水電站壓力鋼管-8 介紹

1、第八章第八章 水電站壓力管道水電站壓力管道l 作用：作用：從水庫、前池或調(diào)壓室向水輪機輸送水量。從水庫、前池或調(diào)壓室向水輪機輸送水量。l 特點：特點：坡度陡、內(nèi)水壓力大，承受動水壓力，且靠坡度陡、內(nèi)水壓力大，承受動水壓力，且靠近廠房，失事后果嚴(yán)重，所以必須安全可靠。近廠房，失事后果嚴(yán)重，所以必須安全可靠。第一節(jié)第一節(jié) 壓力管道的類型壓力管道的類型按布置方式分按布置方式分按材料分按材料分明管：明管：暴露在空氣中暴露在空氣中(無壓引水式電站無壓引水式電站)鋼管鋼管( (大中型水電站大中型水電站) )鋼筋混凝土管鋼筋混凝土管( (小型電站小型電站) )地下埋管地下埋管（隧洞埋管（隧洞埋管) :埋入巖

2、體。埋入巖體。(有壓引水電站有壓引水電站) 不襯砌、錨噴或混凝土襯不襯砌、錨噴或混凝土襯砌、鋼襯混凝土襯砌，砌、鋼襯混凝土襯砌，聚酯材料管、木管等聚酯材料管、木管等混凝土壩身埋管：混凝土壩身埋管： 依附于壩身依附于壩身(混凝土重力壩及重混凝土重力壩及重力拱壩力拱壩)，包括：壩內(nèi)管道、，包括：壩內(nèi)管道、 壩上游面管、壩下游面管壩上游面管、壩下游面管 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼襯鋼筋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼襯鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)混凝土結(jié)構(gòu)第一節(jié)第一節(jié) 壓力管道的類型壓力管道的類型鋼管管節(jié)鋼管管節(jié) 鋼筋混凝土管鋼筋混凝土管第一節(jié)第一節(jié) 壓力管道的類型壓力管道的類型聚酯材料管聚酯材料管 木管木管第二節(jié)第二節(jié) 壓力管道的布

3、置和供水方式壓力管道的布置和供水方式一、壓力管道的布置一、壓力管道的布置壓力管道線路選擇應(yīng)結(jié)合其它建筑物壓力管道線路選擇應(yīng)結(jié)合其它建筑物( (前池、調(diào)壓室前池、調(diào)壓室) )和和水電站廠房布置統(tǒng)一考慮水電站廠房布置統(tǒng)一考慮。路線盡可能短、直。路線盡可能短、直。( (經(jīng)濟，經(jīng)濟，h hf f和和H H小小) )。地質(zhì)條件好。山體穩(wěn)定、地下水位低、避開山崩、地質(zhì)條件好。山體穩(wěn)定、地下水位低、避開山崩、雪崩地區(qū)。雪崩地區(qū)。盡量減小起伏盡量減小起伏, , 避免出現(xiàn)負(fù)壓避免出現(xiàn)負(fù)壓; ; 轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)彎半徑R3DR3D。避開可能發(fā)生山崩或滑坡的地區(qū)以及山水集中的地避開可能發(fā)生山崩或滑坡的地區(qū)以及山水集中的地

4、區(qū)，可沿山脊布置。區(qū)，可沿山脊布置。明鋼管首部設(shè)事故閘門，并考慮事故排水等明鋼管首部設(shè)事故閘門，并考慮事故排水等二、壓力管道引進廠房的方式二、壓力管道引進廠房的方式1.正向引近：低水頭電站。水流平順、水頭損正向引近：低水頭電站。水流平順、水頭損失小，開挖量小、交通方便。鋼管發(fā)生事故失小，開挖量小、交通方便。鋼管發(fā)生事故時直接危機廠房安全。時直接危機廠房安全。2.縱向引近：高、中水頭電站。避免水流直沖縱向引近：高、中水頭電站。避免水流直沖廠房。廠房。3.斜向引近：分組供水和聯(lián)合供水。斜向引近：分組供水和聯(lián)合供水。二、壓力管道引進廠房的方式二、壓力管道引進廠房的方式 (a)、(b) 正向引進正向引

5、進 (c)、(d) 縱向引進縱向引進 (e) 斜向引進斜向引進 壓力水管引進廠房的方式壓力水管引進廠房的方式三、供水方式三、供水方式1 1單元供水單元供水：一管一機。不設(shè)下閥門。一管一機。不設(shè)下閥門。l 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單( (無岔管無岔管) )、工作可靠、靈活性好，、工作可靠、靈活性好，易于制作，無岔管易于制作，無岔管l 缺點：造價高缺點：造價高l 適用：適用：(1) (1) 單機流量大、長度短的地下埋管或明單機流量大、長度短的地下埋管或明管；管； (2) (2) 混凝土壩內(nèi)管道和明管道混凝土壩內(nèi)管道和明管道三、供水方式三、供水方式2 2聯(lián)合供水：聯(lián)合供水： 一根主管，向多臺機組供

6、水。設(shè)下閥門。一根主管，向多臺機組供水。設(shè)下閥門。l 優(yōu)點：造價低優(yōu)點：造價低l 缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜（岔管）、靈活性差缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜（岔管）、靈活性差l 適用：機組少、單機流量小、引水道長的地下埋管和明管適用：機組少、單機流量小、引水道長的地下埋管和明管3. 3. 分組供水：分組供水： 設(shè)多根主管，每根主管向數(shù)臺機組供水。設(shè)下閥門。設(shè)多根主管，每根主管向數(shù)臺機組供水。設(shè)下閥門。l 適用：壓力水管較長，機組臺數(shù)多，單機流量較小的情況。適用：壓力水管較長，機組臺數(shù)多，單機流量較小的情況。地下埋管和明管地下埋管和明管. . 三、供水方式三、供水方式單元供水單元供水 聯(lián)合供水聯(lián)合供水 分組供水分組供水 第

7、三節(jié)第三節(jié) 水力計算和經(jīng)濟直徑的確定水力計算和經(jīng)濟直徑的確定一、水力計算一、水力計算l 恒定流計算：確定管道的水頭損失，包括沿程和局部兩部恒定流計算：確定管道的水頭損失，包括沿程和局部兩部分。分。沿程損失：處于紊流，可按曼寧公式計算沿程損失：處于紊流，可按曼寧公式計算局部損失：進口、門槽、漸變段、彎段、分岔等部位，局部損失：進口、門槽、漸變段、彎段、分岔等部位，按水力學(xué)公式計算。按水力學(xué)公式計算。h hw w電能電能裝機容量裝機容量管徑選擇管徑選擇l 非恒定流計算：水錘計算非恒定流計算：水錘計算( (N N變變Q Q變變H H變變) ) ，確定管道中，確定管道中各點的動水壓力和變化過程。各點的

