3第三章壓力管道總論及明鋼管

第三章壓力管道總論及明鋼管3.1壓力管道的功用和類(lèi)型3.2壓力管道的供水方式和水力計(jì)算3.3壓力鋼管的材料及強(qiáng)度3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造3.5明鋼管線(xiàn)路選擇和布置3.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析3.8明鋼管的抗外壓失穩(wěn)3.9鎮(zhèn)墩和支墩結(jié)構(gòu)分析黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.1壓力管道的功用和類(lèi)型黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.1.1壓力管道的功用與特點(diǎn)作用：將水從水庫(kù)、前池或調(diào)壓室引入水輪機(jī)。特點(diǎn)：坡度陡內(nèi)水壓力大，承受水電站大部分或全部水頭，承受水錘動(dòng)水壓力靠近廠房3.1壓力管道的功用和類(lèi)型黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.1.2壓力管道的類(lèi)型及適用條件1.按管壁材料分類(lèi)(1)鋼管：強(qiáng)度高，抗?jié)B性能好。應(yīng)用：中/高水頭水電站(2)鋼筋混凝土管：造價(jià)低，剛度較大、經(jīng)久耐用，能承受較大外壓，管壁承受拉應(yīng)力能力較差。應(yīng)用：水頭較低的中小型水電站。(3)鋼襯鋼筋混凝土管：應(yīng)用：水頭較高的情況(4)玻璃鋼管：水流摩阻系數(shù)小，重量輕。應(yīng)用：水頭不高、流量較小的中小型水電站。3.1壓力管道的功用和類(lèi)型黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.1.2壓力管道的類(lèi)型及適用條件1.按管壁材料分類(lèi)鋼管管節(jié)鋼筋混凝土管3.1壓力管道的功用和類(lèi)型黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.1.2壓力管道的類(lèi)型及適用條件2.按管道布置方式分類(lèi)（1）地面壓力管道（明管、露天式壓力管道）：露天鋪設(shè)。應(yīng)用：引水式地面廠房。3.1壓力管道的功用和類(lèi)型黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.1.2壓力管道的類(lèi)型及適用條件2.按管道布置方式分類(lèi)（2）地下壓力管道：布置在地面以下成為地下管道。應(yīng)用：電站廠房布置在地下或地形地質(zhì)條件不宜布置成明管時(shí)采用。地下埋管：壓力管道埋入巖體中，內(nèi)水壓力由管壁和周?chē)鷰r體分擔(dān)?；靥罟埽旱孛骈_(kāi)挖溝槽，壓力管道鋪設(shè)在溝槽內(nèi)后，再以土石回填，內(nèi)水壓力全部由管壁承擔(dān)。3.1壓力管道的功用和類(lèi)型黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.1.2壓力管道的類(lèi)型及適用條件2.按管道布置方式分類(lèi)3.1壓力管道的功用和類(lèi)型地下埋管施工中黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.1.2壓力管道的類(lèi)型及適用條件2.按管道布置方式分類(lèi)（3）壩體壓力管道：壩式水電站廠房緊靠壩體布置，壓力管道穿過(guò)壩身成為壩體壓力管道。應(yīng)用：壩后式、壩內(nèi)式、地下式廠房。壩內(nèi)埋管：埋設(shè)于混凝土壩體內(nèi)的壓力管道，常采用鋼管。安裝與大壩施工干擾較大，且影響壩體強(qiáng)度。3.1壓力管道的功用和類(lèi)型黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.1.2壓力管道的類(lèi)型及適用條件3.1壓力管道的功用和類(lèi)型2.按管道布置方式分類(lèi)壩上游面管道：管道大部分位于上游壩體壩面外，僅廠房前較短一段穿過(guò)壩身。壩內(nèi)管線(xiàn)短，壩體應(yīng)力小，對(duì)施工干擾小。管道受上游水壓力的影響。適用：薄拱壩。壩下游面管道(壩后背管)：將壓力鋼管穿過(guò)上部混凝土壩體后布置在下游壩坡上。布置較壩內(nèi)式的稍長(zhǎng)，且管壁要承受全部?jī)?nèi)水壓力，管壁厚度較大，用鋼量多。適用：寬縫重力壩、支墩壩及薄拱壩的壩后式廠房。黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.1.2壓力管道的類(lèi)型及適用條件3.1壓力管道的功用和類(lèi)型2.按管道布置方式分類(lèi)（3）壩體壓力管道壩內(nèi)埋管（傾斜式布置）黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.1.2壓力管道的類(lèi)型及適用條件2.按管道布置方式分類(lèi)（3）壩體壓力管道3.1壓力管道的功用和類(lèi)型平斜式布置平式布置豎直式布置壩內(nèi)埋管黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院傾斜式布置這種布置多用于混凝土重力壩壩后式廠房管軸線(xiàn)近似與壩下游坡平行并盡量靠近下游壩面特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：進(jìn)水口位置較高，承受水壓小，閘門(mén)和啟閉設(shè)備造價(jià)低；管道縱軸與壩體內(nèi)較大的主壓應(yīng)力方向平行，可以減小管道周?chē)鷫误w內(nèi)由壩的荷載所引起的拉應(yīng)力；管道位置高，與壩體施工干擾少。缺點(diǎn)：管道較長(zhǎng)，彎段多。水頭損失和水擊壓力較大。管道與下游壩面之間的混凝土厚度較小，對(duì)壩體承受內(nèi)水壓力不利。3.1壓力管道的功用和類(lèi)型黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院平式和平斜式布置拱壩厚度不大，管徑較大；死水位較低，進(jìn)水口又必須在死水位以下情況。當(dāng)進(jìn)水口高程較高時(shí)，一般用斜管和水輪機(jī)相連當(dāng)壩不高且進(jìn)口高程布置較低時(shí)，鋼管可以水平或接近水平布置，穿過(guò)壩體。特點(diǎn)：管線(xiàn)較短，彎段少，水頭損失和水擊壓力較小，造價(jià)較低；管道在混凝土中埋得較深，可以考慮鋼管和混凝土聯(lián)合受力。壩體受力不好；進(jìn)水口和閘門(mén)設(shè)備投資大，鋼管安裝和混凝土澆筑干擾較大，不利于加快大壩施工3.1壓力管道的功用和類(lèi)型黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院豎直式布置多用于壩內(nèi)式廠房。對(duì)于一些比較薄的拱壩，如果要設(shè)埋管，也可采用豎直式布置。但由于孔口對(duì)壩體有削弱作用，對(duì)拱壩應(yīng)力求避免采用此布置。特點(diǎn)：進(jìn)水口水壓力小，閘門(mén)和啟閉設(shè)備造價(jià)低，對(duì)施工干擾小。管道彎曲大，水頭損失大；壩體受力不好。3.1壓力管道的功用和類(lèi)型黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.1.2壓力管道的類(lèi)型及適用條件3.1壓力管道的功用和類(lèi)型2.按管道布置方式分類(lèi)（3）壩體壓力管道壩上游面管道黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.1.2壓力管道的類(lèi)型及適用條件2.按管道布置方式分類(lèi)（3）壩體壓力管道3.1壓力管道的功用和類(lèi)型壩下游面管道黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.1.2壓力管道的類(lèi)型及適用條件3.1壓力管道的功用和類(lèi)型三、壩體下游面壓力管道（壩后背管）

