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5第八章第六节 明钢管的管身应力分析2(20134)

发布人: AG亚游娱乐app游戏 来源: AG亚游娱乐app官网 发布时间: 2020-10-15 20:00

  5第八章第六节 明钢管的管身应力分析2(2013.4)_电力/水利_工程科技_专业资料。第六节 明钢管的管身应力分析 及结构设计 一、明钢管的荷载 ? (1)内水压力。包括各种静水压力和动水压 力,水重,水压试验和充、放水时的水压 力。 (2)钢管自重。 (3)温度变化引起的力。

  第六节 明钢管的管身应力分析 及结构设计 一、明钢管的荷载 ? (1)内水压力。包括各种静水压力和动水压 力,水重,水压试验和充、放水时的水压 力。 (2)钢管自重。 (3)温度变化引起的力。 (4)镇墩和支墩不均匀沉陷引起的力。 (5)风荷载和雪荷载。 ? (6)施工荷载。 (7)地震荷载。 (8)管道放空时通气设备造成的负压。 钢管设计的计算工况和荷载组合应 根据工程的具体情况参照钢管设计规 范采用。 二、管身应力分析和结构设计 钢管支承在一系列支墩的直线管段在法向 力的作用下,相当于一根连续梁。支墩处 设有支承环,由于抗外压需要,支承环之 间有时还加有刚性环(加劲环)。 ? 计算跨选取:一般情况下,最后一跨的应力 最大。 ? 计算断面选取: ? 支承在一系列支墩上的直管段在法向力的 作用下类似一根连续梁。根据受力特点, 管身的应力分析可取如图8-14所示的三个 基本断面:跨中断面1-1;支承环附近断面 2-2和支承环断面3-3。以下介绍明钢管计算 的结构力学方法。 ? (1) 跨中断面1-1:只有弯距作用,且正弯距最大, 无局部应力——受力最简单; ? (2) 支承环旁附近断面(管壁膜应力区边缘)断面2 -2: 断面2-2在支承环附近,但在支承环的影响 范围之外,弯距和剪力共同作用,均按最大值计 算,无局部应力——受力比较简单; ? (3)支承环断面(断面3-3) , 支承环处的管壁由 于支承环的约束,在内水压力的作用下发生局部 弯曲,存在弯距和剪力(支承反力)的作用,有局 部应力. ? 力的方向: ? 1.轴向力 :水重+管重的轴向分力,摩擦 力,管径变化处、转弯处、闷头、阀门、 伸缩节上的水压力。 ? 2.径向力 :内水压力 ? 3.法向力 :水重+管重的法向分力 ? ? 应力的方向:管壁应力采用的坐标系 如图8-15所示。以x表示管道轴向,r表示管 道径向,θ表示管道切向(环向),这三个方 向的正应力以σx、 σr 、 σ 表之,并以拉应 力为正。剪应力采用双角标表示;第一个 角标表示此剪应力所在面的法线方向,第 二个角标表示剪应力的方向。 θ (一)跨中断面(断面1-1)其特点是弯矩最 大,剪力为零。 ? 1.切向(环向)应力 σ ? 管壁的切向应力主要由内水压力引起。 ? 对于水平管段:管道横截面上的水压力如 图8-16(a),它可看作由图8-16(b)的均匀水 压力和图8-16(c)的满水压力组成。这两部 分的水压力在管壁中引起的切向应力为: ? θ 对于水平管段 均匀水 满水 PD ? 环向力: T ? 2 PD ?? ? ? 环向应力(沿管长取单位长度): (锅炉 2(? ?1) 公式) P ? ?H ? ? ( D / 2 ? D / 2 cos? ) ? 任意压力: ? 环向应力: ?HD ?D 2 ?? ? 2? ? 