水電站壓力鋼管

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

壓力管道是從水庫、壓力前池或調壓室向水

圖37焊縫布置圖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（水擊壓力），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、設計方法和加工工之等都有特殊

要求。

壓力管道的主要荷教為內水壓力，管道的內直徑Q（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(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明鋼管，直徑為13.26m。a。值最高的常見于抽水蓄能

電站，已超過5000m2o

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

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）鋼筋混凝土結構，鋼襯鋼筋混凝土結構，

壩上游面管；（3）壩下游面管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中、高水頭電站;

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3-1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000m2H-b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。

（-）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“￡K50m2的情況，預應力和自應力鋼筋混

凝土管的可達到200m2,而預應力鋼絲網水泥管的抗裂性能好，可超過300m%

（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襯鋼板。在內水壓力作用下，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“。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3-2（a）,不設下閥門。

其特點是：結構簡單（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。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3-2（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，如圖3-2（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。

(a)單元供水(b)聯(lián)合供水(c)分組供水

。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)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。

(e)

圖3-3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合引水系統(tǒng)中其它建筑物(前池、調壓室)和水電站廠房的布置

統(tǒng)一考慮，選擇在地形和地質條件優(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，降低水擊壓力，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彎時，

轉彎半徑可采用2~3倍管道直徑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，以利用圍巖承擔內水壓力。埋管軸線要盡量與巖層構造面垂

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

定不僅是一個技術問題，還是一個經濟問題，應通過技術經濟比較確定。目前國內外計算壓

力鋼管經濟直徑的理論公式和經驗公式很多，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(如施工工藝和技術水平等)無法在計算公式中考慮，所以按

照公式計算的結果一般作為參考。通?？梢愿鶕延泄こ探涷灪陀嬎愎酱_定幾種直徑，再

分別進行造價和電量計算，再考慮技術方面的因素后，選擇最優(yōu)直徑。

在可行性研究和初步設計階段，也可以用下面的經驗公式法或經濟流速方法確定壓力

鋼管的直徑。

(1)經驗公式法

(3-1)

式中。2——壓力管道設計流量，m3/s；

H---設計水頭(包括水擊壓力)，m。

(2)經濟流速法

壓力管道的經濟流速一般為4~6m/s,最大不超過7m/s。選定經濟流速匕后，根據水管

引用流量。用下面的公式確定管道直徑：

D=1.1370%(3.2)

第三節(jié)明鋼管的敷設方式及附件

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120~150m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)-?般放在鎮(zhèn)墩的下游側。鎮(zhèn)墩之間的管段用，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。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3-4。

(-)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

圖3-4明鋼管的敷設

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：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，

鋼管周圍設置環(huán)向筋和一定數(shù)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3-6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。

(-)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，其包角萬在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1?3m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根軸，鋼管發(fā)生軸向伸縮

時，短軸滾動，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.擺動支墩。如圖3-9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

(-)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。

(I)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9—10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9—11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-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3-12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90°,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3-10平板閥門

圖3-11蝴蝶閥

圖3-12球閥

(a)關閉狀態(tài)(b)開啟狀態(tài)

(-)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，較常見的兒種見圖3-13o在閥門處

的伸縮節(jié)應便T閥門拆卸，并允許產生微小的角位移。

(a)

(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，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3-14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3-14進人孔

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

鋼管的結構設計狀況分為持久狀況、短暫狀況和偶然狀況三種。三種設計狀況均應進行

承載能力極限狀態(tài)設計。持久狀況還應進行正常使用極限狀態(tài)設計，短暫狀況可根據需要進

行正常使用極限狀態(tài)設計，偶然狀況可不進行正常使用極限狀態(tài)設計。

承載能力極限狀態(tài)，是指鋼管結構或構件，或達到最大承載能力、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)，是鋼管結構或構件達到正常使用或耐

久性能的某項規(guī)定限值。

按照設計規(guī)范要求，明鋼管要求進行承載能力極限狀態(tài)驗算，其內容包括主要結構構件

的承載能力計算，管壁和加勁環(huán)的抗外壓穩(wěn)定計算。如有必要應進行鎮(zhèn)墩和支墩抗傾、抗滑

及抗浮驗算，如有抗震要求，還應進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,但風荷載、雪荷載、地震

