第七節(jié) 分岔管

第七節(jié)分岔管一、分岔管壓力管道的分岔方式有Y形［圖8-22（a）］和y形［圖8-22（b）］。二者對(duì)水流的分配均勻，缺點(diǎn)是機(jī)組數(shù)較多時(shí)分岔段較長；后者的分岔管是一種由薄殼和剛度較大的加強(qiáng)梁組成的復(fù)雜的空間組合結(jié)構(gòu)，受力狀態(tài)比較復(fù)雜，在計(jì)算力學(xué)和計(jì)算機(jī)這種計(jì)算工具應(yīng)用于工程之前，對(duì)這種結(jié)構(gòu)只能簡化成平面問題進(jìn)行近似計(jì)算。岔管的加強(qiáng)梁有時(shí)需要鍛造，卷板和焊接后需作調(diào)整殘余應(yīng)力處理，因而制造工藝比較復(fù)雜。圖13-22管道分岔方式岔管的另一特點(diǎn)是水頭損失較大，在整個(gè)引水系統(tǒng)的水頭損失重在重要地位。例如我國某水電站，引水隧洞長1200m，根據(jù)模型試驗(yàn)，僅一處岔管的局部水頭損失即超過引水隧洞和進(jìn)水口水頭損失的總和。因此，如何降低水頭損失是岔管設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問題。較好的岔管體型應(yīng)具有較小的水頭損失、較好的應(yīng)力狀態(tài)和較易于制造。從水力學(xué)的角度看，岔管的體型設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）使水流通過岔管各斷面的平均流速相等，或使水流處于緩慢的加速狀態(tài)。（2） 采用較小的分岔角a,如圖13-23所示。但從結(jié)構(gòu)上考慮，分岔角不宜太小，太小會(huì)增加分岔段的長度，需要較大尺寸的加強(qiáng)梁，并會(huì)給制造帶來困難。水電站岔管的分岔角一般在30°-75°范圍內(nèi)，最常采用的范圍是45°-60°。（3） 分棄管采用錐管過渡，避免用柱管直接連接。半錐和一般用5°-10°。（4） 采用較小的岔檔角夕。岔檔有分流的作用，較小的岔檔角有利于分流。（5） 支管上游側(cè)采用較小的順流轉(zhuǎn)角Y以上各點(diǎn)有時(shí)難于同時(shí)滿足，例如，增加支管錐角有助于減小Y,但又不可避免地會(huì)加大0，但前者對(duì)水流的影響較大。岔管的水力要求和結(jié)構(gòu)要求也存在矛盾，例如，較小的分岔角對(duì)水流有利，但對(duì)結(jié)構(gòu)不利，因?yàn)榉植斫窃叫?，管壁互相切割的破口越大，加?qiáng)梁的尺寸也就越大，而且過小的夾角會(huì)使岔檔部位的焊接困難，又例如，支管用錐管過渡對(duì)水流有明顯的好處，但不可避免地會(huì)使主支間的破口加大；等等。這就要求在設(shè)計(jì)岔管體型時(shí)應(yīng)最大限度地滿足各方面的要求，分清主次，抓住主要矛盾。一般說來，對(duì)于水頭較低的電站，岔管的內(nèi)壓較小，而岔管的水頭損失占總水頭的比重較大，此時(shí)多考慮一些水力方面的要求是正確的；反之，對(duì)于高水頭的電站，多考慮一些結(jié)構(gòu)方面的要求是合理的。在以后的討論中我們將會(huì)知道，在分岔區(qū)，由于管壁的相互切割，在內(nèi)水壓力的作用下，存在較大的不平衡力，需要另設(shè)加強(qiáng)構(gòu)件承擔(dān)。加強(qiáng)構(gòu)件一般沿管壁的相貫線（管壁交線）布置。