(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(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(dòng)水壓力的沖擊（水錘壓力），且靠近廠房，一旦破壞會(huì)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(duì)其材料、設(shè)計(jì)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.

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(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

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(yīng)錯(cuò)開一定角度，以避免焊縫薄弱點(diǎn)在同一直線上。（3）箍管。當(dāng)HD>1 000m2時(shí)，鋼板厚度一般會(huì)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(yīng)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(jì)合理等因素參照設(shè)計(jì)規(guī)范選定。（二）鋼筋混凝土管鋼筋混凝土管具有造價(jià)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HD<50m2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，

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(shí)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(tái)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(tái)機(jī)組都有一條壓力管道供水，如圖 8-2（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(shí)，只影響一臺(tái)機(jī)組工作，其它機(jī)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(jià)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(tái)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8-2（b）。其特點(diǎn)是單管規(guī)模大， 分岔管多，容易布置，但造價(jià)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(tái)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

7、，如圖8-2（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)組臺(tái)數(shù)多，單機(jī)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(shí)可以不設(shè)的閥門；X 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(gè)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(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

8、故時(shí)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(diǎn)是一旦鋼管破裂時(shí)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(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8-3 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)

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(yīng)盡可能短而直，以降低造價(jià)，減少水頭損失，降低水錘壓力，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(shí)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(duì)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(shí)，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

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(shí)，危機(jī)電站設(shè)備和人身安全，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(shí)，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(tái)、扶手欄桿、越過鋼管的爬梯或管底通道等。對(duì)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(jiān)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(dòng)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(shí)應(yīng)注意施工的便利。進(jìn)水口應(yīng)選擇在相對(duì)

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(yùn)行期的穩(wěn)定和強(qiáng)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(shè)計(jì)內(nèi)容之一。管道的直徑越小，管道的用材和造價(jià)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(gè)技術(shù)問題，還是一個(gè)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(jì)算壓力鋼管經(jīng)濟(jì)直徑的理論公式和經(jīng)驗(yàn)公式很多，但其基本原理和基本 方法都相似。實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于有些因素(如施工工藝和技術(shù)水平等)無法在計(jì)算公式中考慮， 所以按照公式計(jì)算的結(jié)果一般作為參考。通常可以根據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算公式確定 幾種直徑，再分別進(jìn)行造價(jià)和電量計(jì)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(shè)計(jì)階段，也可以用下面的經(jīng)驗(yàn)公式法或經(jīng)濟(jì)流速方法確定 壓力鋼管的直徑。(1)經(jīng)驗(yàn)公式法3D 7 5.2Qmax(8-1)H式中Qmax壓力管道設(shè)計(jì)流量，m3/S；H設(shè)計(jì)水頭（包括水錘壓力）,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)¥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(yīng)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(jì)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(qiáng)構(gòu)件等）可采用下列鋼種：Q235C、D級(jí)碳素結(jié)構(gòu)鋼，Q345 C、D級(jí)及Q390C、D級(jí)低合金結(jié)構(gòu)鋼；20R、 16MnR、15MnNbR、15MnVR 等壓力容器鋼；07MnCrMoVR、07MnNiCrMoVDR 等高 強(qiáng)度壓力容器鋼。明管宜采用容器鋼。如需采用其他鋼種，應(yīng)先研究其性能，確定相 應(yīng)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(jí)鋼；Q345A、B、C級(jí)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(jī)械性能屈服強(qiáng)度（5、抗拉強(qiáng)度例塑性指標(biāo)：斷裂時(shí)的延伸率8斷面收縮率以沖擊韌性ako要求強(qiáng)度高、塑性好（沖擊、低溫、加工）可焊性能好。A3鋼機(jī)械性能適用于壓力管道，但容許應(yīng)力低。當(dāng) HD>600m2, 8 =32mm 40mm ,不易加工。當(dāng)HD較高時(shí)采用16Mn ,其強(qiáng)度高，但塑性差：強(qiáng)度越高，塑性越差。若采用高強(qiáng)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(yīng)力，焊縫和熱影響區(qū)不產(chǎn)生裂紋。3、化學(xué)成份影響鋼材的強(qiáng)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(yīng)力鋼材的容許應(yīng)力一般用屈服強(qiáng)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(yīng)力。表8-2鋼材的允許應(yīng)力應(yīng)力區(qū)域膜應(yīng)力區(qū)局部應(yīng)力區(qū)荷載組合基本特殊基本特殊產(chǎn)生應(yīng)力的內(nèi)力軸力軸力軸力和彎矩軸力軸力和彎矩允許應(yīng)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(qiáng)度高，造價(jià)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(jià)低。(1)縱縫：焊縫交錯(cuò)排列，避開兩個(gè)中心軸(2)相鄰管壁厚度差2mm,內(nèi)部光滑，外部成臺(tái)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(xué)保護(hù)。加防銹厚度2mm。第四節(jié) 敷設(shè)方式及附件、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(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