8、動水壓力和變化過程。 水擊壓強水擊壓強確定壓力管道荷載和管線確定壓力管道荷載和管線( (最高壓力線和最低壓最高壓力線和最低壓力線力線) ) 二、壓力管道直徑的選擇二、壓力管道直徑的選擇1. 動能經(jīng)濟比較法：基本原理與渠道相同動能經(jīng)濟比較法：基本原理與渠道相同(要考慮要考慮流速、水擊壓力的影響流速、水擊壓力的影響)，擬定幾個直徑，進行，擬定幾個直徑，進行動能經(jīng)濟計算，比較確定最優(yōu)經(jīng)濟直徑。動能經(jīng)濟計算，比較確定最優(yōu)經(jīng)濟直徑。2. 經(jīng)驗公式法：簡化條件推導(dǎo)公式。精度較低，初經(jīng)驗公式法：簡化條件推導(dǎo)公式。精度較低，初步設(shè)計時采用步設(shè)計時采用 Qmax壓力管道設(shè)計流量，壓力管道設(shè)計流量，H設(shè)計水頭設(shè)計

9、水頭3. 經(jīng)濟流速法：壓力管道的經(jīng)濟流速一般為經(jīng)濟流速法：壓力管道的經(jīng)濟流速一般為46m/s，最大不超過最大不超過7m/s，Ae= Qmax/Ve73max2 . 5HQD 第四節(jié)第四節(jié) 鋼管的材料和管身構(gòu)造鋼管的材料和管身構(gòu)造 一、鋼管的材料一、鋼管的材料l 管道的受力構(gòu)件有管壁、加勁環(huán)、支承環(huán)、支管道的受力構(gòu)件有管壁、加勁環(huán)、支承環(huán)、支座滾輪、支承板等座滾輪、支承板等l 常用的鋼材：經(jīng)過鎮(zhèn)靜熔煉的熱軋平爐低碳鋼常用的鋼材：經(jīng)過鎮(zhèn)靜熔煉的熱軋平爐低碳鋼或低合金鋼，如：或低合金鋼，如：A3、16Mn，或經(jīng)過正火的，或經(jīng)過正火的15MnV、15MnTi。滾輪可采用。滾輪可采用A3、A4、A5、1

10、6Mn或或35、45等優(yōu)質(zhì)鋼材。等優(yōu)質(zhì)鋼材。 二、鋼材性能的要求二、鋼材性能的要求( (一一) ) 壓力管道的工作特點與制作程序壓力管道的工作特點與制作程序l 工作特點：內(nèi)水壓力大，并經(jīng)常承受沖擊荷載工作特點：內(nèi)水壓力大，并經(jīng)常承受沖擊荷載的作用；低溫狀態(tài)下工作的作用；低溫狀態(tài)下工作( (水溫在水溫在44左右左右) )對對鋼材的工作條件不利。鋼材的工作條件不利。l 制作過程：制作過程：板裁：冷卷、輥壓成形；板裁：冷卷、輥壓成形；現(xiàn)場焊接現(xiàn)場焊接( (自動焊、手焊自動焊、手焊) )；檢查焊縫檢查焊縫(射線、超聲波射線、超聲波) ) 二、鋼材性能的要求二、鋼材性能的要求(二二) 鋼材性能要求鋼材性

11、能要求1、機械性能、機械性能l 屈服強度屈服強度s 、抗拉強度、抗拉強度b ；塑性指標(biāo)：斷裂時的延伸率；塑性指標(biāo)：斷裂時的延伸率、斷面收縮率斷面收縮率；沖擊韌性；沖擊韌性ak。要求強度高、塑性好。要求強度高、塑性好(沖擊、沖擊、低溫、加工低溫、加工)可焊性能好?？珊感阅芎谩 A3鋼機械性能適用于壓力管道，但容許應(yīng)力低。鋼機械性能適用于壓力管道，但容許應(yīng)力低。l 當(dāng)當(dāng)HD600m2，=32mm40mm，不易加工。不易加工。l 當(dāng)當(dāng)HD較高時采用較高時采用16Mn，其強度高，但塑性差：，其強度高，但塑性差：l 強度越高，塑性越差。若采用高強鋼，要有充分的論證。強度越高，塑性越差。若采用高強鋼，要

12、有充分的論證。一般一般A3、16Mn不需論證，可直接采用。不需論證，可直接采用。二、鋼材性能的要求二、鋼材性能的要求2 2、加工性能、加工性能l 輥軋、冷彎、焊接、切割，要求焊接性能好，冷輥軋、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。熱影響區(qū)不產(chǎn)生裂紋。3 3、化學(xué)成份、化學(xué)成份l 影響鋼材的強度、影響鋼材的強度、焊接性能，含碳不要過高、焊接性能，含碳不要過高( (脆脆) )，含硫量和含硅量也不能高。，含硫量和含硅量也不能高。三、容許應(yīng)力三、容許應(yīng)力l 鋼材的容許應(yīng)力一般用屈服強度除以安全系數(shù)得

13、到，鋼材的容許應(yīng)力一般用屈服強度除以安全系數(shù)得到，即即 =s/Kl 不同的荷載、不同的部位采用不同的容許應(yīng)力，見不同的荷載、不同的部位采用不同的容許應(yīng)力，見表表8-2。四、管身構(gòu)造四、管身構(gòu)造1、無縫鋼管無縫鋼管：無縱縫，橫縫用焊接、法蘭連接成整體，強度：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。高，造價高，施工困難。 國內(nèi)：國內(nèi)：D60cm；國外：；國外：D120cm。 適用高水頭小流量電站。適用高水頭小流量電站。2、焊接管焊接管：鋼板按要求的曲率輥成弧形，焊接成管段。適用于：鋼板按要求的曲率輥成弧形，焊接成管段。適用于各種直徑、水頭，造成價低。各種直徑、水頭，造成價低。

14、 (1) 縱縫：焊縫交錯排列，避開兩個中心軸縱縫：焊縫交錯排列，避開兩個中心軸 (2) 相鄰管壁厚度差相鄰管壁厚度差 2mm，內(nèi)部光滑，外部成臺階狀。，內(nèi)部光滑，外部成臺階狀。四、管身構(gòu)造四、管身構(gòu)造四、管身構(gòu)造四、管身構(gòu)造3 3、箍管：鋼管外加鋼箍。、箍管：鋼管外加鋼箍。l鋼管最小厚度：鋼管最小厚度：min (D/800+4)mm，或，或6mml防腐、防銹措施：防腐、防銹措施： 涂料、噴鍍、化學(xué)保護。涂料、噴鍍、化學(xué)保護。加防銹厚度加防銹厚度2mm。第五節(jié)第五節(jié) 明鋼管的敷設(shè)方式、鎮(zhèn)墩、明鋼管的敷設(shè)方式、鎮(zhèn)墩、支墩和附屬設(shè)備支墩和附屬設(shè)備 一、敷設(shè)方式敷設(shè)方式l 明鋼管一般敷設(shè)在一明鋼管一般

15、敷設(shè)在一系列支墩上，離地面系列支墩上，離地面不小于不小于6060cmcml 轉(zhuǎn)彎處設(shè)鎮(zhèn)墩，將水轉(zhuǎn)彎處設(shè)鎮(zhèn)墩，將水管完全固定，相當(dāng)于管完全固定，相當(dāng)于梁的固定端。梁的固定端。l 水管受力明確，在自水管受力明確，在自重和水重作用下，相重和水重作用下，相當(dāng)于一個多跨連續(xù)梁當(dāng)于一個多跨連續(xù)梁. .一、敷設(shè)方式敷設(shè)方式l 連續(xù)式布置連續(xù)式布置： 管身在兩鎮(zhèn)墩間連續(xù)，不設(shè)伸縮節(jié)。溫度應(yīng)力大，管身在兩鎮(zhèn)墩間連續(xù)，不設(shè)伸縮節(jié)。溫度應(yīng)力大，一般較少采用。一般較少采用。l 分段式分段式： 兩鎮(zhèn)墩之間設(shè)置伸縮節(jié)兩鎮(zhèn)墩之間設(shè)置伸縮節(jié) ( (在上鎮(zhèn)墩的下游側(cè)在上鎮(zhèn)墩的下游側(cè)) )。 溫度應(yīng)力小。溫度應(yīng)力小。 二、支墩二