在工程中，為了便于加固，希望相貫線是平面曲線。相貫線是平面曲線的必要和充分條件是兩個(gè)錐管有一個(gè)公切球（平面圖像是公切圓），如圖13-24所示。在平面圖上，公切圓O與錐管I相切于a、a,與錐管II相切于b,b,連接aa和bb,得交點(diǎn)D,AD和BD即為相貫線的平面圖像。在垂直紙面的沿AD和BD方向的兩個(gè)平面上，相貫線是兩個(gè)橢圓曲線。若主支管的直徑相差較大，兩者公切于一個(gè)球有困難，則岔管的體型也可以不按這一要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，此時(shí)相貫線是一個(gè)曲面上的封閉曲線，常用一個(gè)曲面圈梁加固。圖13-24兩個(gè)錐管平面的公切圓二、岔管的荷載和受力特點(diǎn)在壓力管道的分岔處，管壁因互相切割而不再是一個(gè)完整的圓形，在內(nèi)水壓力作用下，原被切割等的管壁所承擔(dān)的環(huán)拉力T便無法平衡，需另設(shè)加強(qiáng)構(gòu)件來承擔(dān)這個(gè)不平衡力，如圖13-25（b）所示。此外，在有些情況下管壁還存在軸向力，此軸向力在相貫處也不能平衡，需由加強(qiáng)構(gòu)件承擔(dān)。圖13-25岔管的受力情況1.管壁環(huán)向拉力引起的荷載如圖13-25(b)如圖13-25(b)所示，在內(nèi)壓p作用下，沿錐管軸線單位長度管壁的環(huán)拉力式中一錐管的半錐頂角;-計(jì)算點(diǎn)處的錐管半徑。T沿LM方向單位長度的垂直分量為竹=5沖鄧口=鑒于(竹=5沖鄧口=鑒于(14—38J圖13-25中的分力丹‘分解為作用在相貫線平面內(nèi)沿豎軸y表示的水平分量式中a-支管軸線與主管軸線所夾之銳角;其中R為主管半徑。其中R為主管半徑。y-相貫線垂直坐標(biāo)，見圖13-25(c)；a、b-相貫線的半長軸和半短軸，其值為上述和 是一側(cè)支管作用于相貫線LM上的荷載，對(duì)Y形分岔，乘以2得總荷載；對(duì)于不對(duì)稱的y形分岔，則應(yīng)分別以兩支管的參數(shù)代入式(13-38)和(13-39)求出相應(yīng)的荷載。 和 沿u、y軸的分布如圖13-25(c)。2.管壁軸向力引起的荷載管壁的軸向力有以下幾種情況：有悶頭、有錐管、有伸縮節(jié)及埋管等。對(duì)支管有悶頭情況(如水壓試驗(yàn)等)，單位周長管壁沿母線方向的軸力對(duì)于埋管管壁的軸向力有以下幾種情況：有悶頭、有錐管、有伸縮節(jié)及埋管等。對(duì)支管有悶頭情況(如水壓試驗(yàn)等)，單位周長管壁沿母線方向的軸力對(duì)于埋管式中-鋼材的泊松比;-鋼材的線膨脹系數(shù);S-鋼材的彈性模量;加-溫差。

軸向力 在相貫線上的垂直分量和水平分量cos&cosa.(u-b-)sinasin軸向力 在相貫線上的垂直分量和水平分量cos&cosa.(u-b-)sinasin&04—43)式中-相貫線橢圓曲線E2卅=1上計(jì)算點(diǎn)的橫坐標(biāo)值;V-asin(a+6')其他符號(hào)同前。 和 亦為一個(gè)支管引起的荷載，方向示于圖13-25（c）中。以上為相貫線LM上的荷載。相貫線CD和上的荷載求法類似。三、幾種常用的岔管根據(jù)岔管的體型和加固方式，水電站常用的岔管有以下幾種。（一）貼邊岔管貼邊岔管在相貫線的兩側(cè)用補(bǔ)強(qiáng)板加固，如圖13-26所示。