17、度發(fā)生變化時(shí)，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(gè)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8-4。圖8-4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(jí)一般不低于 C15。 在

18、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 .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(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(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(dòng)支承，允許水管在軸 向自由移動(dòng)(溫度變化時(shí))。按支墩上的支座與管身相對(duì)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(dòng)支墩。鋼管

19、發(fā)生軸向伸縮時(shí)，沿支座頂面滑動(dòng)。滑動(dòng)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(dòng)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(gè)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(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(dòng)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(dòng)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(shí)，輻軸滾動(dòng)，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(dòng)支墩。如圖8-9所示，在支承環(huán)與支承面之間設(shè)置一擺動(dòng)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(shí)，短柱以較為中心前后擺動(dòng)。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(dòng)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(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(shí)用 以切斷水流。平板閘門價(jià)格便宜，構(gòu)造簡單，便于制造，常以此代替閥門。對(duì)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(shí)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)

21、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，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(shí)，為避免一臺(tái)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(shí)緊急切斷水流，防止機(jī)組產(chǎn)生飛逸，在每臺(tái)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(shí)雖是單獨(dú) 供水，但水頭較高、容量較大時(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)，閥體平面與水流方向垂直； 開啟時(shí)，閥體平面與水流方向一致。蝴蝶閥的操作有電動(dòng)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(jià)較低；但 在開啟狀態(tài)時(shí)由于閥門板對(duì)水流的擾動(dòng)，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(shí)，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(dòng)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(shí)，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(shí)實(shí)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(jià)高。適于作高水頭電站的水輪機(jī)前閥門。球閥是在動(dòng)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(shí)， 為了使管身能沿軸線自由伸縮，以消除溫度應(yīng)力，且適

24、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(duì)伸縮界的基本要求是：能隨溫度變化自由伸縮，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8-13。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。(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(dāng)閥門緊急關(guān)閉時(shí)， 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(shí)，管中空氣從通氣閥排出，然后再 關(guān)閉閥門。(3)進(jìn)人孔。

25、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8-14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(shí)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8-14進(jìn)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(jì)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(jì)算公式及作用方向見表8-3,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(jì)規(guī) 范。二、荷載組合鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)承載能力極限狀態(tài)的要求，對(duì)不同設(shè)計(jì)狀況下可能同時(shí)出現(xiàn)的作用，進(jìn)行相應(yīng)的作用效應(yīng)組合，對(duì)明鋼管要求的組合見表8-4。表8-3明鋼管荷載計(jì)算公式序 號(hào)作用力 方向作用力名稱計(jì)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(shí)伸縮節(jié)止水填料的摩擦力AADbP pP順逆逆順VV3.8溫變時(shí)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?biāo)鞣较蚝湍嫠鞣较?，序?hào) 3.2作用力及順?biāo)魈Ц叩墓芏?的其他作用力指向應(yīng)具體判斷。表8-3中各計(jì)算式種符號(hào)的含義為：P 內(nèi)水壓力設(shè)計(jì)值；w-水的重度；H 計(jì)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(shè)計(jì)值；qw 一單位管長管內(nèi)水重設(shè)計(jì)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(jī)組滿負(fù)荷時(shí)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(hào)何載基本荷載組合特殊荷載組合正常運(yùn)行放空特殊 運(yùn)行水壓 試驗(yàn)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(yàn)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(jì)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(jìn)行鋼管設(shè)計(jì)時(shí)，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