16、、支墩(support)1.功用：承受水重和管重的法向分力。相當(dāng)于連功用：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續(xù)梁的滾動支承，允許水管在軸向自由移動(溫溫度變化時度變化時)。2.布置：間距布置：間距L=612m，D特別大時，特別大時，L取取3m。L小小M、Q小小支墩造價高。支墩造價高。3.類型：類型：滑動式滑動式、滾動式滾動式、擺動式擺動式。(1) 滑動式支墩滑動式支墩l 鞍式鞍式(saddle support)：包角：包角：90120，結(jié)構(gòu)簡單，造價，結(jié)構(gòu)簡單，造價低，摩擦力大，支承部位受低，摩擦力大，支承部位受力不均勻，適用于力不均勻，適用于D1m。l

17、支承環(huán)式支承環(huán)式(slidding ring girder support)：在支墩處：在支墩處管身四周加剛性支承環(huán)。摩管身四周加剛性支承環(huán)。摩擦力小，支承部位受力較均擦力小，支承部位受力較均勻，勻，D2m。(3) 擺動式擺動式(rocking ring girder support)l 在支承環(huán)與墩座之間設(shè)一擺動短柱。摩擦系數(shù)在支承環(huán)與墩座之間設(shè)一擺動短柱。摩擦系數(shù)f f很小，適很小，適用于大直徑管道。用于大直徑管道。 三、鎮(zhèn)墩三、鎮(zhèn)墩(anchor block)1.1. 功用：固定鋼管，承受因水管改變方向而產(chǎn)生的功用：固定鋼管，承受因水管改變方向而產(chǎn)生的軸向不平衡力。水管在此處不產(chǎn)生任何位

18、移。軸向不平衡力。水管在此處不產(chǎn)生任何位移。2.2. 布置：在水管轉(zhuǎn)彎處，直線段不超過布置：在水管轉(zhuǎn)彎處，直線段不超過150m。3.3. 類型：一般由混凝土澆制，靠自重維持穩(wěn)定。類型：一般由混凝土澆制，靠自重維持穩(wěn)定。 封閉式：應(yīng)用廣泛。結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)約鋼村，固定效果封閉式：應(yīng)用廣泛。結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)約鋼村，固定效果好。好。 開敞式：采用較少。易于檢修，但受力不均勻。開敞式：采用較少。易于檢修，但受力不均勻。 三、鎮(zhèn)墩(anchor block) 封閉式封閉式 開敞式開敞式 三、鎮(zhèn)墩(anchor block)4 4、設(shè)計、設(shè)計l 荷載見表荷載見表8-3，P126。根據(jù)管道的滿水、放空、溫。根據(jù)管道

19、的滿水、放空、溫升、溫降等情況，找出最不利的荷載組合。升、溫降等情況，找出最不利的荷載組合。l 設(shè)計內(nèi)容包括抗滑穩(wěn)定、地基應(yīng)力校核、細部構(gòu)設(shè)計內(nèi)容包括抗滑穩(wěn)定、地基應(yīng)力校核、細部構(gòu)造設(shè)計。造設(shè)計。l 一般由混凝土澆制，靠自重維持穩(wěn)定。一般由混凝土澆制，靠自重維持穩(wěn)定。 四、鋼管上的閘門、閥門和附件四、鋼管上的閘門、閥門和附件1 1、閘門及閥門、閘門及閥門l 壓力管道進口設(shè)快速閘門壓力管道進口設(shè)快速閘門( (事故門事故門)()(在前池、在前池、調(diào)壓室、水庫等位置調(diào)壓室、水庫等位置) )。l 對于聯(lián)合供水或分組供水的管道，在水輪機進對于聯(lián)合供水或分組供水的管道，在水輪機進口前應(yīng)設(shè)快速閥門口前應(yīng)設(shè)快

20、速閥門( (事故閥事故閥) )，其型式有蝴蝶閥、，其型式有蝴蝶閥、球閥。小型水電站有時用平板閥。球閥。小型水電站有時用平板閥。四、鋼管上的閘門、閥門和附件四、鋼管上的閘門、閥門和附件(1) (1) 蝴蝶閥蝴蝶閥(Butterfly Valve)(Butterfly Valve)l 優(yōu)點：啟閉力小，操作方便優(yōu)點：啟閉力小，操作方便迅速，體積小迅速，體積小, ,重量輕，造重量輕，造價低。價低。l 缺點：開啟狀態(tài)時，閥體對缺點：開啟狀態(tài)時，閥體對水流有擾動，水頭損失較大；水流有擾動，水頭損失較大；關(guān)閉狀態(tài)止水不嚴(yán)。關(guān)閉狀態(tài)止水不嚴(yán)。l 動水中關(guān)閉，在靜水中開啟動水中關(guān)閉，在靜水中開啟 四、鋼管上的閘

21、門、閥門和附件四、鋼管上的閘門、閥門和附件(2) (2) 球閥：球形外殼球閥：球形外殼+ +可旋轉(zhuǎn)的圓筒形可旋轉(zhuǎn)的圓筒形閥體閥體+ +附件。附件。l 優(yōu)點：開啟狀態(tài)時沒有水頭損失，優(yōu)點：開啟狀態(tài)時沒有水頭損失，止水嚴(yán)密，能承受高壓。止水嚴(yán)密，能承受高壓。l 缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸和重量大，缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸和重量大，造價高。造價高。l 適用：高水頭電站。適用：高水頭電站。世世界界上上最最大大的的球球閥閥 四、鋼管上的閘門、閥門和附件四、鋼管上的閘門、閥門和附件2 2、伸縮節(jié)、伸縮節(jié)(expansion (expansion joint)joint) l 功用：消除溫度應(yīng)功用：消除溫度應(yīng)力，且適

22、應(yīng)少量的力，且適應(yīng)少量的不均勻沉陷不均勻沉陷 l 位置：常在上鎮(zhèn)墩位置：常在上鎮(zhèn)墩的下游側(cè)的下游側(cè) l 伸縮節(jié)的型式較多，伸縮節(jié)的型式較多，常見的幾種見下頁常見的幾種見下頁圖。圖。伸縮節(jié)(a)套筒式伸縮節(jié)套筒式伸縮節(jié) (b)波紋密封套筒式伸縮節(jié)波紋密封套筒式伸縮節(jié)(c)壓蓋式限拉伸縮節(jié)壓蓋式限拉伸縮節(jié) (d)波紋管伸縮節(jié)波紋管伸縮節(jié)伸縮節(jié)動畫 四、鋼管上的閘門、閥門和附件四、鋼管上的閘門、閥門和附件 3 3、 通氣閥通氣閥 作用：當(dāng)閥門緊急關(guān)閉時，向管內(nèi)充氣，以消除管中負(fù)壓；作用：當(dāng)閥門緊急關(guān)閉時，向管內(nèi)充氣，以消除管中負(fù)壓；水管充水時，排出管中空氣水管充水時，排出管中空氣 位置：閥門之后位置