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始在較高水頭的大型混凝土壩后式水電站中，將壓力管道布置在下游壩面上。壩型包括：重力壩、重力拱壩、拱壩、支墩壩、雙支墩空心重力壩等

優(yōu)點(diǎn)：只有進(jìn)口后一小段管道穿過(guò)壩體，不削弱壩體；對(duì)大壩施工無(wú)干擾；能充分發(fā)揮鋼材的強(qiáng)度。

缺點(diǎn)：管道長(zhǎng)度較大，水頭損失和水擊壓力較大；管道正常運(yùn)行時(shí)受大氣溫度的影響較大。

黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.2壓力管道的供水方式和水力計(jì)算黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.2.1壓力管道的供水方式1.供水方式3.2壓力管道的供水方式和水力計(jì)算單元供水Next聯(lián)合供水分組供水黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院?jiǎn)卧┧颗_(tái)機(jī)組都有一根水管供水。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行方便可靠，一根故障或檢修不影響其他。缺點(diǎn)：費(fèi)材，工程量大，造價(jià)高適用：壩式電站，明管Back3.2壓力管道的供水方式和水力計(jì)算黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院聯(lián)合供水多臺(tái)機(jī)組共用一根總水管。優(yōu)點(diǎn)：機(jī)組多時(shí)水管數(shù)量少，管理方便，較經(jīng)濟(jì)缺點(diǎn)：總管發(fā)生故障或檢修時(shí)，由它供水的機(jī)組都要停止，每臺(tái)機(jī)組都要安設(shè)閥門(mén)以便檢修該機(jī)組時(shí)不影響其他機(jī)組運(yùn)行。適用：水頭較高，流量較小的電站、地下廠房。Back3.2壓力管道的供水方式和水力計(jì)算黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院分組供水由多根水管供水，每根水管同時(shí)向兩臺(tái)以上機(jī)組供水。特點(diǎn)：介于以上兩種供水方式之間。適用：管道較長(zhǎng)，機(jī)組臺(tái)數(shù)較多，需限制管徑過(guò)大的水電站。Back3.2壓力管道的供水方式和水力計(jì)算黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.2.2壓力管道直徑選擇D↓→用材和造價(jià)↓→流速↑→水頭損失和電能損失↑D↑→用材和造價(jià)↑→流速↓→水頭損失和電能損失↓經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較之后才能確定管徑。經(jīng)濟(jì)直徑的選擇3.2壓力管道的供水方式和水力計(jì)算1.經(jīng)驗(yàn)公式（彭德舒公式）式中：為通過(guò)鋼管的最大流量，為電站設(shè)計(jì)水頭。黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院式中：為水輪機(jī)額定出力（kW），為電站設(shè)計(jì)水頭。2.統(tǒng)計(jì)公式

3.經(jīng)濟(jì)流速法（用于初步設(shè)計(jì)或不太重要工程）

3.2.2壓力管道直徑選擇3.2壓力管道的供水方式和水力計(jì)算黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院當(dāng)壓力管道比較長(zhǎng)時(shí)，水電站壓力管道的直徑隨水頭的增高而逐漸減小是經(jīng)濟(jì)合理的，但變徑次數(shù)不宜過(guò)多，通常在鎮(zhèn)墩處變徑并設(shè)漸變段，漸變段應(yīng)包括在鎮(zhèn)墩內(nèi)部。式中：Qd——壓力管道的設(shè)計(jì)流量m3/s

Ve——經(jīng)濟(jì)流速。①明鋼管和地下埋管：4~6m/s；②鋼筋混凝土管：2~4m/s；③壩內(nèi)埋管：水頭在30~70m時(shí)，取3~6m/s，水頭在70~100m時(shí)，取5~7m/s。3.2.2壓力管道直徑選擇3.2壓力管道的供水方式和水力計(jì)算黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.2.3壓力管道的水力計(jì)算恒定流計(jì)算(按水力學(xué)計(jì)算)確定管道的水頭損失(包括沿程和局部)，以供確定水輪機(jī)的工作水頭、選擇裝機(jī)容量、計(jì)算電能和確定管徑之用。非恒定流計(jì)算(七、八、九章內(nèi)容)水錘計(jì)算(N變→Q變→H變)，確定管道中各點(diǎn)的動(dòng)水壓力和變化過(guò)程，為管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)組運(yùn)行提供依據(jù)。也用于確定管線(xiàn)的:(1)正常工作情況最高壓力線(xiàn)；(2)特殊工作情況最高壓力線(xiàn)；(3)最低壓力線(xiàn)。3.2壓力管道的供水方式和水力計(jì)算黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院1.沿程摩阻水頭損失：處于紊流，可按曼寧公式計(jì)算