30、條件可以得出管壁中的環(huán)向拉應(yīng)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(qiáng)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。考慮鋼管運(yùn)行期間的銹蝕、磨損及鋼板厚度誤差，管壁厚度至少比計(jì)算值加2mm。另外，在實(shí)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Bmin。Bmin般取為D/800+4（mm）,且不宜小于 6 mm。、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

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(shí)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。可以利用疊加原理對(duì)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(jì)算；徑向力作用只會(huì)引 起鋼管的環(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(gè)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(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

32、 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0 ,如圖8-16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(jì)算。圖8-15明鋼管應(yīng)力分析的幾個(gè)斷面圖8-16管壁應(yīng)力計(jì)算坐標(biāo)系1 .徑向應(yīng)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(yīng)力等于該處的水壓強(qiáng)，即H , “-”表示壓應(yīng)力。管壁外表面的 0。由于徑向應(yīng)力的數(shù)值比較小,所以應(yīng)力計(jì)算中可以忽略。2 .切向（環(huán)向）應(yīng)力設(shè)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(diǎn)(該點(diǎn)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(dǎo)出管壁中的切向拉力T和切向應(yīng)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(qiáng);B 管壁計(jì)算厚度;H計(jì)算水頭；a 管軸線傾角；e 管壁中任意一點(diǎn)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(yīng)力 x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x1和軸向作用力引起的軸向應(yīng)力 x2。(1)法向力作用引起的管壁軸向應(yīng)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(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 間輻軸支座，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8-19,其他情況用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法求出,或查規(guī)范計(jì)算。這樣管壁橫斷面上任意一點(diǎn)的軸向應(yīng)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(yīng)力為X2,管壁的斷面積為F,則:x2(8-8)“-”表示壓應(yīng)力。一般情況下,12A為壓力，即x2為壓應(yīng)力，D為管道直徑。4.剪應(yīng)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(yīng)力(二卜支承環(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(duì)管壁的約束作用。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(duì)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(jì)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(jì)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(jì)算點(diǎn)以上管壁環(huán)形截面積對(duì)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(dāng)0=0° (管道頂部)和0=180° (管道底部)時(shí)，x =0；當(dāng)0=90。(管道側(cè)面中點(diǎn)) 時(shí)，x2V/F ,達(dá)到最大值。x的分布如圖8-20,該圖為以上各口 ,x應(yīng)力的綜合圖。斷面(2)-(2)的其他正應(yīng)力(T r、° e和°x

37、均與斷面(1)-相等，但符號(hào)不盡相同。(三)加勁環(huán)及其旁管壁，斷面 (3)-(3)的管壁應(yīng)力圖8- 20支承環(huán)旁管壁應(yīng)力分布和方向1.軸向應(yīng)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(yīng)力，變形狀態(tài)如圖 8-21(a)所示。加勁環(huán)對(duì)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(duì)于l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(jì)算時(shí)， 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(duì)稱特性

38、，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821(b)所示。設(shè)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(yīng)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(gè)變位等于 &。根據(jù)變形連續(xù)條件， 321,同時(shí)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(dǎo)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(yīng)力x33Pr3(12)，x3為Pr(8-19)取尸0.3,則(8-20)Pr x3 1.816 1 ,當(dāng)F'很大時(shí),式中的正號(hào)代表管壁內(nèi)緣受拉，負(fù)號(hào)代表管壁外緣受壓。由于031,而沒有加勁環(huán)時(shí)，F(xiàn)'=aB, 32 .剪應(yīng)力xr上述分布剪力V在加勁環(huán)旁管壁內(nèi)產(chǎn)生剪應(yīng)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(jì)算。一般 xr的值較小，且管壁總應(yīng)力的控制點(diǎn)在管壁內(nèi)外緣，故xr可忽略不計(jì)。Pa外，還承受外側(cè)徑向剪力2V,如圖(8-21)3 .切向應(yīng)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?yīng)力為r2 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(yīng)力 x由管重和水重法向分力在管壁中引起的剪應(yīng)力x用式(89)計(jì)算，而由剪應(yīng)力互等定理可知(8-25)圖8 - 22加