23、：閥門之后 4 4、 進人孔進人孔 作用：檢修鋼管；位置：鋼管上方；直徑：作用：檢修鋼管；位置：鋼管上方；直徑：50cm50cm左右左右, ,間距間距100100m m 。 5 5、 旁通閥及排水設(shè)備旁通閥及排水設(shè)備l 旁通閥：旁通閥：設(shè)在水輪機進水閥門處；作用：閥門前后平壓后設(shè)在水輪機進水閥門處；作用：閥門前后平壓后開啟，以減小啟閉力。開啟，以減小啟閉力。l 排水管：排水管：水管的最低點應(yīng)設(shè)置；作用：在檢修水管時用于水管的最低點應(yīng)設(shè)置；作用：在檢修水管時用于排出管中的積水和滲漏水排出管中的積水和滲漏水第六節(jié)第六節(jié) 明鋼管的管身應(yīng)力分析明鋼管的管身應(yīng)力分析l結(jié)構(gòu)設(shè)計狀況：結(jié)構(gòu)設(shè)計狀況：持久狀況

24、、短暫狀況、偶然狀況持久狀況、短暫狀況、偶然狀況l三種設(shè)計狀況均應(yīng)進行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計。三種設(shè)計狀況均應(yīng)進行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計。l持久狀況還應(yīng)進行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計，短暫狀況可持久狀況還應(yīng)進行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計，短暫狀況可根據(jù)需要進行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計。根據(jù)需要進行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計。l承載能力極限狀態(tài)：承載能力極限狀態(tài)：指鋼管結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，或達到最大承指鋼管結(jié)構(gòu)或構(gòu)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。變形。l正常使用極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)：鋼管結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到正常使用或耐：鋼管結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到正常使用

25、或耐久性能的某項規(guī)定限值。久性能的某項規(guī)定限值。第六節(jié)第六節(jié) 明鋼管的管身應(yīng)力分析明鋼管的管身應(yīng)力分析l 結(jié)構(gòu)設(shè)計狀況分為結(jié)構(gòu)設(shè)計狀況分為持久狀況、短暫狀況和偶然狀況持久狀況、短暫狀況和偶然狀況三種。三種。l 三種設(shè)計狀況均應(yīng)進行三種設(shè)計狀況均應(yīng)進行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計承載能力極限狀態(tài)設(shè)計。l 持久狀況還應(yīng)進行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計；持久狀況還應(yīng)進行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計；l 短暫狀況可根據(jù)需要進行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計；短暫狀況可根據(jù)需要進行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計；l 偶然狀況可不進行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計。偶然狀況可不進行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計。l 承載能力極限狀態(tài)承載能力極限狀態(tài)，是指鋼管結(jié)構(gòu)或構(gòu)件

26、，或達到最大承，是指鋼管結(jié)構(gòu)或構(gòu)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；形；l 正常使用極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)，是鋼管結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到正常使用或耐，是鋼管結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值。久性能的某項規(guī)定限值。l 按照設(shè)計規(guī)范要求，明鋼管要求進行承載能力極按照設(shè)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(nèi)容包括：限狀態(tài)驗算，其內(nèi)容包括：l 主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力計算，管壁和加勁環(huán)的承載能力計算，管壁和加勁環(huán)的抗外壓穩(wěn)定計算。抗外壓穩(wěn)定計算。l 如有必要應(yīng)進行鎮(zhèn)墩和支墩抗傾、抗滑及

27、抗浮驗如有必要應(yīng)進行鎮(zhèn)墩和支墩抗傾、抗滑及抗浮驗算；算；l 如有抗震要求，還應(yīng)進行抗震承載能力計算如有抗震要求，還應(yīng)進行抗震承載能力計算一、荷載計算及其分項系數(shù)一、荷載計算及其分項系數(shù)l 按荷載的作用方向可以將其分為按荷載的作用方向可以將其分為軸向力、徑向力軸向力、徑向力和法向力。和法向力。 每種荷載都有其不同的作用分載系數(shù)，見表每種荷載都有其不同的作用分載系數(shù)，見表8-28-2。l 作用在明鋼管上的各種作用力計算公式及作用方作用在明鋼管上的各種作用力計算公式及作用方向見表向見表8-38-3，但風(fēng)荷載、雪荷載、地震荷載等需查，但風(fēng)荷載、雪荷載、地震荷載等需查閱閱水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范水工建筑物

28、荷載設(shè)計規(guī)范。 二、荷載組合二、荷載組合 l 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)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，進行相應(yīng)的作用效應(yīng)組合，計狀況下可能同時出現(xiàn)的作用，進行相應(yīng)的作用效應(yīng)組合，對明鋼管要求的組合見表對明鋼管要求的組合見表8-4。 表表8-4 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 第七節(jié)第七節(jié) 管身應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計管身應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計 鋼管管壁厚度估算鋼管管壁厚度估算l 鍋爐公式初擬管壁厚度鍋爐公式初擬管壁厚度l 根據(jù)規(guī)范要求，焊縫系數(shù)根據(jù)規(guī)范要求，焊

29、縫系數(shù)一般取為一般取為0.90.95，允許應(yīng)力取，允許應(yīng)力取鋼管材料允許應(yīng)力的鋼管材料允許應(yīng)力的75% 85%?？紤]鋼管運行期間的銹蝕、?？紤]鋼管運行期間的銹蝕、磨損及鋼板厚度誤差，磨損及鋼板厚度誤差， 實際實際=+2mm（銹蝕厚度）（銹蝕厚度）l 在實際工程中，考慮到制造、運輸、安裝等條件，必須保在實際工程中，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持一定的剛度，因而需要限制管壁的最小厚度min。min一一般取為般取為D/800+4(mm)，且不宜小于，且不宜小于6 mm 22HDPD一、管身應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計一、管身應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計1 1、四個基本斷面

30、、四個基本斷面 一、管身應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計一、管身應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計一般情況下，最后一跨的應(yīng)力最大。根據(jù)受力特點常選四個一般情況下，最后一跨的應(yīng)力最大。根據(jù)受力特點常選四個斷面進行應(yīng)力分析。斷面進行應(yīng)力分析。l 跨中斷面跨中斷面1 11:1:只有彎距作用，且彎距最大只有彎距作用，且彎距最大, ,無局部應(yīng)力無局部應(yīng)力受力最簡單；受力最簡單；l 支承環(huán)旁管壁膜應(yīng)力區(qū)邊緣，斷面支承環(huán)旁管壁膜應(yīng)力區(qū)邊緣，斷面2 22 2：彎距和剪力共同彎距和剪力共同作用，均按最大值計算，無局部應(yīng)力作用，均按最大值計算，無局部應(yīng)力受力比較簡單；受力比較簡單；l 加勁環(huán)及其旁管壁，斷面加勁環(huán)及其旁管壁，斷面3 33 3：