補(bǔ)強(qiáng)板與管壁焊接，可加于管外，也可同時(shí)加于管內(nèi)和管外。我國早期建造的幾個(gè)水電站多采用這種岔管。貼邊岔管的特點(diǎn)是補(bǔ)強(qiáng)板的剛度較?。ㄅc后面的加固梁比較），不平衡區(qū)的內(nèi)水壓力由補(bǔ)強(qiáng)板和管壁共同承擔(dān)，適用于中、低水頭的y型地下埋管,特別適用于支、主管直徑之比（d/D）在0.5以下的情況，此比值大于0.7時(shí)不宜采用貼邊岔管。圖13-26貼邊岔管貼邊岔管的應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜，除有限元法外，目前尚無他比較合理的分析方法，其壁厚可近似的用下式(14—44)(14—44)［口］；^cos^式中R-計(jì)算管節(jié)的最大內(nèi)徑；o焊縫系數(shù)；疋1-系數(shù)，取1.2-1.5,d/D小者取小值;［叫-膜應(yīng)力區(qū)的容許應(yīng)力，基本荷載時(shí)取，特殊荷載時(shí)取。補(bǔ)強(qiáng)板可采用一層（置于管外），d/D較大時(shí)可用兩層（管內(nèi)外各一層），寬度用（0.2-0.4）d,厚度可與管壁厚度相同。（二）三梁岔管三梁岔管用三根首尾相連接的曲梁作為加固構(gòu)件，如圖13-27所示。U梁承受較大的不平衡水壓力，使梁系中的主要構(gòu)件。腰梁1承受的不平衡力較小，腰梁2用來加固主管管壁。同時(shí)，兩根腰梁有協(xié)助U梁承受外力的功用。加固梁的剛度比鄰近的管壁剛度要大得多，故在設(shè)計(jì)時(shí)，一般假定梁系承擔(dān)全部不平衡區(qū)的內(nèi)水壓力。078Jm梁的斷面可計(jì)入 每側(cè)寬度的管壁。U形梁沿相貫線布置，一般加于管殼之外，內(nèi)外緣均為橢圓曲線，如圖13-28（a）所示。U梁的荷載如圖13-25（c）所示，在垂直和水平荷載V、H及腰梁反力P、Q、M的作用下，U梁可近似作為固定于對(duì)稱軸1-1的變截面懸臂梁進(jìn)行分析計(jì)算。U梁的橫截面形式比較常用的有矩形和T形，圖13-28（”和（c）所示。采用T形截面的目的是為了采用較薄的腹板獲得較大慣性矩，但由于T形截面形心外移使U形梁的懸臂加長，荷載V在1-1截面形成的彎矩將顯著增加，從而使U梁內(nèi)緣的拉應(yīng)力加大，故宜采用丄形截面。矩形截面的U梁也應(yīng)避免采用瘦高截面。為了減小U梁的計(jì)算跨度，可將其部分嵌入管殼內(nèi)，如圖8-28（d）所示。嵌入的深度越大，U梁的彎曲應(yīng)力越小，逐步使U梁過渡為受拉構(gòu)件。水工模型試驗(yàn)表明，嵌人的U梁對(duì)水流的影響視岔管的分流情況而定。對(duì)于設(shè)計(jì)的分流情況，水流比較對(duì)稱，嵌入的U梁對(duì)水流一般無不良影響，甚至可熊有利；對(duì)于非設(shè)計(jì)情況（如一個(gè)支管為設(shè)計(jì)流量另一支管關(guān)閉），則U梁兩側(cè)出現(xiàn)旋渦區(qū)，使水頭損失加，在U梁兩側(cè)加導(dǎo)流板有一定效果。圖13-18U形梁三梁岔管的主要缺點(diǎn)是梁系中的應(yīng)力主要是彎曲應(yīng)力，材料的強(qiáng)度未得到充分利用，三個(gè)曲梁（特別是U梁常常需要高大的截面，這不但浪費(fèi)了材料，加大了岔管的輪廓尺寸。而且可能需要鍛造，焊接后還可能需要進(jìn)行熱處理。