荷載等需查閱《水工建筑物荷我設計規(guī)范》。

表3-2作用分類及按承載能力極限狀態(tài)設計的乍用分項系數(shù)

序號作用分類及名稱作用分項系數(shù)

(la)正常蓄水位的靜水壓力靜水壓力Yo=1.0

內

(1b)正常運行最高壓力（靜水壓力+水擊壓力）水擊壓力YQ=1.1

水

(1)靜水壓力YA=L0

(1c)壓特殊運行最高壓力（靜水壓力+水擊壓力）

水擊壓力YA=L1

力

(Id)水壓試驗內水壓力丫0=1。

(2)管道結構自重YG=L05或0.95

(3)管內滿水重Yo=1.0

(4)溫度作用Yo=l』

管道直徑變化處、轉彎處及作用在堵頭、閘閥、靜水壓力YQ=1.0

(5)

伸縮節(jié)上的內水壓力（靜水壓力+水擊壓力））水擊壓力丫0=1.1

(6)彎道離心力Yo=ll

(7)鎮(zhèn)墩、支墩不均勻沉降引起的力Yo=l.l

(8)風荷載丫0=1.3

(9)雪荷載丫0=1.3

(10)灌漿壓力丫0=1.3

(11)地震作用YA=1-0

(12)管道放空時通氣設備造成的氣壓差Yo=l-0

(13a)外水地下水壓力Yo=10

(13)

(13b)壓力壩體滲流水壓力丫0=1。

(14)壩體變位作用Yo=10

說明：

1.（2）中的作用分項系數(shù)，當自重作用效應對結構有利時采用0.95。

2.YG、YQ、YA分別為永久作用、可變作用、偶然作用的分項系數(shù)。

3.管道放空時通氣設備造成的氣壓差作用取值不應小于—（）.05N/mm2,也不應大于0.1N/mm，

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34。

表3-3明鋼管荷載計算公式

序作用指向受力部位

支

號力方作用力名稱計算公式管鎮(zhèn)

上段下段墩

向壁墩

1.1徑向內水壓力強度產P=yHVV

V

2.1垂直鋼管自重的分力aQs=qsLcosaJV

管軸VVV

2.2管內水重的分力QwQw=d,Leosa

A=Z（"）sina

3.1鋼管自重的分力4順順V

關閉的閥門及悶頭上的力&=冠）：尸/4

3.2順或逆順或逆VV

3.3漸縮管上的內水壓力A?A3=%（O黑一。3）尸必順順V

3.4平伸縮節(jié)端部的內水壓力A4=乃（比-次）P/4順逆

3.5彎管上內水壓力的分力44=冠）產/4順逆V

行彎管上水流離心力的分力4=必譏諱/4g

3.6順逆V

4

管溫變時伸縮節(jié)止水填

3.7溫A7=兀D\bp"pP順逆逆順VV

料的摩擦力A?

度

軸溫變時支座墊板與鋼%=X（%+gw）L〃cosa順逆逆順VV

作

管間或支座上下墊板

用%=（/+/,.）「〃cosa逆順順逆V

3.8間的摩擦力A

情況溫溫溫溫

升降升降

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3-3中各計算式種符號的含義為：P~內水壓力設計值：兒一水的重度；//一計

算截面管軸處內水壓力作用水頭（包括靜水壓力和水擊壓力）；q,~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；a一管軸與水平面夾角；5一鋼

管內徑；。皿和。mm一漸縮管的最大內徑和最小內徑；。1和。2—伸縮節(jié)內套管的外徑

和內徑；V0一機組滿負荷時鋼管內水流流速；g-重力加速度；％—伸縮節(jié)止水填料長

度；"p一伸縮節(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)設計的作用效應組合與計算情況

作用效應組合

設計狀況計算情況

組合類別組合項次

(lb)+(2)+(3)+(4)+(5)+(7)正常運行情況一

持久狀況

(1a)+(2)+(3)+(4)+(5)+(7)+(8)或(9)正常運行情況二

基本組合

(ld)+(2)+(3)+(5)水壓試驗情況

短暫狀況

(12)放空情況

(lc)+(2)+(3)+(4)+(5)+(7)特殊運行情況

偶然狀況偶然組合

(la)+(2)+(3)+(4)+(5)+(7)+(ll)地震情況

第五節(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：

<y0=PDl28=7HDn§(3.3)