31、由于加勁環(huán)的約束，存在由于加勁環(huán)的約束，存在局部應(yīng)力；局部應(yīng)力；l 支承環(huán)及其旁管壁，斷面支承環(huán)及其旁管壁，斷面4 44 4：應(yīng)力最復(fù)雜，存在彎距和應(yīng)力最復(fù)雜，存在彎距和剪力剪力( (支承反力支承反力) )的作用，有局部應(yīng)力。的作用，有局部應(yīng)力。( (一一) ) 跨中段面跨中段面(1)-(1)(1)-(1)的管壁應(yīng)力的管壁應(yīng)力 跨中段面屬于膜應(yīng)力區(qū)，其特點是彎矩最大，剪跨中段面屬于膜應(yīng)力區(qū)，其特點是彎矩最大，剪力為零。力為零。 1 1徑向應(yīng)力徑向應(yīng)力 管壁內(nèi)表面管壁內(nèi)表面: : ， “ “-”-”表示壓應(yīng)力。表示壓應(yīng)力。 管壁外表面：管壁外表面： rHr0r( (一一) ) 跨中段面跨中段面(

32、1)-(1)(1)-(1)的管壁應(yīng)力的管壁應(yīng)力2 2切向切向( (環(huán)向環(huán)向) )應(yīng)力應(yīng)力 設(shè)壓力水管中心處的水頭為設(shè)壓力水管中心處的水頭為H H，而水管軸線與水平面的夾，而水管軸線與水平面的夾角為角為，則在管壁中任意一點，則在管壁中任意一點( (該點半徑與管頂半徑的夾該點半徑與管頂半徑的夾角為角為) )的水頭為的水頭為coscosrH 壓力壓力管道水壓力分布及管壁微圓弧的受力平衡圖管道水壓力分布及管壁微圓弧的受力平衡圖推導(dǎo)出管壁中的切向拉力推導(dǎo)出管壁中的切向拉力T T 和切向應(yīng)力和切向應(yīng)力1)coscos(rHrTcoscos11rHrT)coscos1 (HrrP( (一一) ) 跨中段面跨

33、中段面(1)-(1)(1)-(1)的管壁應(yīng)力的管壁應(yīng)力( (一一) ) 跨中段面跨中段面(1)-(1)(1)-(1)的管壁應(yīng)力的管壁應(yīng)力3 3軸向應(yīng)力軸向應(yīng)力 = =法向力引起的軸向彎曲應(yīng)力法向力引起的軸向彎曲應(yīng)力 + +軸向作用力軸向作用力引起的軸向應(yīng)力引起的軸向應(yīng)力 x1x2x法法向向力力引引起起的的彎彎矩矩和和剪剪力力 ( (一一) ) 跨中段面跨中段面(1)-(1)(1)-(1)的管壁應(yīng)力的管壁應(yīng)力(1) (1) 法向力作用引起的管壁軸向應(yīng)力法向力作用引起的管壁軸向應(yīng)力 l M水重和管重的法向分力作用下連續(xù)梁的彎矩；水重和管重的法向分力作用下連續(xù)梁的彎矩；l W連續(xù)梁連續(xù)梁(空心圓環(huán)空

34、心圓環(huán))的斷面模數(shù)，的斷面模數(shù)， (2) (2) 軸向力引起的軸向應(yīng)力軸向力引起的軸向應(yīng)力 在軸向力的合力在軸向力的合力A作用下，管壁中產(chǎn)生的軸向應(yīng)力為，作用下，管壁中產(chǎn)生的軸向應(yīng)力為，管壁的斷面積為管壁的斷面積為F，則，則 coscos21rMWMx1x2rW 2xDAFAx2 ( (二二) (2)-(2) ) (2)-(2) 斷面的管壁應(yīng)力斷面的管壁應(yīng)力l (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，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(rèn)為即不考慮支承環(huán)對管壁的約束作用。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

35、相等。該斷面的彎矩和剪力與支承環(huán)斷面相等。l 跨中斷面和支承環(huán)斷面的管道彎矩大小相等，方向相反，跨中斷面和支承環(huán)斷面的管道彎矩大小相等，方向相反，支承環(huán)處存在剪力支承環(huán)處存在剪力V。所以在垂直于管道軸線的橫斷面上。所以在垂直于管道軸線的橫斷面上剪應(yīng)力的計算公式為剪應(yīng)力的計算公式為 rVbJVSRxsin( (二二) (2)-(2) ) (2)-(2) 斷面的管壁應(yīng)力斷面的管壁應(yīng)力式中式中 V管重和水重的法向分力作用下連續(xù)梁的剪力；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，計算點以上管壁環(huán)形截面積對重心軸的靜矩， ； b受剪截面寬度，受剪截面寬度， ；

36、 J截面慣性矩，截面慣性矩， 。l 當(dāng)當(dāng)=0(管道頂部管道頂部)和和=180(管道底部管道底部)時，時， =0；當(dāng)；當(dāng)=90(管道側(cè)面中點管道側(cè)面中點)時，達到最大值時，達到最大值 l 斷面斷面(2)-(2)的其他正應(yīng)力的其他正應(yīng)力r、和和x均與斷面均與斷面(1)-(1)相等，但相等，但符號不盡相同符號不盡相同 sin22rSR2b338rDJxFVx2 2-2斷面圖形( (三三) ) 加勁環(huán)及其旁管壁，斷面加勁環(huán)及其旁管壁，斷面(3)-(3)(3)-(3)的管壁應(yīng)力的管壁應(yīng)力 ( (四四) ) 支承環(huán)及其旁管壁，斷面支承環(huán)及其旁管壁，斷面(4)(4)(4)(4)的管壁應(yīng)力的管壁應(yīng)力 l 支承

37、環(huán)由于承擔(dān)管重和水重法向力支承環(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。，從而在支承環(huán)內(nèi)產(chǎn)生附加應(yīng)力。 1支承環(huán)的支承方式支承環(huán)的支承方式 側(cè)支承和下支承兩種形式。側(cè)支承和下支承兩種形式。圖中點劃線為支承環(huán)有效截面重心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，支墩支承點至支承環(huán)截面有效重心軸距離為軸距離為b，支承反力為，支承反力為 。l 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。根據(jù)分析，在設(shè)計時取析

38、，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，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。近相等，則鋼材性能得到最充分的發(fā)揮。cos2Q( (四四) ) 支承環(huán)及其旁管壁，斷面支承環(huán)及其旁管壁，斷面(4)(4)(4)(4)的管壁應(yīng)力的管壁應(yīng)力支承環(huán)支承方式支承環(huán)支承方式 ( (四四) ) 支承環(huán)及其旁管壁，斷面支承環(huán)及其旁管壁，斷面(4)(4)(4)(4)的管壁應(yīng)力的管壁應(yīng)力 2 支承環(huán)所承受的荷載支承環(huán)所承受的荷載 (1)管重和水重法向分力產(chǎn)生的剪力；管重和水重法向分力產(chǎn)生的剪力； 管重和水重在支承環(huán)兩側(cè)管壁上產(chǎn)生的剪應(yīng)力均管重和水重在支承環(huán)兩側(cè)管壁上

39、產(chǎn)生的剪應(yīng)力均為為 ， 因此沿管壁圓周單位長度上作用在支承環(huán)上的剪力為因此沿管壁圓周單位長度上作用在支承環(huán)上的剪力為 (2) 支墩兩側(cè)的反力支墩兩側(cè)的反力0.5Q，鋼管一般都是傾斜布置，支承反，鋼管一般都是傾斜布置，支承反力為力為 ； (3) 支承環(huán)自重，但相對較小，可以不計。支承環(huán)自重，但相對較小，可以不計。cossin12rQSxxcos5 .0Qcossin2 rQx( (四四) ) 支承環(huán)及其旁管壁，斷面支承環(huán)及其旁管壁，斷面(4)(4)(4)(4)的管壁應(yīng)力的管壁應(yīng)力3支承環(huán)內(nèi)力計算支承環(huán)內(nèi)力計算l 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行。支承環(huán)的內(nèi)力計算常采用結(jié)構(gòu)力學(xué)中