4? (1 ? cos? ) ? ? (8 ? 9) 若令管道中心的计算水头为Hp,则Hp=H+D/2, 式(8-9)变成: 2 ?H D ?? ? p 2? ?D ? cos? 4? (8 ? 10) 对于倾斜的管道:水管轴线与水平面的夹角为φ, 则在管壁中任意一点(该点半径与管顶半径的夹角 P ? ? ( H P ? D / 2 cos? cos? ) 为θ)的压力P为: ? 环向力: T ? PD 2 ? ? 环向应力: PD ?? ? 2? ?H p D ?D 2 ?? ? ? cos? cos? 2? 4? (8 ? 11 ) 2.径向应力σr ? 管壁内表面:? r ? ??H , “-”表示压应力。 ? 管壁外表面: ? ? 0 r ? 3.轴向应力 σx ? 轴向应力σx =法向力引起的轴向弯曲应力 σx1+轴向作用力引起的轴向应力σx3 ? (1) 法向力作用引起的管壁轴向应力σx1 ? 将水重和管重的法向分力视为均布荷载, 则钢管的受力与多跨连续梁类似,其变形 以弯曲为主,并在管壁上产生弯曲正应力 与剪应力。在均布荷载作用下,管壁横断 面上任意一点的轴向应力为 : ? ? 式中 , ,薄壁圆环惯性矩 。 ? 在管顶和管底,θ=0°和180°,y=±D/2 , σx1最大. 管顶受压 ? 管底受拉 ? (2) 轴向力引起的轴向应力σx3 ? 管道各轴向力见表8-3,在轴向力的合力 ∑A作用下,管壁中产生的轴向应力为σx3 , F? ?D? 薄壁圆环的断面积为F, 则: (8-14) ? 跨中断面剪应力为零。已求出了全部应力。 (二)支承环附近断面(断面2-2) ? (2)-(2)断面虽然靠近支承环,但在支承环的 影响范围之外,即不考虑支承环对管壁的 约束作用。断面2-2的应力分量σ 、 σr 、 σx1 、 σx3 、的计算公式与断面1-1相同。 除此之外,断面2-2尚有管重和水重在管道 横截面上引起的剪应力 : ? θ ? 式中 S:某断面以上的管壁面积对中和轴的静 2 矩 S ? 2r ? sin ? ? r:管道半径; b:受剪截面宽度,b=2δ θ:管顶至计算点的圆心角,当θ=0°和180° ? x? ? 0 ; 当θ=90°和 时,在管顶和管底, 270°时,剪应力最大为: ? ? x? ? Q / ?r? ? ? x? 的分布: 2-2断面管壁应力分布和方向 (三)支承环断面(断面3-3) 三、强度校核 钢管为三维受力状态,计算出各个应力分量后, 应按强度理论进行校核。如果不满足强度要求, 则重新调整管壁厚度和支墩间距,再重新计算, 直到满足强度条件。 ? (一) 容许应力 ? 水电站压力钢管一般要求在各种荷载组合作用 下,钢管的最大应力不超过材料的允许应力[σ] 常用钢材强度σs的百分比表示 (课本表8-2) ? (二) 强度校核 ? 钢管强度校核我国及多数国家一般采用第 四强度理论,即各应力计算点应满足下式: ? ? Φ :焊缝强度折减系数,取0.90~0.95。忽 略水电站压力钢管的较小项应力,上式可 以简化为: 钢管管壁厚度估算 ? 用锅炉公式初拟管壁厚度 ? ? PD ? ?HD 2? ?? ? 2? ?? ? ? 根据规范要求,焊缝系数φ一般取为0.9~0.95, 由于未计入一些次要应力,允许应力取钢管材 料允许应力的85%。考虑钢管运行期间的锈蚀、 磨损及钢板厚度误差, δ实际(结构厚度) =δ+2mm(锈蚀厚度) ? 由于制造、运输、安装等要求有一定的 刚度,因而需要管壁的最小厚度 δmin。 ? δmin=D/800+4(mm),且不宜小于6 mm。 作业二 ? 某地面压力钢管,布置如图。钢管内经D=3m, 镇墩间距80m,支墩间距l=10m,管轴与地面倾 角φ=30?。上镇墩以下2m处设有伸缩节,填料 长b=0.3m,与管壁摩擦系数f k=0.25,支墩为滚动 式,摩擦系数f=0.1,钢材糙率n=0.0135.钢管允 许应力[σ]=1200kg/cm2,考虑局部应力时允许应 力[σ]=1600kg/cm2,管内最大流速5m/s,末跨中 钢管中心处最大静水头H0=62m,水锤压力升高 ΔH=0.3H0要求对末跨跨中端面(相当光滑管) 校核管壁应力强度。 H=28.9m 参考大学王树人《水电站建筑物》 2m 镇 墩 计算水头80.6m 支 墩 镇 墩 四、 明钢管的抗外压稳定校核 (一)、明钢管外压失稳的原因及失稳现象 ? (1) 机组运行过程中由于负荷变化产生负水锤, 而使管道内产生负压; ? (2) 管道放空时通气孔失灵,而在管道内产生真 空。 ? 管道内部产生真空或负压时,管壁在外部的大气 压力下可能稳定,管壁被压瘪。 ? 管壁屈曲示意图 (二)、光滑管段的稳定性 (无加劲环的明钢管) ? ? ? ? ? 明管在均匀径向外压作用下,管壁的临界外压 : 当外压力P增加到临界压力Pc r时,钢管管壁就丧 失稳定。临界压力Pc r为 3 E? 2E ?? ? P ? ? ? ? ? ?(8-32) r 12(1 ? ? ) (1 ? ? ) ? D ? 引入安全系数K,要求:Pc r≥ K P。 取K=2.0,P=0.1MPa(一个大气压),钢材的弹 性模量E=2×105MPa,略去μ?,则得到光滑钢管 D 段不失稳的条件为: ?? 3 3 cr 3 2 2 130 (三)、加劲钢管的外压稳定 D ?? 130 ? 按 求出的管壁厚度太大,如果 D=650cm,则要求:δ≥50 mm,加工困 难,因此可采用在管壁上增加加劲环以提 高管壁刚度的措施,从而提高管壁抗外压 稳定性,这样会比增加管壁厚度更经济。 1. 加劲环之间的管壁外压稳定性 ? 两个加劲环的中间光滑部分的临界外压力 (米赛斯公式): (8-33) ? 式中n :相应于最小临界压力的屈曲波数, L:为加劲环间距。 ? 公式(8-33)的用法:首先由(8- 34)求出屈曲波数n,并取整,然后用n, n-1,n+1三个数分别带入(8-33) 的公式中,求出的最小值就是临界荷载。 ? (8-34) 2.加劲环断面的外压稳定 ? 设置加劲环的钢管,加劲环断面必须满足 两个要求:(1) 加劲环断面本身不失稳;(2) 加劲环断面的压应力小于材料的允许值。 加劲环有效断面 ? 式中 J k——计算断面对自身中和轴的惯性矩; ? R k ——加劲环有效断面中心半径; ? ? 明钢管的设计步骤 (1) 首先根据锅炉公式初步拟定管壁厚度, 在进行钢管应力分析时,需要先设定管壁 厚度。由于内水压力在管壁上产生的环向 应力是其主要应力。因此用锅炉公式来初 拟管壁厚度,以钢材的允许应力[σ]代替 σθ, PD ?HD ? ? ? ? 2? ?? ? 2? ?? ? ? 根据规范要求,焊缝系数φ一般取为0.9~0.95,允 许应力取钢管材料允许应力的75% ~85%。考虑 钢管运行期间的锈蚀、磨损及钢板厚度误差,δ实 际=δ(取整)+2mm(锈蚀厚度); ? 在实际工程中,考虑到制造、运输、安装等条件, 必须保持一定的刚度,因而需要管壁的最小 厚度δ min。