式中：i——單位管長(zhǎng)的摩阻水頭損失

n——壓力管道糙率

R——壓力管道的水力半徑

V——壓力管道中水體的流速3.2.3壓力管道的水力計(jì)算3.2壓力管道的供水方式和水力計(jì)算黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院2.局部水頭損失進(jìn)口、攔污柵、門(mén)槽、漸變段、彎段、分岔管等部位，按水力學(xué)公式計(jì)算。3.2.3壓力管道的水力計(jì)算3.2壓力管道的供水方式和水力計(jì)算黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.3壓力鋼管的材料及強(qiáng)度3.3.1鋼材性能的基本要求3.3.2允許應(yīng)力和強(qiáng)度校核3.3.3水電站管道鋼材的現(xiàn)狀黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.3壓力鋼管的材料及強(qiáng)度3.3.1鋼材性能的基本要求1.機(jī)械性能機(jī)械性能一般指鋼材的屈服強(qiáng)度σs、抗拉強(qiáng)度σb

、塑性指標(biāo)（斷裂時(shí)的延伸率δ和斷面收縮率ψ）、常規(guī)沖擊韌性ak、斷裂韌性值。屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度是鋼材強(qiáng)度的兩個(gè)特征值，屈服強(qiáng)度是容許使用應(yīng)力的上限，鋼管的工作應(yīng)力不許超過(guò)它。黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.3壓力鋼管的材料及強(qiáng)度3.3.1鋼材性能的基本要求1.機(jī)械性能延伸率是試件破壞時(shí)的相對(duì)變形值，代表材料的塑性性能，普通碳素鋼約為20%-24%。鋼材的脆性破壞和時(shí)效硬化趨向及材料抗重復(fù)荷載和動(dòng)荷載的性能用沖擊韌性表示。沖擊韌性通過(guò)試驗(yàn)確定，其值應(yīng)不小于規(guī)范規(guī)定的值(68.7~78.5N·m/cm2)。

黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.3壓力鋼管的材料及強(qiáng)度3.3.1鋼材性能的基本要求2.工藝性能鋼材的工藝性能主要指輥軋、冷彎、焊接等方面的性能，應(yīng)通過(guò)樣品試驗(yàn)確定。冷彎性能對(duì)于制造鋼管的鋼材特別重要，因?yàn)橹圃熹摴艿幕咀鳂I(yè)是輥軋和彎曲，經(jīng)過(guò)冷作業(yè)的鋼板發(fā)生塑性變形，故發(fā)生冷強(qiáng)，繼而時(shí)效硬化，鋼材變脆。焊接性能指鋼材焊接后的性能，應(yīng)保證焊縫不開(kāi)裂，也不降低焊縫及相鄰母材的機(jī)械性能（如強(qiáng)度、延伸率、沖擊韌性等）。黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.3壓力鋼管的材料及強(qiáng)度3.3.1鋼材性能的基本要求3.化學(xué)成分鋼材的化學(xué)成分直接影響著鋼材強(qiáng)度、延伸率和焊接性能。當(dāng)碳素鋼的含碳量超過(guò)0.22%時(shí)，硬度急劇上升，塑性和沖擊韌性降低，可焊性惡化。硅的存在有同樣的影響，含量應(yīng)限制在0.2%以?xún)?nèi)。稀有金屬鎳和錳能夠提高鋼材的機(jī)械性能。硫增加熱脆性、磷增加冷脆性，硫、磷含量高使鋼材變脆，強(qiáng)度降低。對(duì)以上各種雜質(zhì)必須嚴(yán)格控制。黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.3壓力鋼管的材料及強(qiáng)度3.3.2允許應(yīng)力和強(qiáng)度校核1.允許應(yīng)力[σ]鋼材的強(qiáng)度指標(biāo)一般用屈服強(qiáng)度σs表示。鋼材的容許應(yīng)力[σ]一般用σs除以安全系數(shù)K獲得。不同的荷載組合及不同的內(nèi)力、應(yīng)力特性應(yīng)采用不同的容許應(yīng)力。對(duì)于高強(qiáng)度鋼材，若屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比值（常稱(chēng)屈強(qiáng)比）大于0.67，應(yīng)適當(dāng)降低容許應(yīng)力值。2.強(qiáng)度校核(第四強(qiáng)度理論)

黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.3壓力鋼管的材料及強(qiáng)度3.3.3水電站管道鋼材的現(xiàn)狀1.我國(guó)情況我國(guó)水電站鋼管現(xiàn)在常用的是普通低碳鋼A3鋼（屈服強(qiáng)度σs=235N/mm2）和低合金16Mn鋼（屈服強(qiáng)度σs=345N/mm2）。其次是15MnV鋼和15MnTi鋼（屈服強(qiáng)度σs=390N/mm2）。這類(lèi)鎮(zhèn)靜鋼生產(chǎn)工藝較簡(jiǎn)單，價(jià)格不貴，加工和焊接性能好，但屈服強(qiáng)度低。隨著鋼管參數(shù)的提高，不能滿(mǎn)足工程上的要求。黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院1.我國(guó)情況試用過(guò)15MnMoVCu（σs=490N/mm2）和14MnMoNbB（σs=690N/mm2

，塑性、韌性和可焊性差，熱處理工藝要求復(fù)雜，未列入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有推廣使用。研制出的抗拉強(qiáng)度為600N/mm2級(jí)的裂紋敏感性低的CF(Crackfreesteel)鋼，性能好，但價(jià)格昂貴，極少在水電站鋼管中實(shí)際應(yīng)用。我國(guó)目前尚無(wú)合適制造HD值很大的壓力鋼管用的高強(qiáng)度鋼材。

