mr44IV 或 IIIQR2b 3M r ()sin ( )cos2R2b 2(1 R)Mr 算。07 Q43b軸 力nrI或IIzQr b3Nr- -cos-sinR420NrQ(r-b 0.75)R/2一Q 一QNR:'NR744IV 或 IIIzQ r b 3NrcossinR 42Nr Q(r b 0.75)R男 力TRI或II丁Q r b 5 .TrsincosR 420Tr0/2Q r bTr(-R- 1.25)Tr0IV 或 III丁Q r b 5

48、 .TrsincosR 42Mr、軸力Nr和剪力Tr后，它們所產(chǎn)生的應力分別為(見圖 8-25):(8-29)(8-30)(8-31)NrFMrZrMrTR S RJ Ra（支承環(huán)腹板）JRWR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M R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

49、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應力計算公式面(1)-(1)(2)-(2)-(3)(4)-(4)11P r、1 r(1 cos cos ) H縱22Pr2 (1)斷3Nr3 F面4MrZrMrJ RWRrTc Sc 一 一T-S (支承環(huán)腹板)J r3xxxxxx1x1x1x11xi2 ( M cos M eSin )r橫斷面x2x2x2x2_Ax2Dx3x3Prx31.816 (管壁內(nèi)緣+,外緣-)xxxV sin Ve cosx r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(diào)整管壁厚度或支墩間距

50、，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222222、x rxx r r 3( xr x r )(8-33)或簡化為213T(8-34)要求：b<) 4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。機組運行過程中由于負荷變化產(chǎn)生負水錘，而使管道內(nèi)產(chǎn)生負壓，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

51、、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：KcPok PCr(8-35)其中：Kc一抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)，對明鋼管一般取為2.0;P0k 一徑向均布外壓力標準值；Pcr一抗外壓穩(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(chǎn)生變形，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(jīng)過推導，得出臨界壓力Pcr為32EPcr 2-(8-36)(12)D式中 D圓環(huán)直徑；E 鋼的彈性模量;W鋼的泊松比;B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

52、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(chǎn)難度，并降低造價（比增加管壁厚度更經(jīng)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(guān)。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)E E 32 1 2n2 11n2)n 1 直r(n 1) 11221/4 rrr