40、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)，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?？捎脧椥灾行姆ㄓ嬎阒С协h(huán)上各點的內(nèi)力。l 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)各斷面上的彎矩圓環(huán)各斷面上的彎矩MR、剪力、剪力TR和軸力和軸力NR。 ( (四四) ) 支承環(huán)及其旁管壁，斷面支承環(huán)及其旁管壁，斷面(4)(4)(4)(4)的管壁應(yīng)力的管壁應(yīng)力支承環(huán)計算簡圖支承環(huán)計算簡圖 b=0.04R時支承環(huán)內(nèi)力圖時支承環(huán)內(nèi)力圖圖中彎矩畫在受拉一邊，正的圖中彎矩畫在受拉一邊

41、，正的MR表示支承環(huán)外側(cè)受拉，正的表示支承環(huán)外側(cè)受拉，正的NR表示拉力，正的表示拉力，正的TR方向如方向如。( (四四) ) 支承環(huán)及其旁管壁，斷面支承環(huán)及其旁管壁，斷面(4)(4)(4)(4)的管壁應(yīng)力的管壁應(yīng)力l 計算出支承反力產(chǎn)生的彎矩計算出支承反力產(chǎn)生的彎矩MR、軸力、軸力NR和剪力和剪力TR后，它后，它們所產(chǎn)生的應(yīng)力分別為們所產(chǎn)生的應(yīng)力分別為FNR3aJSTRRRrRRRRRWMJZM4ZR計算點與重心軸的距離；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；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；支承環(huán)有效截面對重心軸的面積矩；SR支承環(huán)有效截

42、面上，計算點以外部分對重心軸的靜矩；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；支承環(huán)腹板厚度；F支承環(huán)有效截面積，包括管壁等效翼緣支承環(huán)有效截面積，包括管壁等效翼緣 ( (四四) ) 支承環(huán)及其旁管壁，斷面支承環(huán)及其旁管壁，斷面(4)(4)(4)(4)的管壁應(yīng)力的管壁應(yīng)力斷面斷面(4)-(4)(4)-(4)各應(yīng)力的方向和分布各應(yīng)力的方向和分布 二、管身應(yīng)力分析強度校核強度校核l 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)按強度理論進行校核。如果不滿足強度要求，則重新調(diào)整管度理論進行校核。如果不滿足強度要求，則重新調(diào)整管壁

43、厚度和支墩間距，再重新計算，直到滿足強度條件。壁厚度和支墩間距，再重新計算，直到滿足強度條件。目前多采用第四強度理論目前多采用第四強度理論l 目前電力行業(yè)規(guī)范采用極限強度理論驗算鋼管的強度，各目前電力行業(yè)規(guī)范采用極限強度理論驗算鋼管的強度，各項荷載給出分項系數(shù)，驗算承載能力極限狀態(tài)項荷載給出分項系數(shù)，驗算承載能力極限狀態(tài) )( 3222222rxxrrrxxrx3222xxx二、管身應(yīng)力分析外壓穩(wěn)定校核外壓穩(wěn)定校核1.1.明鋼管外壓失穩(wěn)的原因及失穩(wěn)現(xiàn)象明鋼管外壓失穩(wěn)的原因及失穩(wěn)現(xiàn)象l 機組運行過程中由于負(fù)荷變化產(chǎn)生負(fù)水擊，而使管道內(nèi)產(chǎn)機組運行過程中由于負(fù)荷變化產(chǎn)生負(fù)水擊，而使管道內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓；生

44、負(fù)壓；l 管道放空時通氣孔失靈，而在管道內(nèi)產(chǎn)生真空。管道放空時通氣孔失靈，而在管道內(nèi)產(chǎn)生真空。l 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。能喪失穩(wěn)定，管壁被壓癟。外壓穩(wěn)定校核外壓穩(wěn)定校核2.光滑管段的穩(wěn)定性光滑管段的穩(wěn)定性當(dāng)外壓力當(dāng)外壓力P增加到臨界壓力增加到臨界壓力Pcr時，鋼管管壁就喪失穩(wěn)定。時，鋼管管壁就喪失穩(wěn)定。臨界壓力臨界壓力Pcr為為 為了安全起見，引入安全系數(shù)為了安全起見，引入安全系數(shù)K，要求：，要求：PcrKP。 取取K=2.0，P=0.1MPa，鋼材的彈性模量，鋼材的彈性模量E=2105MPa

45、, 略去略去2，則得到光滑鋼管段不失穩(wěn)的條件為，則得到光滑鋼管段不失穩(wěn)的條件為32233)1 (2)1 (123DEErPcr130D 外壓穩(wěn)定校核外壓穩(wěn)定校核3、加勁鋼管的外壓穩(wěn)定、加勁鋼管的外壓穩(wěn)定l 如按上述要求，管徑太大時管壁太厚無法加工，因此可采如按上述要求，管徑太大時管壁太厚無法加工，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。用在管壁上增加加勁環(huán)以提高管壁剛度的措施。 (1) (1) 加勁環(huán)之間的管壁外壓穩(wěn)定性加勁環(huán)之間的管壁外壓穩(wěn)定性2222222332222221121)1 (121) 1(rLnnnrErLnnrEPcr4/12/174. 2rLrn也可以用查圖表的方

46、法求臨界壓力。 外壓穩(wěn)定校核外壓穩(wěn)定校核(2) 加勁環(huán)斷面的外壓穩(wěn)定加勁環(huán)斷面的外壓穩(wěn)定l 兩個要求兩個要求加勁環(huán)斷面本身不失穩(wěn)加勁環(huán)斷面本身不失穩(wěn)加勁環(huán)斷面的壓應(yīng)力小于材料的允許值加勁環(huán)斷面的壓應(yīng)力小于材料的允許值。 l 按光滑管的公式計算，但是等式右邊應(yīng)該除以加勁環(huán)的間按光滑管的公式計算，但是等式右邊應(yīng)該除以加勁環(huán)的間距距L，其他參數(shù)用加勁環(huán)有效斷面計算，其他參數(shù)用加勁環(huán)有效斷面計算。 LREJKPPkcr33三、鎮(zhèn)墩和支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計( (一一) )鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)分析鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)分析l 鎮(zhèn)墩承受明管傳遞來的軸向力、剪力、彎矩等荷載，其中鎮(zhèn)墩承受明管傳遞來的軸向力、剪力、彎矩等荷載，其中軸向力為主要外荷