3.3壓力鋼管的材料及強(qiáng)度3.3.3水電站管道鋼材的現(xiàn)狀CF鋼的特性CF鋼：Crach—freesteel，低裂紋敏感性調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼，抗拉強(qiáng)度590-610Mpa，屈服強(qiáng)度460-490Mpa。我國(guó)產(chǎn)品有：07MnCrMoVR;07MnNiMoVDR;09MnTiCuReDR日本產(chǎn)品：HT-60;HT-70;HT-80黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.3壓力鋼管的材料及強(qiáng)度3.3.3水電站管道鋼材的現(xiàn)狀1.國(guó)外情況水電站鋼管中較多使用高強(qiáng)度鋼材。日本普遍采用抗拉強(qiáng)度為600~800N/mm2的HT-60、HT-70、HT-80高強(qiáng)度鋼制造水電站鋼管。美國(guó)采用同等強(qiáng)度等級(jí)的A517高強(qiáng)度鋼制造水電站鋼管。前蘇聯(lián)采用抗拉強(qiáng)度為700N/mm2等級(jí)的高強(qiáng)度鋼材。

黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院什么是明鋼管？暴露在空氣中的壓力鋼管。在中小型引水式水電站中應(yīng)用廣泛。3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院1.接縫與接頭(1)無(wú)縫鋼管在工廠壓軋成無(wú)縱縫的管節(jié)，運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后用橫向焊縫或法蘭將管節(jié)連成整體。適用：高水頭，小流量的水電站。3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院1.接縫與接頭(2)焊接鋼管由輥卷成圓弧形的鋼板，用縱縫和橫縫焊接而成?？v縫：焊縫交錯(cuò)排列，避開(kāi)兩個(gè)中心軸縱縫與水平軸線(xiàn)和垂直軸線(xiàn)的夾角應(yīng)大于15°3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院1.接縫與接頭(3)箍管在無(wú)縫鋼管或焊接鋼管外套上無(wú)縫鋼環(huán)（鋼箍）而成。特點(diǎn)：管壁和鋼箍共同承受內(nèi)水壓力，以減小管壁厚度。適用：水頭極高的電站。3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院2.彎管和漸縮管（1）彎管：鋼管在水平或豎直方向內(nèi)改變方向時(shí)，需要裝置彎管以保持水流順暢。每一折線(xiàn)段兩端徑向線(xiàn)的夾角以5~7度為宜。夾角越小，水流條件越好。彎管的曲率半徑不宜小于3倍管徑。彎管首尾應(yīng)為半節(jié)，使相鄰管節(jié)在接縫處的相貫線(xiàn)形狀相同。3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造2.彎管和漸縮管（1）彎管黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院2.彎管和漸縮管（2）漸縮管：不同直徑鋼管段連接時(shí)需設(shè)置漸縮管。漸縮管的收縮角不宜過(guò)大，宜采用：θ=10°~16°漸縮管與相鄰管段之間常以橫向焊縫連接。當(dāng)漸縮管與彎管位置相近時(shí)，宜合并成漸縮彎管。分段式鋼管的彎管和漸縮管均須埋于鎮(zhèn)墩中。3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院2.彎管和漸縮管（2）漸縮管3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.加勁環(huán)為提高抗外壓穩(wěn)定，或?yàn)榧訌?qiáng)鋼管制作、安裝時(shí)的剛度，在管外設(shè)置的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。加勁環(huán)常用矩形、T形或槽形的型鋼制作。3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院4.支承環(huán)：鋼管與支座之間起支承、加固作用的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。作用：防止支墩直接接觸管壁，加強(qiáng)支承處鋼管的強(qiáng)度和剛度。支承環(huán)沿管周箍設(shè)，斷面可為工字形、T形、矩形、槽形等。3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院5.分岔管當(dāng)水電站采用聯(lián)合供水或分組供水時(shí)，鋼管進(jìn)入廠房之前必須設(shè)置分岔管。對(duì)稱(chēng)分岔：鋼管為正向進(jìn)水時(shí)多用之。非對(duì)稱(chēng)分岔：側(cè)向和斜向進(jìn)水時(shí)多用之。3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院6.閘門(mén)及閥門(mén)壓力管道進(jìn)口設(shè)快速閘門(mén)(事故門(mén))——在前池、調(diào)壓室、水庫(kù)等位置。對(duì)于聯(lián)合供水或分組供水的管道，在水輪機(jī)進(jìn)口前應(yīng)設(shè)快速閥門(mén)(事故閥)，緊急切斷水流，防止機(jī)組產(chǎn)生飛逸。對(duì)于單元供水的電站，當(dāng)水頭高于120m或管道較長(zhǎng)時(shí)，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，也可設(shè)置主閥。其型式有蝴蝶閥、球閥，小型水電站有時(shí)用平板閥3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院6.閘門(mén)及閥門(mén)（1）蝴蝶閥(ButterflyValve)優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)㈤]力小，操作方便迅速，體積小,重量輕，造價(jià)低。缺點(diǎn)：開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，閥體對(duì)水流有擾動(dòng)，水頭損失較大；關(guān)閉狀態(tài)止水不嚴(yán)。動(dòng)水中關(guān)閉，在靜水中開(kāi)啟3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院蝴蝶閥關(guān)開(kāi)黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院6.閘門(mén)及閥門(mén)（2）球閥：球形外殼+可旋轉(zhuǎn)的圓筒形閥體+附件優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)沒(méi)有水頭損失，止水嚴(yán)密，能承受高壓。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸和重量大，造價(jià)高。適用：高水頭電站。世界上最大的球閥3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院球閥關(guān)開(kāi)黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院6.閘門(mén)及閥門(mén)（3）閘閥：閥體在門(mén)槽中的滑動(dòng)方式與一般的平板閘門(mén)相似。特點(diǎn)：安裝和維修比較簡(jiǎn)單，止水嚴(yán)密，運(yùn)行可靠；但啟閉力大，動(dòng)作緩慢，封水環(huán)易被磨損，也容易產(chǎn)生空蝕現(xiàn)象。適用：只適用于直徑較小的壓力鋼管。3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院7.附件（1）伸縮節(jié)功用：消除溫度應(yīng)力，且適應(yīng)少量的不均勻沉陷位置：常在上鎮(zhèn)墩的下游側(cè)兩鎮(zhèn)墩之間一般要求布置伸縮節(jié)，伸縮節(jié)間距不宜超過(guò)150m。3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院伸縮節(jié)(a)套筒式伸縮節(jié)(b)波紋密封套筒式伸縮節(jié)(c)壓蓋式限拉伸縮節(jié)(d)波紋管伸縮節(jié)黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院7.附件（2）通氣孔和通氣閥作用：當(dāng)閥門(mén)緊急關(guān)閉時(shí)，向管內(nèi)充氣，以消除管中負(fù)壓；水管充水時(shí)，排出管中空氣。即：放空時(shí)補(bǔ)氣，充水時(shí)排氣。位置：閥門(mén)之后當(dāng)進(jìn)水口較深時(shí)，可采用通氣閥，在正常運(yùn)行時(shí)保持關(guān)閉狀態(tài)，發(fā)生負(fù)壓時(shí)開(kāi)啟，自動(dòng)補(bǔ)氣，充水時(shí)自動(dòng)排氣。3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造7.附件（2）通氣孔和通氣閥黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院7.附件（3）進(jìn)人孔和進(jìn)水閥當(dāng)明鋼管很長(zhǎng)時(shí)，為便于觀察和檢修管道內(nèi)部，常在鎮(zhèn)墩上游側(cè)管道上設(shè)置進(jìn)人孔。為便于檢修鋼管時(shí)將管內(nèi)積水排出，通常在壓力鋼管的最低點(diǎn)設(shè)置排水閥。3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造進(jìn)人孔黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院7.附件（4）鋼管的保護(hù)裝置和防腐蝕措施保護(hù)裝置：在鋼管破裂后管內(nèi)流速增大時(shí)能迅速發(fā)出信號(hào)關(guān)閉閘門(mén)，防止事故擴(kuò)大。防腐蝕措施：金屬熱噴涂、涂料保護(hù)、電化學(xué)保護(hù)和涂料聯(lián)合防腐蝕。3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造3.4壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.5明鋼管線(xiàn)路選擇和布置3.5明鋼管線(xiàn)路選擇和布置3.5.1明管線(xiàn)路選擇3.5.2明管布置3.5.3明鋼管敷設(shè)和支承方式黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.5.1明管線(xiàn)路選擇壓力管道路線(xiàn)選擇應(yīng)符合水電站樞紐總體布置要求，并考慮地形、地質(zhì)、水力學(xué)、施工及運(yùn)行等條件，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較之后確定。原則：1.盡可能短而直；2.選擇良好的地形、地質(zhì)條件；3.應(yīng)滿(mǎn)足運(yùn)行安全要求；4.盡量減少管道線(xiàn)路的起伏波折；4.應(yīng)滿(mǎn)足施工要求。3.5明鋼管線(xiàn)路選擇和布置黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院1.壓力管道的引近方式(a)、(b)正向引進(jìn)