以鋼材的允許應力W代替b”，并考慮焊縫的強度降低，引入焊縫系數(shù)o,整理得：

3PD_yHD

2也［2而］(3-4)

上面二式中：P——內水壓力；D——鋼管直徑；8——管壁厚度；y一—水的重

度;H——鋼管內的水頭。

根據規(guī)范要求，焊縫系數(shù)。一般取為0.9~0.95,允許應力口］取鋼管材料允許應力的75%

-85%,考慮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

制管壁的最小厚度力耐。6min一般取為。/800+4(mm),且不宜小于6mm。

二、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，有時需要在管壁卜.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、徑向八環(huán)向0,如圖3-16所示。

（-）跨中段面（1）-⑴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3-15明鋼管應力分析的幾個斷面圖376管壁應力計算坐標系

1.徑向應力歸

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

5.=一加，"_，，表示壓應力。管壁外表面的區(qū).=（）。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

設壓力水管中心處的水頭為從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夕，見圖3-17）的水頭為"-rcosacos^。在管壁中取出一

段微圓弧16,其圓周長為加0。沿軸線方向取單位長度，則由力的平衡（圖3-18）,可以推

導出管壁中的切向拉力T和切向應力為：

T-yr（H-rcosacos（3一5）

%=D（H一rcosacos。）

8x1S

p

=—r（l--r--cosacos0）

8H（3-6）

式中P----內水壓強；

6——管壁計算厚度；

H——計算水頭;

a——管軸線傾角；

9——管壁中任意一點半徑與管頂半徑的夾角;

r----水管半徑。

圖3-17管壁上內水壓力的分布圖3T8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b”和軸向作用力引

起的軸向應力b'2。

（1）法向力作用引起的管壁軸向應力b'l。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)梁的中間車昆軸支座，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3-19,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

M八M八

a.=----cost*=———cost*

1W71^8（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)，印=勿"筌。

-01.058--v0.v0r7w6y9—-0v.0v8o6v5

0.0433

0.0777

圖3-19三跨連續(xù)梁截面內力

(2)軸向力引起的軸向應力0'，2。

在軸向力合力34作用下，管壁中產生的軸向應力為b，2,管壁的斷面積為尸，貝小

F=7iD8

FTCD8(3-8)

表示壓應力。一般情況下，E4為壓力，即0'*2為壓應力，。為管道直徑。

4.剪應力Je

由于跨中斷面的剪力為0,所以該斷面的

(二八支承環(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(3-7)計算彎曲應力。此外支承環(huán)處存在剪

力匕在垂直于管道軸線的橫斷面上剪應力的計算公式為：

VSRVsin。

的=--=------

hJTirS(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——計算點以上管壁環(huán)形截面積對重心軸的靜矩，SR=18r-sine；

h----受剪截面寬度，6=2S；

J——截面慣性矩，J=必為/8=4。

當。=0°(管道頂部)和。=180°(管道底部)時，力=0：當。=90°(管道側面中點)時，

%?=2V/F,達到最大值。

卻0的分布如圖3-20,該圖為以上各應力的綜合圖。

斷面(2)-(2)的其他正應力?！焙?。，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。3。

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3-2I(a)所示。加勁環(huán)對管壁約束的影響范圍，每側為廣。/'又稱等效翼緣寬

度。由彈性理論分析可得

1'=—=0.78歷

伽-〃2)(3一10)

式中H——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0.78J范的管壁面積。

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和剪力匕如圖9—21(b)所示。設在內水壓力戶和管壁傳來的剪力V作用下，加勁環(huán)