42、勁環(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(7x1、(7x2和剪應(yīng) 力x的計(jì)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8-22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(gè)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(jì)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8-23所示。圖中點(diǎn)

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(diǎn)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(jì)算支承環(huán)的內(nèi)力計(jì)算常采用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的彈性中心方法進(jìn)行。因?yàn)殇摴軘嗝媸且粋€(gè)對(duì)稱圓環(huán)，是一個(gè)三次超靜定結(jié)構(gòu)，可用彈性中心法計(jì)算支承環(huán)上各點(diǎn)的內(nèi)力。當(dāng)采用側(cè)支承時(shí)，設(shè)支承反力離支承環(huán)重心軸距離為bo根據(jù)分析，在設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)，一般£ =30°90°較經(jīng)濟(jì)。符號(hào)£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(jì)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(yīng)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(duì)較小，可以不計(jì)。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(yīng)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(jìn)行支承環(huán)截面的內(nèi)力計(jì)算，實(shí)際上是要計(jì)算一個(gè)封閉圓環(huán)各斷面上的彎矩Mr、剪力Tr和軸力Nr。其計(jì)算簡圖如圖8 24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

45、；由于圓環(huán)是對(duì)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(diǎn)的靜定力矩，以順時(shí)針方向?yàn)檎粂圓弧的縱坐標(biāo)；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(dǎo)出的內(nèi)力 Mr、Tr和Nr在一些特殊點(diǎn)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(diǎn)的位置 b有關(guān)。當(dāng)b=0.04R時(shí)，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(jì)算簡圖圖8-25b=0.04 R時(shí)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(jì)算。下支承環(huán)支點(diǎn)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(jì)算內(nèi)力，計(jì)算簡圖如圖計(jì)算公式可查水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范DL/T 5141-2001。不論是側(cè)支承或是下支計(jì)算出支承反力產(chǎn)生的彎矩承，當(dāng)需要考慮地震時(shí)尚需計(jì)算橫向地震力作用下產(chǎn)生的內(nèi)力，計(jì)算公式見上述規(guī)范。表8-5支承環(huán)內(nèi)力計(jì)算公式內(nèi)力象限任一段面的內(nèi)力0 , /2,時(shí)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(yīng)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(yīng)力分布和方向示意圖M R支承環(huán)橫截面上的彎矩；Zr計(jì)算點(diǎn)與重心軸的距離；Jr 支承環(huán)有效截面對(duì)重心軸的慣性矩；Wr支承環(huán)有效截面對(duì)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(jì)算點(diǎn)以外部分對(duì)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8-26所示。四個(gè)斷

49、面的應(yīng)力計(jì)算公式匯總在表 8-6中。表8-6明鋼管應(yīng)力計(jì)算公式匯總表斷應(yīng)力計(jì)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(qiáng)度驗(yàn)算鋼管為三維受力狀態(tài)，計(jì)算出各個(gè)應(yīng)力分量后，應(yīng)按強(qiáng)度理論進(jìn)行驗(yàn)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(jì)算，直到滿足要求。按照第四強(qiáng)度理論(畸變能理論)，各應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)的等效應(yīng)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(jī)組運(yùn)行過程中由于負(fù)荷變化產(chǎn)生負(fù)水錘，而使管道內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，或者管道放空 時(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)，其抗外壓穩(wěn)定性可按下式驗(yàn)算：KcPok PCr(8-35)其中：Kc一抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)，對(duì)明鋼管一般取為2.0;P0k 一徑向均布外壓力標(biāo)準(zhǔn)值；Pcr一抗外壓穩(wěn)定臨界壓力計(jì)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(dāng)外壓力 P增加到臨界壓力 Pcr時(shí)，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(dāng)管徑

52、較大時(shí)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(jià)（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(jì)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(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(shí)，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(shí)，假設(shè)加勁環(huán)的剛度足夠大，不會(huì)失穩(wěn)，則兩個(gè) 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