(c)、(d)側(cè)向引進(jìn)

(e)斜向引進(jìn)

Next3.5.2明管布置3.5明鋼管線(xiàn)路選擇和布置黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院正向引近管道的軸線(xiàn)與廠房的縱軸線(xiàn)垂直。優(yōu)點(diǎn)：水流平順、水頭損失小，開(kāi)挖量小、交通方便。缺點(diǎn)：鋼管發(fā)生事故時(shí)直接危機(jī)廠房安全。適用：中、低水頭電站。Back3.5明鋼管線(xiàn)路選擇和布置黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院側(cè)向引近管道的軸線(xiàn)與廠房的縱軸線(xiàn)平行。優(yōu)點(diǎn)：避免水流直沖廠房。缺點(diǎn)：水頭損失增加，管材用量增加，開(kāi)挖工程量較大。適用：高、中水頭電站。Back3.5明鋼管線(xiàn)路選擇和布置黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院斜向引近管道的軸線(xiàn)與廠房的縱軸線(xiàn)斜交。特點(diǎn)：介于上述兩者之間適用：分組供水和聯(lián)合供水。Back3.5明鋼管線(xiàn)路選擇和布置黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.5.2明管布置3.5明鋼管線(xiàn)路選擇和布置2.管道高程應(yīng)保證管內(nèi)在運(yùn)行情況下不出現(xiàn)負(fù)壓。布置管線(xiàn)時(shí)，應(yīng)使鋼管頂部至少在最低壓力線(xiàn)以下2m。鋼管底與地面凈距不得小于0.6m，以便于檢修。黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院明鋼管一般敷設(shè)在一系列支墩上，離地面不小于60cm轉(zhuǎn)彎處設(shè)鎮(zhèn)墩，將水管完全固定，相當(dāng)于梁的固定端。水管受力明確，在自重和水重作用下，相當(dāng)于一個(gè)多跨連續(xù)梁。3.5.3明鋼管敷設(shè)和支承方式3.5明鋼管線(xiàn)路選擇和布置黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院1.敷設(shè)方式（1）連續(xù)式明鋼管管身在兩鎮(zhèn)墩之間是連續(xù)的，中間不設(shè)伸縮節(jié)。工程中一般較少用之。3.5.3明鋼管敷設(shè)和支承方式3.5明鋼管線(xiàn)路選擇和布置黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院1.敷設(shè)方式（2）分段式在兩鎮(zhèn)墩之間設(shè)置伸縮節(jié)將鋼管管身分段。鋼管軸線(xiàn)彎轉(zhuǎn)處設(shè)鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩間管段用支墩支承，兩鎮(zhèn)墩間設(shè)伸縮節(jié)。支墩起支承管身的作用。伸縮節(jié)宜設(shè)在靠近鎮(zhèn)墩的下游側(cè)。明鋼管多用之。3.5.3明鋼管敷設(shè)和支承方式3.5明鋼管線(xiàn)路選擇和布置黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院2.鎮(zhèn)墩及其構(gòu)造——承受軸向力鎮(zhèn)墩是保持鋼管段不發(fā)生位移、傾覆和扭轉(zhuǎn)的支承結(jié)構(gòu)物。作用：依靠自身的重量來(lái)固定鋼管承受因鋼管改變方向及管徑變化而產(chǎn)生的軸向不平衡力使鋼管在任何方向均不產(chǎn)生位移和轉(zhuǎn)角3.5.3明鋼管敷設(shè)和支承方式3.5明鋼管線(xiàn)路選擇和布置黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院1.鎮(zhèn)墩及其構(gòu)造鎮(zhèn)墩為重力式結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)為軟基時(shí)，底面宜做成水平；若為巖基，底面宜做成臺(tái)階式。布置：在水管轉(zhuǎn)彎處，直線(xiàn)段超過(guò)150m時(shí)。類(lèi)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(jiǎn)單，節(jié)約鋼村，固定效果好。開(kāi)敞式：采用較少。易于檢修，但受力不均勻。3.5.3明鋼管敷設(shè)和支承方式3.5明鋼管線(xiàn)路選擇和布置黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院2.鎮(zhèn)墩及其構(gòu)造封閉式開(kāi)敞式3.5.3明鋼管敷設(shè)和支承方式3.5明鋼管線(xiàn)路選擇和布置黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.支墩（支座）及其構(gòu)造——支承管、水重在法向的分力功用：承受水重和管重的法向分力。相當(dāng)于連續(xù)梁的滾動(dòng)支承，允許水管在軸向自由移動(dòng)(溫度變化時(shí))。布置：間距L=6~12m，D特別大時(shí)，L取3m。L小→M、Q小→支墩造價(jià)高。兩相鄰鎮(zhèn)墩之間，支墩宜等間距布置，設(shè)伸縮節(jié)的一跨，間距宜縮短。類(lèi)型：滑動(dòng)式、滾動(dòng)式、擺動(dòng)式。