一般取为D/800+4(mm),且不宜小于 6 mm ? (2) 用光滑管外压稳定计算公式进行外压稳 定校核,如不稳定,可设置加劲环(也可用 支承环代替),并选定其间距; ? (3) 根据加劲环抗外压稳定和横断面压应力 小于允许值的要求,确定加劲环的尺寸; ? (4) 进行强度校核,如果不满足要求则增加 管壁厚度或缩小加劲环间距。重复的 步骤,直到满足要求。 ? 第七节 分岔管 一、分岔管的功用、特点 1.功用 ? 作用是分配水流。采用联合供水或分组供水时, 需要设置分岔管,岔管位于厂房上游侧。 ? 2 .特点 ? 压力管道的分岔方式有 Y 形 [ 图 8-22(a)] 和 y 形 [ 图 8-22(b)] ? ? Y形:对水流的分配对称、均匀,缺点是机组 数较多时分岔段较长; y形:优缺点与前者 相反。 分岔管的特点1:是一种由薄壳和刚度较 大的加强梁组成的复杂的空间组合结构, 受力状态比较复杂,岔管的加强梁有时需 要锻造,卷板和焊接后需作调整应力 处理,因而制造工艺比较复杂。 ? 特点2:水头损失较大,在整个引水系统 的水头损失中占重要地位 。 ? 体型设计原则 水力学的角度看,岔管的体型设计应注意以下 几点 : ? (1)使水流通过岔管各断面的平均流速相等, 或使水流处于缓慢的加速状态。 (2)采用较小的分岔角a,如图8-23所示。但 从结构上考虑,分岔角不宜太小,太小会增加 分岔段的长度,需要较大尺寸的加强梁,并会 给制造带来困难。水电站岔管的分岔角一般在 30°-75°范围内,最常采用的范围是45°60°。 ? (3)分岔管采用锥管过渡,避免用柱管直接连接。 半锥和一般用5°-10°。 (4)采用较小的岔档角β 。岔档有分流的作用, 较小的岔档角有利于分流。 ? (5)支管上游侧采用较小的顺流转角γ。 ? 岔管的水力要求和结构要求也存在矛盾 ,较好的 岔管体型应具有较小的水头损失、较好的应力状 态和较易于制造。 ? 较低水头的电站,岔管的内压较小,而岔管的水 头损失占总水头的比重较大,此时多考虑一些水 力方面的要求是正确的。 ? 高水头的电站,多考虑一些结构方面的要求是合 理的。 ? ? 相贯线是平面曲线的必要和充分条件是两 个锥管有一个公切球(平面图像是公切 圆),如图8-24所示。 二、岔管的荷载和受力特点 三、岔管的结构形式 ? 1 .贴边岔管:在卜形布置的主、支管相 贯线两侧用补强板加固,补强板与管壁焊 固形成一个整体。 ? 2.三梁岔管:三梁岔管由相贯线上的两 根腰梁和一根U梁而得名 。 U形梁 3.内加强月牙肋岔管 月牙肋岔管是用一个嵌入管体内的月牙形 肋板来代替三梁岔管的U梁,并取消腰梁。 ? 内加强月牙肋岔管是国内外近年来在三梁 岔管的基础上发展起来的新式岔管,目前 在我国已基本取代了三梁岔管。应用于中 高水头的大中型电站。 ? 4.球形岔管 ? 球形岔管是通过球面体进行分岔,它是由 球壳,圆柱形主、支管以及补强环和导流 板等组成。 5.无梁岔管 ? 无梁岔管是在球形岔管的基础上发展起来 的。球形岔管的补强环制造工艺复杂。无 梁岔管是用三个渐变的锥管作为主 、支管 与球壳连接段以代替补强环 。 ? 第八节 地下埋管和坝身管道 一、地下埋管的布置与工作特点 ? 施工过程:开挖岩洞(清理石渣、支护等) →安装钢管→回填混凝土→接触灌浆 ? 类型:斜井、竖井、平洞。大型水电站中 应用最多。 ? ? ? ? ? ? (一) 工作特点及适用条件 地下埋管是我国大中型水电站建设中应用最广泛 的一种引水管道型式。 