47、載。軸向力為主要外荷載。l 鎮(zhèn)墩必須以其自重來平衡外荷載，以滿足抗滑動和抗傾覆鎮(zhèn)墩必須以其自重來平衡外荷載，以滿足抗滑動和抗傾覆穩(wěn)定和地基承載能力等要求。穩(wěn)定和地基承載能力等要求。 1 1、作用力分析、作用力分析 求出作用于明鋼管而傳到鎮(zhèn)墩上的各種力，并按照溫升求出作用于明鋼管而傳到鎮(zhèn)墩上的各種力，并按照溫升情況下鋼管充水運行、鋼管放空和溫降情況下鋼管充水運情況下鋼管充水運行、鋼管放空和溫降情況下鋼管充水運行、鋼管放空等進行最不利的組合。行、鋼管放空等進行最不利的組合。三、鎮(zhèn)墩和支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計 2、求軸向力分量、求軸向力分量 設(shè)設(shè) x軸水平順?biāo)较驗檎?。軸水平順?biāo)较驗檎?。y軸垂直向下為正，軸垂

48、直向下為正， 水管軸線交點為坐標(biāo)原點。水管軸線交點為坐標(biāo)原點。 求出軸向力總和在求出軸向力總和在x和和 y軸下的分力：軸下的分力： coscosAAXXX sinsinAAYYY三、鎮(zhèn)墩和支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計3、擬定鎮(zhèn)墩尺寸、擬定鎮(zhèn)墩尺寸l 鎮(zhèn)墩的尺寸應(yīng)能夠?qū)摴艿霓D(zhuǎn)彎段完全包住。鎮(zhèn)墩上游面鎮(zhèn)墩的尺寸應(yīng)能夠?qū)摴艿霓D(zhuǎn)彎段完全包住。鎮(zhèn)墩上游面為使鋼管受力均勻而垂直管軸，管道的外包混凝士厚度不為使鋼管受力均勻而垂直管軸，管道的外包混凝士厚度不宜小于管徑的宜小于管徑的0.40.8倍。為維護、檢修方便，管道底距地倍。為維護、檢修方便，管道底距地面不宜小于面不宜小于0.6m。在土基上的鎮(zhèn)墩，底面常做成水平。在土

49、基上的鎮(zhèn)墩，底面常做成水平。 l 鎮(zhèn)墩地基應(yīng)堅實、穩(wěn)定、可靠。在嚴(yán)寒地區(qū)，鎮(zhèn)墩埋深應(yīng)鎮(zhèn)墩地基應(yīng)堅實、穩(wěn)定、可靠。在嚴(yán)寒地區(qū)，鎮(zhèn)墩埋深應(yīng)在冰凍線以下在冰凍線以下1m，對巖基不少于，對巖基不少于0.5m。地震區(qū)應(yīng)將鎮(zhèn)墩。地震區(qū)應(yīng)將鎮(zhèn)墩較深地埋入地基中并適當(dāng)加大基礎(chǔ)面，同時減小鎮(zhèn)墩間距。較深地埋入地基中并適當(dāng)加大基礎(chǔ)面，同時減小鎮(zhèn)墩間距。l 根據(jù)結(jié)構(gòu)上的要求擬定出尺寸后，求出鎮(zhèn)墩的重心位置及根據(jù)結(jié)構(gòu)上的要求擬定出尺寸后，求出鎮(zhèn)墩的重心位置及其重量其重量G。 三、鎮(zhèn)墩和支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計 4、求合力作用點及偏心距、求合力作用點及偏心距 利用圖解法或數(shù)解法求利用圖解法或數(shù)解法求G及及A的合力作用點位置及偏心距

50、的合力作用點位置及偏心距e。應(yīng)保證。應(yīng)保證e在鎮(zhèn)墩底寬的二分點以內(nèi)。在鎮(zhèn)墩底寬的二分點以內(nèi)。 5、抗滑穩(wěn)定校核、抗滑穩(wěn)定校核 抗滑穩(wěn)定應(yīng)符合下式要求：抗滑穩(wěn)定應(yīng)符合下式要求：l ccKXGYfK三、鎮(zhèn)墩和支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計6、地基承載能力校核、地基承載能力校核 要求地基上均為壓應(yīng)力，且最大值不超過地基的容許值要求地基上均為壓應(yīng)力，且最大值不超過地基的容許值R?？砂雌氖軌汗接嬎愕鼗鶓?yīng)力。可按偏心受壓公式計算地基應(yīng)力。 要求最大值要求最大值maxR，最小值，最小值min0，不應(yīng)出現(xiàn)負(fù)值，不應(yīng)出現(xiàn)負(fù)值 (二二) 支墩結(jié)構(gòu)分析支墩結(jié)構(gòu)分析 支墩承受管重和管內(nèi)水重的法向分力與鎮(zhèn)墩相似。主要內(nèi)支墩承受管重和

51、管內(nèi)水重的法向分力與鎮(zhèn)墩相似。主要內(nèi)容也是抗滑、抗傾覆穩(wěn)定及地基承載力校核容也是抗滑、抗傾覆穩(wěn)定及地基承載力校核 RBeLBGY61.四、地面壓力鋼管的設(shè)計步驟四、地面壓力鋼管的設(shè)計步驟1 1、線路選擇：選擇幾個方案，進行技術(shù)經(jīng)濟比較。、線路選擇：選擇幾個方案，進行技術(shù)經(jīng)濟比較。2 2、管徑確定：通過動能經(jīng)濟比較，確定經(jīng)濟直徑。、管徑確定：通過動能經(jīng)濟比較，確定經(jīng)濟直徑。3 3、管道布置及附件設(shè)計：鎮(zhèn)墩、支墩、伸縮節(jié)、進人孔、管道布置及附件設(shè)計：鎮(zhèn)墩、支墩、伸縮節(jié)、進人孔、閥門閥門4 4、水力計算：、水力計算： (1)(1)恒定流：確定鋼管在不同流量下的水頭損失恒定流：確定鋼管在不同流量下的水

52、頭損失 (2)(2)非恒定流：水電站在工況發(fā)生變化時，鋼管的水擊非恒定流：水電站在工況發(fā)生變化時，鋼管的水擊壓力。壓力。四、地面壓力鋼管的設(shè)計步驟四、地面壓力鋼管的設(shè)計步驟5 5、壓力鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計、壓力鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(1)(1)初步擬定管壁厚度初步擬定管壁厚度( (考慮銹蝕厚度考慮銹蝕厚度) )；(2)(2)根據(jù)管壁厚度用光滑管外壓穩(wěn)定計算公式進行外壓穩(wěn)定根據(jù)管壁厚度用光滑管外壓穩(wěn)定計算公式進行外壓穩(wěn)定校核，如果不穩(wěn)定設(shè)置加勁環(huán)校核，如果不穩(wěn)定設(shè)置加勁環(huán)( (也可用支承環(huán)代替也可用支承環(huán)代替) )，并，并選定其間距；選定其間距；(3)(3)根據(jù)加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定和橫斷面壓應(yīng)力小于允許值的要根據(jù)加勁

53、環(huán)抗外壓穩(wěn)定和橫斷面壓應(yīng)力小于允許值的要求，確定加勁環(huán)的尺寸；求，確定加勁環(huán)的尺寸；(4)(4)進行強度校核，如果不滿足要求則增加管壁厚度或縮小進行強度校核，如果不滿足要求則增加管壁厚度或縮小加勁環(huán)間距。在重復(fù)上面的步驟，直到滿足要求。加勁環(huán)間距。在重復(fù)上面的步驟，直到滿足要求。6 6、校核鎮(zhèn)墩的穩(wěn)定及地基應(yīng)力。、校核鎮(zhèn)墩的穩(wěn)定及地基應(yīng)力。第七節(jié)第七節(jié) 分岔管分岔管okukiyotsu一、分岔管的功用、特點一、分岔管的功用、特點1 1、功用：作用是分配水流。采用聯(lián)合供水或分組供、功用：作用是分配水流。采用聯(lián)合供水或分組供水時，需要設(shè)置分岔管，岔管位于廠房上游側(cè)。水時，需要設(shè)置分岔管，岔管位于廠