Next3.5.3明鋼管敷設(shè)和支承方式3.5明鋼管線(xiàn)路選擇和布置黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院(1)滑動(dòng)支墩鞍式鋼管直接支承在鞍型的混凝土支墩上，包角90~135°結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，摩擦力大，支承部位受力不均勻適用：D<1m無(wú)支承環(huán)及D<2m有支承環(huán)的鋼管。平面滑動(dòng)式在支墩處管身四周加剛性支承環(huán)。摩擦力小，支承部位受力較均勻適用：D=1~3m有支承環(huán)的鋼管。Back3.5明鋼管線(xiàn)路選擇和布置黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院(2)滾動(dòng)支墩在支承環(huán)與墩座之間加圓柱形輥軸，摩擦系數(shù)f小，適用于D>2m。Back3.5明鋼管線(xiàn)路選擇和布置黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院(3)擺動(dòng)支墩在支承環(huán)與墩座之間設(shè)一擺動(dòng)短柱。摩擦系數(shù)f很小，適用于大直徑管道。Back3.5明鋼管線(xiàn)路選擇和布置黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載一、力和荷載的種類(lèi)(一)力和荷載1．內(nèi)水壓力。(1)正常蓄水位的靜水壓力。(2)正常工況最高壓力(正常蓄水位，丟棄全負(fù)荷)(3)特殊工況最高壓力(最高發(fā)電水位，丟棄全負(fù)荷)(4)水壓實(shí)驗(yàn)內(nèi)水壓力，常為設(shè)計(jì)水頭的1.2~1.3倍。2．鋼管結(jié)構(gòu)自重。3．鋼管內(nèi)的滿(mǎn)水重。3.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院4．鋼管充水，放水過(guò)程中，管內(nèi)部分水重。5．由溫度變化引起的力，對(duì)分段敷設(shè)的明鋼管，即伸縮節(jié)和支墩的摩擦力。6．管道直徑變化處，轉(zhuǎn)彎處及作用在悶頭，閘閥，伸縮節(jié)上的水壓力；7．鎮(zhèn)墩、支墩不均勻沉陷引起的力；8．風(fēng)荷載；9．雪荷載；10．施工荷載；11．地震荷載；12．管道放空時(shí)通氣設(shè)備造成的氣壓差；3.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載3.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院一、力和荷載的種類(lèi)(二)荷載的分解1．徑向力：沿管徑方向的作用力（如內(nèi)水壓力）。2．法向力：垂直于管道縱軸方向的作用力。3．軸向力：沿管道縱軸方向的作用力。3.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載3.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院鎮(zhèn)墩鎮(zhèn)墩伸縮節(jié)支墩鋼管閥門(mén)軸向法向徑向3.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載3.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載1.徑向力

內(nèi)水壓力屬于徑向力，是地面式壓力鋼管所承受的最主要的外荷載。當(dāng)管徑D較小，水頭H

較高時(shí)

內(nèi)水壓強(qiáng)為：，式中：H0為靜水頭。若考慮水擊壓力，則可得設(shè)計(jì)鋼管的總內(nèi)水壓強(qiáng)3.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載當(dāng)管徑D較大，水頭H

較低時(shí)，應(yīng)考慮不均勻水壓力設(shè)鋼管縱軸線(xiàn)與水平地面的夾角為則C點(diǎn)的內(nèi)水壓強(qiáng)為A點(diǎn)和B點(diǎn)的內(nèi)水壓強(qiáng)為是否考慮不均勻水壓力的標(biāo)準(zhǔn)為當(dāng)時(shí)，考慮不均勻水壓力。3.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載2.法向力

主要為鋼管自重與水重在垂直于管軸方向上的分力。作用于每一個(gè)支墩上的法向力為式中：為單位長(zhǎng)度鋼管自重；為單位管長(zhǎng)中水重；為支墩間距；為管縱軸線(xiàn)與水平地面的夾角。3.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載3.軸向力（1）鋼管自重的軸向分力（2）作用在閥門(mén)上的軸向力（3）作用在彎管段的軸向力H3.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載（4）水流在轉(zhuǎn)彎處離心力的軸向分力（5）管徑變化處的內(nèi)水壓力（6）伸縮節(jié)處鋼管端面的內(nèi)水壓力3.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載（7）溫度變化時(shí)，伸縮節(jié)止水填料與管壁產(chǎn)生的摩擦力（8）溫度變化時(shí)，支墩與鋼管的摩擦力式中：f為支墩與鋼管的摩擦系數(shù)。鞍式支墩與混凝土摩擦：f=0.6~0.75加鋼墊板：f=0.5；若常加油：f=0.3支承環(huán)式支墩滑動(dòng)式：f=0.3~0.5滾動(dòng)式：f=0.1搖擺式：f=03.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載（9）水流對(duì)管壁產(chǎn)生的摩擦力v式中：hf