由于梁的剛度較大，對(duì)管殼有較強(qiáng)的約束，使梁附近的管殼產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力。同時(shí)，在內(nèi)壓的作用下，由于相貫線的垂直變位較小，用于埋管則不能充分利用圍巖的抗力。因此，三梁岔管雖有長期的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，但由于存在上述缺點(diǎn)，不能認(rèn)為是一種很理想的岔管。三梁岔管用于內(nèi)壓較高、直徑不大的明管道。（三）月牙肋岔管月牙肋岔管是三梁岔管的一種發(fā)展。前面已經(jīng)指出，三梁岔管的U梁嵌人管殼能夠改善其應(yīng)力狀態(tài)。月牙肋岔管用一個(gè)完全嵌入管殼內(nèi)的月牙形肋板代替三梁岔管的U形梁，并按月牙肋主要承受軸向拉力的原則來確定月牙肋的尺寸。月牙肋岔管的主管為倒錐管，兩個(gè)支管為順錐管，三者有一公切球，如圖13-29所示。主管采用倒錐管的目的有二：一是減小A點(diǎn)管壁的轉(zhuǎn)角Y（—般不超過13°），以達(dá)到取消AD方向的腰梁和改善流態(tài)的目的；二是適當(dāng)?shù)闹鸩綌U(kuò)大分岔區(qū)的過流面積，以減小流速，從而降低水頭損失。月牙肋岔管的分岔角常用55°-90°，公切球的半徑取1.1-1.2倍主管半徑。月牙肋岔管的壁厚用式（13-44）和下式求出而取其大者式(13-44)用于膜應(yīng)力區(qū)，紙取1.0-1.1。式(13-45)用于局部應(yīng)力區(qū),按圖13-30查取，在基0.8cr本荷載情況下取l.Ocr.，特殊荷載情況下取式(13-44)用于膜應(yīng)力區(qū)，紙取1.0-1.1。式(13-45)用于局部應(yīng)力區(qū),按圖13-30查取，在基0.8cr本荷載情況下取l.Ocr.，特殊荷載情況下取肋板的中央截面寬度可從圖8-31(a)中的經(jīng)驗(yàn)曲線初步確定,曲線用于試驗(yàn)工況，曲線匸^用確定。肋板的厚度于運(yùn)行工況。確定后，肋板內(nèi)緣尺寸可按圖13-31(b)中的恥占'三點(diǎn)成一拋物線按式中V為中央截面的作用力，可按《水工設(shè)計(jì)手冊》等文獻(xiàn)中的公式求取。在基本荷載情況下取大體為管壁厚度的2.0-2.5倍。大體為管壁厚度的2.0-2.5倍。-，特殊荷載情況下取 。C為銹蝕裕量。圖13-31決定月牙肋尺寸的經(jīng)驗(yàn)曲線a肋板的輪廓尺寸與分岔角（）和兩順錐管的半錐角（a肋板的輪廓尺寸與分岔角（）和兩順錐管的半錐角（）有關(guān)，一般說來，全岔角越小、由于月牙肋是按無矩要求設(shè)計(jì)的，荷載合力基本通過肋板截面形心，使肋板處于軸心受拉狀態(tài)；材料的強(qiáng)度得以充分發(fā)揮。由于肋板厚度不大，可用厚鋼板制造，工藝較為簡單。(14—47)(14—47)錐角越大，要求的肋板寬度越大，因此，調(diào)整分岔角和錐角的大小可改變肋板的寬度和厚度。月牙肋岔管除沿CD向有肋板加固外，其他部位均無加固構(gòu)件，由管殼承擔(dān)全部內(nèi)水壓力，故管殼的體型應(yīng)力求平順。結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)表明，管壁轉(zhuǎn)折處A點(diǎn)是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)控制轉(zhuǎn)折角Y勿使過大。