向外徑向變位為A：加勁環(huán)影響范圍以外的管壁向外徑向變位為A2；如果沒有股和V的作

用，全部管壁都將有相同的變位A?;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，等于我們可以看作“和丫作用下使鋼管在斷面(3)-(3)處發(fā)生

一個變位等于A3。根據變形連續(xù)條件，同時管壁在歷和V作用下沒有角變

位(轉角)。

(1)求在加勁環(huán)影響范圍以外的管壁變位&，是由均勻內水壓力產生的。A?為半

徑的增加。根據虎克定律可得

(b)

圖9-21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

2=經2=攵

2E228E28E(3-11)

式中E一鋼材彈性模量。

(2)求用類似的方法可以推導出:

A,=(^+2V)-—

FE(3-12)

式中a——加勁環(huán)寬度；

F1——加勁環(huán)凈截面積，不包括管壁翼緣。

(3)求A3。根據彈性理論，”與丫之間存在關系如下：

2k(3-13)

在M與V的共同作用下，該處管壁的徑向變位減小A3

_3V(1-〃2)

%一出加外(3-14)

式中k一等效翼緣寬度的倒數(shù)，即：

k,—1_—_____1__

~r~0.78而

根據連續(xù)條件，A3=A2-AI,將式(9—11)、(9-12),(9-14)代入,得

3嗎?2)…二

k3^EE8'PE(3-15)

k2

再將r8代入上式，化簡后得

P

k(3-16)

代入式(9—13)得

P

M=——p

2k-(3-17)

cF1-a8F1-aSF1-aS

F'+2S/kF'+23l'F(3.18)

式中F一加勁環(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為

+3Pr°?N3Pr

be=±/------丁。夕=±1-----rPna

43(1-*)3§(3,19)

取〃=0.3,則

<r=±1.816^—

t3”(3-20)

式中的正號代表管壁內緣受拉，負號代表管壁外緣受壓。由于當尸很大時，8

弋1,而沒有加勁環(huán)時，F(xiàn)=a6,丘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工必，和「的作用方向指向管中心，其值

用公式%=L5AP"b(管壁中面)或%=0(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，故和「可忽略不計。

3.切向應力?！?/p>

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2匕如圖3-21(a)。

總切向拉應力為

々2=5(&+2V)

F(3-21)

將式(9—16)代入上式得

々2=尸(尸4+2-^-)=萬(。+2/?)

(3-22)

根據式(9-18)可得

r/Ql'B+a)

L-

1-P(3-23)

將上式代入式(9—22),即可得

Pr

/2=三(1一4)

O(3-24)

4.剪應力7分

由管重和水重法向分力在管壁中引起的剪應力用式(9—9)計算，而由剪應力互等定

理可知

T金=txO(3-25)

斷面(3)-(3)的軸向應力外八*2和剪應力

Je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

3-22所示。

(四)支承環(huán)及其旁管壁，斷面(4)一(4)的

管壁應力

圖9-22加勁環(huán)斷面管壁應力分布

和方向示意圖支承環(huán)與加勁環(huán)從形式上看都是?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。而在支墩處引起的

支承反力兄從而在支承環(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3-23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0/2cosa。

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。

當采用側支承時，設支承反力離支承環(huán)重心軸距離為人根據分析，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￡=30°?90"較經濟。符號￡的意義見圖9-23(b)?

圖9一23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/e),以及支墩兩側的反力0.5。，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COSa。管重和水

=---Q----si.n，Acosa

重在支承環(huán)兩側管壁上產生的剪應力均為2m3,因此沿管壁圓周單位長

度上作用在支承環(huán)上的剪力為

S*o=2TM^1=—sincosa

"(3-26)

要進行支承環(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

力玲和軸力NR。其計算簡圖如圖9—24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7。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M。，推力為由彈性中心法可以求得

\Msds

M--J—

0一同(印

T」也泌

\y2(ls(3-28)

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一弧長的微分。

求出彈性中心處的用。及7。后，即可得到環(huán)頂切口處的內力MG、T＜；,從而可推求出封

閉圓環(huán)(支承環(huán))任一斷面