為計(jì)算管段的摩擦水頭損失（沿程水頭損失）。

如果鋼管上沒(méi)有伸縮節(jié)，就不會(huì)產(chǎn)生A6、A7、A8三個(gè)軸向力，但由于鋼管完全固定在相鄰兩個(gè)鎮(zhèn)墩中，將產(chǎn)生如下兩個(gè)軸向力。（10）由于鋼管徑向受力變形所引起的軸向力式中：為鋼管的泊松比；為管壁上產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力；為鋼管的斷面積。3.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載（11）由于溫度變化所引起的軸向力式中：為鋼管的線(xiàn)膨脹系數(shù)；E

為鋼管的彈性模量；為溫度變化值。說(shuō)明：1）以上力不會(huì)同時(shí)作用，計(jì)算時(shí)應(yīng)選擇最不利組合；

2）這些軸向力絕大部分都傳到鎮(zhèn)墩上，可以說(shuō)是鎮(zhèn)墩的外荷載，只有少部分由支墩以摩擦力的形式承擔(dān)。3.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院二、計(jì)算工況與荷載組合(一)基本荷載組合1．正常運(yùn)行情況一：(2)+2+3+5+6+7。2．正常運(yùn)行情況二：(1)+2+3+5+6+7+8或9。3．放空情況：12。3.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載3.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載3.6作用在鋼管及墩座上的力和荷載二、計(jì)算工況與荷載組合(二)特殊荷載組合1．特殊運(yùn)行情況：(3)+2+3+5+6+7。2．水壓試驗(yàn)情況：(4)+2+3+6。3．施工情況：2+5+8或9+10。4．充水情況：2+4。5．地震情況：(1)+2+3+5+6+7+11。黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析一、管壁厚度估算

由于地面式壓力鋼管的主要荷載為內(nèi)水壓力，所以根據(jù)內(nèi)水壓力來(lái)初估管壁厚度。取單位管長(zhǎng)，沿任一管徑切取計(jì)算斷面，內(nèi)水壓力產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力，根據(jù)平衡條件得D∴可用代替

由于此式未考慮其它荷載，單用代替是不合理的，一般用乘以K=0.75~0.85的折減系數(shù)代替?？紤]焊縫的強(qiáng)度降低，應(yīng)乘以焊縫系數(shù)φ，φ=0.9~0.95黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院考慮到鋼管管壁厚度的制造誤差以及鋼管運(yùn)行中的磨損和銹蝕，管壁厚度δ應(yīng)比計(jì)算厚度至少增加2mm的厚度欲量；對(duì)泥沙磨損、腐蝕較嚴(yán)重的鋼管，還應(yīng)專(zhuān)門(mén)論證。實(shí)際工程中，對(duì)于不同管徑的管壁最小結(jié)構(gòu)厚度應(yīng)不小于6mm，且同時(shí)滿(mǎn)足下式條件：3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析所以，初估時(shí)

注意：計(jì)算應(yīng)力時(shí)用計(jì)算厚度，計(jì)算荷載時(shí)用結(jié)構(gòu)厚度。（鍋爐公式）

黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析二、鋼管應(yīng)力分析44223311t

明管敷設(shè)在一系列支墩上，支座處的管壁常加支承環(huán)，為保持管壁的抗外壓穩(wěn)定，有時(shí)支承環(huán)間需設(shè)加勁環(huán)。管壁應(yīng)力計(jì)算一般選四個(gè)控制斷面，即：跨中斷面1-1；支承環(huán)旁管壁膜應(yīng)力區(qū)邊緣，斷面2-2；加勁環(huán)及其旁管壁，斷面3-3；支承環(huán)及其旁管壁，斷面4-4。如下圖所示。黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析（一）跨中斷面1-1的管壁應(yīng)力跨中斷面的特點(diǎn)是彎矩最大，剪力等于零內(nèi)壁徑向壓應(yīng)力為，漸變到管外壁為0。

說(shuō)明：計(jì)算中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)；由于比小得多，一般計(jì)算中可忽略。

1．徑向應(yīng)力σr2．環(huán)向應(yīng)力σθ1（鍋爐公式）

黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析3．軸向應(yīng)力σx(1)由軸向力引起的軸向應(yīng)力σx1(2)軸向應(yīng)力σx2式中：F為管壁斷面積；為軸向力荷載之和。

注意：計(jì)算時(shí)，若A

為壓力，則A

前加負(fù)號(hào)。

地面式壓力鋼管可看作為一多跨簡(jiǎn)支梁。計(jì)算簡(jiǎn)圖如下。黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析由材料力學(xué)可畫(huà)出彎矩圖和剪力圖。

最大彎矩為（支座處為負(fù)，跨中為正）。

最大剪力在支座處為

，跨中為0。

式中：為抗彎模量黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析（二）支承環(huán)旁管壁膜應(yīng)力區(qū)邊緣，斷面2-2的管壁應(yīng)力為鋼管斷面計(jì)算點(diǎn)以外面積對(duì)中心軸的面積矩，

式中：為鋼管斷面慣性矩，為受剪斷面凈寬度，黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析說(shuō)明：1）在非跨中斷面，剪應(yīng)力在橫截面上分布不均勻，在頂點(diǎn)和底點(diǎn)（和）為零。

2）在跨中斷面，∵，

（整個(gè)橫截面上）

斷面2-2其它正應(yīng)力均與斷面1-1相同。黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析（三）加勁環(huán)及其旁管壁，斷面3-3的管壁應(yīng)力（1）計(jì)算假定