优点: 1.布置灵活方便 地下埋管由于在山体内部,可选择地质条件好的 线,地质条件优于地表,缩短管道长度。地下 厂房一般全部或部分采用地下埋管。 ? ? ? ? ? ? ? 2.钢管与围岩共同承担内水压力,减小钢衬厚度。 岩石坚硬、完整时,围岩承担较大的内水压力, 甚至承担全部内水压力,钢板只起防渗作用。 3.运行安全 地下埋管的运行不受条件影响,简单。 缺点: 1. 构造比较复杂,施工安装工序多,工艺要求 较高,施工条件较差,会增加造价; 2.外压稳定问题突出。 ? ? ? ? ? (二) 布置 供水方式:多采用集中供水 地质条件:应布置在坚固完整、地下水位低的岩 层中。 地形条件:上覆岩层的稳定,留有足够的岩 石厚度。当同时要求开挖几条隧洞时,要有足够 的间距,防止出现失稳情况。 布置方式:竖井、斜井、平洞。 二、混凝土坝身压力管道的 特点、类型和布置 ? ? ? ? ? 是依附于混凝土坝身,即埋设在坝体内或固定 在坝面上,并与坝体成为一体的压力输水管道。 特点: 优点:结构紧凑简单,引水长度最短,水头损 失小,机组调节条件好,造价低,运行管 理集中方便;缺点是管道安装会干扰坝体施工, 坝内埋管空腔削弱坝体,使坝体应力恶化。 适用:混凝土坝坝式水电站。 布置方式:坝内埋管、坝体上游面钢管、坝体 下游面钢管。 (一) 坝内埋管的布置 1.布置原则 ? (1) 尽量缩短管道的长度; ? (2) 减少管道空腔对坝体应力的不利影响。 ? (3) 减少管道对坝体施工的干扰并有利于 管道本身的安装和施工。 ? 2.坝内埋管布置形式 (1) 倾斜式布置:管轴线与下游坝面近于平行并 尽量靠近下游坝面。 ? 优点:进水口较高,闸门承受水压小,有 利于进水口的各种设施布置;管道纵轴与坝体 内较大的一对主应力方向平行,可以减轻管道 周围坝体的应力恶化;与坝体施工的干扰较少。 ? 缺点:管道较长,弯段多,不头损失大;管道 与下游坝面间的混凝土厚度较小。 ? 倾斜式(平行坝下游坡)布置 (2) 平式和平斜式布置 (管道布置在坝体下部) ? 优缺点与倾斜式布置相反。对于拱坝,坝 体厚度不大,管径却较大时常采用这种布 置方式。 (3) 竖直式布置 (管道的大部分竖直布置) ? 适用于坝内厂房。缺点是管道曲率大,水 头损失大,管道空腔对坝体应力不利。 (二)下游面管道(坝后背管) 大型坝后式水电站将钢管布置在混凝土坝的下 游坝面上,形成下游面管道,或称为坝后背管。 1.特点 ? (1) 减少管道空腔对坝体的削弱,有利于坝体安 全; ? (2) 坝体施工不受管道施工与安装的干扰,可以 提高坝体施工的质量,并加快进度和提前发电; ? (3) 管道可以随机组的投产先后分期施工,有利 于合理安排施工进度,且减少投资积压,机组 台数较多时,效益更为显著。 ? 2.结构型式 ? (1) 坝下游面明钢管。现场安装工作量小, 进度快,与坝体施工干扰小。但当钢管直 径和水头很大时,会引起钢管材料和工艺 上的技术困难。敷设在下游坝面上的明管 一旦失事,水流直冲厂房,后果严重。 ? ? (2) 坝下游面钢衬钢筋混凝土管。管道是 内衬钢板外包钢筋混凝土的组合结构,用 坝下游面的键槽及锚筋与坝体固定。钢衬 与外包混凝土之间不设垫层,紧密结合, 二者共同承受内水压力等荷载。 三峡水电站坝后厂房横剖面图

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