水工模型試驗(yàn)表明，在設(shè)計(jì)分流情況下，月牙肋岔管具有良好的流態(tài)，但在非對(duì)稱水流情況下，插入的肋板對(duì)向一側(cè)偏轉(zhuǎn)的水流有阻礙作用，流態(tài)趨于惡化，肋板的方向?qū)λ饔绊戄^大，在設(shè)計(jì)岔管的體型時(shí)，應(yīng)注意使肋板平面與主流方向一致。（四）球形岔管球形岔管是由球殼、主支管、補(bǔ)強(qiáng)環(huán)和內(nèi)部導(dǎo)流板組成，如圖13-32所示。在內(nèi)壓作用下，球殼應(yīng)力僅為同直徑管殼環(huán)向應(yīng)力的一半，因此，球形岔管適用于高水頭電站。球殼的最小直徑按用補(bǔ)強(qiáng)環(huán)加固后的各主、支管開孔的局部應(yīng)力不致相互影響并有一定的焊接空間決定。兩相鄰開孔間的最短弧長球殼即疋1取1.1-1.2； ■在基本荷載情況下取式中系數(shù)，特殊荷載情況下取球殼即疋1取1.1-1.2； ■在基本荷載情況下取式中系數(shù)，特殊荷載情況下??；①為焊縫系數(shù),R和為球殼的半徑和壁厚，R一般為1.3-1.6倍主管半徑。為了減小球殼的半徑，球形岔管常采用較大的分岔角（60°-90°），使主、支管能均布在球殼的周圍。補(bǔ)強(qiáng)環(huán)導(dǎo)流板圖13-32球形岔管球殼的荷載主要有內(nèi)水壓力、補(bǔ)強(qiáng)環(huán)的約束力和主、支管的軸向力。球殼的厚度可按內(nèi)水壓力確定,取0.9-0-95；C為銹蝕裕量，取2mm。主、支管的軸向力對(duì)球殼應(yīng)力有很大影響，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)認(rèn)真對(duì)待。對(duì)于垂直方向的支管應(yīng)加以錨定，若為具有伸縮節(jié)的自由端，則管壁不能傳遞軸向力，作用于球殼上的軸向水壓力將無法平衡。補(bǔ)強(qiáng)環(huán)一般為鍛件，其截面積F的選擇應(yīng)使補(bǔ)強(qiáng)環(huán)受力后的徑向變形等于被切割的球殼圓盤在同方向的變形，可近似地按下式確定C14—49)F= —(Zir+.05A2cosasina)C14—49)0*冋。式中-補(bǔ)強(qiáng)環(huán)截面形心的半徑；、卞-補(bǔ)強(qiáng)環(huán)和球殼連接點(diǎn)的半徑及與球心所夾之角；-補(bǔ)強(qiáng)環(huán)順流向的寬度；-球殼設(shè)計(jì)膜應(yīng)力。球形岔管突然擴(kuò)大的球體對(duì)水流不利。為了改善水流條件，常在球殼內(nèi)設(shè)導(dǎo)流板。導(dǎo)流板上設(shè)平壓孔因此不承受內(nèi)水壓力，僅起導(dǎo)流作用。（五）無梁岔管無梁岔管是在球形岔管的基礎(chǔ)上發(fā)展而成。球形岔管的補(bǔ)強(qiáng)環(huán)需要鍛造，與管殼焊接時(shí)要預(yù)熱，球殼一般也要加熱壓制成形，有的球岔在制成后還進(jìn)行整體退火，因此工藝復(fù)雜。無梁岔管是用三個(gè)漸變的錐管作為主、支管與球殼連接段以代替補(bǔ)強(qiáng)環(huán)，需要壓制的球殼面積大為減小，只剩下兩個(gè)面積不大的三角體，半徑一般取主管半徑的1.1-1.3倍。管壁轉(zhuǎn)折角B和a不宜超過12。。無梁岔管的壁厚可按式（13-44）和式（13-