1）在計(jì)算中，只考慮內(nèi)水壓力P，其它荷載不考慮。（因?yàn)樗娬緣毫︿摴芎奢d中內(nèi)水壓力占95％）

2）剛性環(huán)對(duì)管壁變形的影響范圍較?。◤椥岳碚摚┯绊戦L(zhǎng)度：

對(duì)t范圍以外部分，不存在局部應(yīng)力的影響，仍按光滑管計(jì)算。黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析剛性環(huán)凈斷面剛性環(huán)有效斷面3）（2）求內(nèi)力M和V

鋼管受內(nèi)水壓力作用，在環(huán)與鋼管交界處將產(chǎn)生均勻分布的徑向剪力H和彎矩M，根據(jù)彈性理論其中：黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析

在內(nèi)水壓力作用下，管壁徑向變位如圖，則

1）根據(jù)彈性理論得：

黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析∵即

∴2）求：3）求：方法同上∵剛性環(huán)處環(huán)向拉應(yīng)力∴黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析將、、代入得：

再將

代入，可推得

∴式中：稱(chēng)為剛性環(huán)剛度系數(shù)，

黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析

局部徑向彎矩M產(chǎn)生的管壁軸向局部正應(yīng)力為（+代表內(nèi)緣受拉，

-代表外緣受壓）

（3）求由內(nèi)力M和V所產(chǎn)生得應(yīng)力黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院

局部徑向剪力V產(chǎn)生的管壁橫截面中面上的向心徑向剪應(yīng)力為此時(shí)，管壁內(nèi)外緣剪應(yīng)力為0。

（4）加勁環(huán)斷面處的環(huán)向應(yīng)力

由于加勁你環(huán)斷面處所受徑向力除內(nèi)水壓力外，還受到徑向均勻剪力2V，所以在計(jì)算環(huán)向應(yīng)力時(shí)應(yīng)把2V考慮進(jìn)去，所以其總環(huán)向拉應(yīng)力為黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院(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)一樣對(duì)管壁起約束作用，故上述公式同樣適用，不同之處在于支承環(huán)還承受由于水重及管重的法向分力G而產(chǎn)生的剪力Q，并將其傳給支墩，所以支承環(huán)及其旁管壁的應(yīng)力計(jì)算共分三步進(jìn)行：

1）光滑管支座斷面應(yīng)力計(jì)算；

2）剛性環(huán)應(yīng)力計(jì)算；

3）作為支承環(huán)向下傳力產(chǎn)生的應(yīng)力計(jì)算。前兩步前面已經(jīng)講過(guò)，下面講第三步。

3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院（1）作用荷載支承環(huán)有效斷面重心軸連線(xiàn)法向力作用下產(chǎn)生的剪應(yīng)力為

∵在支座斷面

根據(jù)可求得支承環(huán)管壁單位周長(zhǎng)的剪力這是一個(gè)荷載，還有一個(gè)就是兩個(gè)支承反力。

S3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院

這樣計(jì)算簡(jiǎn)圖變?yōu)榘霃綖镽

的圓環(huán)受單位荷載S和支承反力作用（2）應(yīng)力計(jì)算步驟1）建立基本體系，求超靜定力采用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的彈性支臂法，求出在支臂端產(chǎn)生的三個(gè)超靜定力、和，由于為反對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，所以。2）求沿各計(jì)算斷面的內(nèi)力內(nèi)力包括彎矩、環(huán)向軸力和徑向剪力，根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)可求出。

支承環(huán)的內(nèi)力除取決于它的幾何尺寸及外力G外，還與b值有關(guān)，即b不同，內(nèi)力圖不同。由于鋼材的允許抗拉和抗壓強(qiáng)度一樣，所以當(dāng)支承環(huán)上的最大正負(fù)彎矩相等時(shí)，使用鋼材最經(jīng)濟(jì)。而當(dāng)時(shí)，支承環(huán)上的最大正、負(fù)彎矩近似相等。此時(shí)的內(nèi)力圖為黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3）求由這三種內(nèi)力產(chǎn)生的應(yīng)力值

式中：為斷面上計(jì)算應(yīng)力點(diǎn)到重心軸的距離；為支承環(huán)有效斷面慣性矩；為支承環(huán)有效斷面積；為支承環(huán)有效斷面計(jì)算點(diǎn)以外面積對(duì)重心軸的靜矩；為支承環(huán)腹板凈寬。

3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析

鋼管內(nèi)徑D=3m，鎮(zhèn)墩間距80m，支墩間距l(xiāng)=10m，管軸與地面傾角α=30°。上鎮(zhèn)墩以下2m處設(shè)有伸縮節(jié)，填料長(zhǎng)b1=0.3m，與管壁摩擦系數(shù)f1=0.25。支墩為滾動(dòng)式，摩擦系數(shù)f=0.1。鋼材糙率n=0.0135，鋼管允許應(yīng)力[σ]＝120MPa，焊縫系數(shù)φ取0.9。鋼管末端中心處最大靜水頭H0=62.0m，水擊壓力ΔH=0.3H0，水流流速為5m/s。要求對(duì)末跨跨中橫斷面1-1，校核管壁應(yīng)力強(qiáng)度。3.7明鋼管的結(jié)構(gòu)分析黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院3.8地面式壓力鋼管的穩(wěn)定計(jì)算

穩(wěn)定計(jì)算的目的主要就是求臨界荷載1.光滑管的臨界荷載

取單位長(zhǎng)度圓管進(jìn)行研究。設(shè)A點(diǎn)徑向變位為，其它任一點(diǎn)的徑向變位為，從A點(diǎn)取微小弧長(zhǎng)段作為研究對(duì)象，受力如圖，對(duì)O點(diǎn)取矩為：

可以把圓管的微小弧長(zhǎng)段看作曲梁，則其變形方程為①②∵并將①代入②得

黑龍江大學(xué)水利電