54、房上游側(cè)。2 2、特點、特點水流條件較差，引起的水頭損失較大；水流條件較差，引起的水頭損失較大；岔管由薄殼和剛度較大的加強構(gòu)件組成，管壁厚，構(gòu)件岔管由薄殼和剛度較大的加強構(gòu)件組成，管壁厚，構(gòu)件尺寸大，有時需鍛造，焊接工藝要求高，造價較高；尺寸大，有時需鍛造，焊接工藝要求高，造價較高；受力條件差，所承受的靜動水壓力最大，又靠近廠房，受力條件差，所承受的靜動水壓力最大，又靠近廠房，其安全性十分重要。其安全性十分重要。我國已經(jīng)建成的水電站岔管大多數(shù)屬于地下岔管，但大我國已經(jīng)建成的水電站岔管大多數(shù)屬于地下岔管，但大多按明管設(shè)計，即不考慮周圍巖體分擔(dān)荷載。多按明管設(shè)計，即不考慮周圍巖體分擔(dān)荷載。二、岔管

55、的布置形式二、岔管的布置形式l 卜形布置?？v向引近和斜向引進的廠房常采用這卜形布置?？v向引近和斜向引進的廠房常采用這種布置方式。種布置方式。l 對稱對稱Y Y形布置。形布置。l 三岔形布置。三岔形布置。 三、幾種常用的岔管三、幾種常用的岔管1、貼邊式岔管貼邊式岔管l 貼邊式岔管是在卜形布貼邊式岔管是在卜形布置的主、支管相貫線兩置的主、支管相貫線兩側(cè)用補強板加固，補強側(cè)用補強板加固，補強板與管壁焊固形成一個板與管壁焊固形成一個整體。整體。l 補強板剛度較小，不平衡區(qū)的水壓力由補強板和管壁共同補強板剛度較小，不平衡區(qū)的水壓力由補強板和管壁共同承擔(dān)。承擔(dān)。l 常用于中、低水頭卜型布置的地下埋管常用于

56、中、低水頭卜型布置的地下埋管。 三、幾種常用的岔管三、幾種常用的岔管2 2、三梁岔管、三梁岔管l 由相貫線上的兩根由相貫線上的兩根腰梁和一根腰梁和一根U U梁構(gòu)梁構(gòu)成三梁岔成三梁岔l U U梁承受較大的不平梁承受較大的不平衡水壓力，其受力非衡水壓力，其受力非常復(fù)雜。常復(fù)雜。l 適用：內(nèi)壓較高、直徑不大的明管道。適用：內(nèi)壓較高、直徑不大的明管道。 三、幾種常用的岔管三、幾種常用的岔管3、月牙肋岔管、月牙肋岔管l 用一個嵌入管體內(nèi)的用一個嵌入管體內(nèi)的月牙形肋板來代替三月牙形肋板來代替三梁岔管的梁岔管的U梁，并取梁，并取消腰梁。消腰梁。l 在三梁岔管基礎(chǔ)上發(fā)展在三梁岔管基礎(chǔ)上發(fā)展 而來，目前在我國已

57、基本取代了三梁岔管。而來，目前在我國已基本取代了三梁岔管。l 適用：大中型電站。適用：大中型電站。三、幾種常用的岔管4 4、球形岔管、球形岔管l 通過球面體進行分岔，通過球面體進行分岔，由球殼，圓柱形主、支由球殼，圓柱形主、支管以及補強環(huán)和導(dǎo)流板管以及補強環(huán)和導(dǎo)流板等組成。等組成。l 在內(nèi)水壓力作用下，球殼應(yīng)力僅為同直徑管殼環(huán)向應(yīng)力的在內(nèi)水壓力作用下，球殼應(yīng)力僅為同直徑管殼環(huán)向應(yīng)力的一半。一半。l 適用：高水頭大中型電站。是國外采用比較多的一種成熟適用：高水頭大中型電站。是國外采用比較多的一種成熟管型，國內(nèi)應(yīng)用尚少。管型，國內(nèi)應(yīng)用尚少。 三、幾種常用的岔管三、幾種常用的岔管5 5、無梁岔管、無

58、梁岔管l 用直徑較大的錐管和球殼用直徑較大的錐管和球殼沿切線方向銜接，使球殼沿切線方向銜接，使球殼只剩下上下兩個面積不大只剩下上下兩個面積不大的三角形，并在主、支管的三角形，并在主、支管和這些錐管之間插入幾節(jié)和這些錐管之間插入幾節(jié)l 逐漸擴大的過渡段，構(gòu)成一個比較平順的、無太大不連續(xù)接逐漸擴大的過渡段，構(gòu)成一個比較平順的、無太大不連續(xù)接合線的體型，從而形成無梁岔管。合線的體型，從而形成無梁岔管。 l 有發(fā)展前途的管型，能發(fā)揮與圍巖共同受力的優(yōu)點。目前國有發(fā)展前途的管型，能發(fā)揮與圍巖共同受力的優(yōu)點。目前國內(nèi)應(yīng)用較少。內(nèi)應(yīng)用較少。 第八節(jié)第八節(jié) 地下埋管地下埋管(buried penstock )

59、l施工過程：開挖巖洞（清理石渣、支護等）施工過程：開挖巖洞（清理石渣、支護等）安裝鋼管安裝鋼管回填混凝土回填混凝土接處灌漿接處灌漿l大型水電站中應(yīng)用較多大型水電站中應(yīng)用較多地地下下埋埋管管施施工工中中一、地下埋管的布置形式 類型：斜井、豎井、平洞。類型：斜井、豎井、平洞。1.1. 豎井：常用于首部式開發(fā)的地下電站，豎井的豎井：常用于首部式開發(fā)的地下電站，豎井的開挖、鋼管的安裝、混凝土的回填，一般都自開挖、鋼管的安裝、混凝土的回填，一般都自下而上進行。下而上進行。2.2. 斜井：適用于地面和地下廠房，采用得最多。斜井：適用于地面和地下廠房，采用得最多。為了施工出渣方便，傾角大于為了施工出渣方便，

60、傾角大于4545( (自下而上開挖自下而上開挖) )或不小于或不小于3535( (自上而下自上而下) ) 。3.3. 平洞：作為過渡段使用。平洞：作為過渡段使用。 盡量布置在堅固完整的巖體中。盡量布置在堅固完整的巖體中。二、地下埋管的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造二、地下埋管的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造l 回填混凝土的功用是將部分內(nèi)水壓力傳遞給圍巖，必須嚴(yán)回填混凝土的功用是將部分內(nèi)水壓力傳遞給圍巖，必須嚴(yán)格控制混凝土的回填質(zhì)量，尤其是平洞的頂部。格控制混凝土的回填質(zhì)量，尤其是平洞的頂部。l 在圍巖在圍巖/混凝土混凝土/鋼管之間存在縫隙，需要用灌漿進行處理，鋼管之間存在縫隙，需要用灌漿進行處理，壓力不小于壓力不小于0.2MPa。l