《水电站的压力管道》PPT课件.ppt

水电站 武 汉 大 学 水 利 水 电 学 院 水 电 站 教 研 室 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 和 组 合1、 荷 载 (1)内 水 压 力 (包 括 静 水 压 力 、 动 水 压 力 、 水 重 等 )。(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 气 压 。 明 钢 管 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 。2、 荷 载 组 合 电 力 版 规 范 荷 载 分 类 电 力 版 规 范 荷 载 分 类 （ 续 ） 电 力 版 规 范 明 钢 管 荷 载 组 合 二 、 管 身 应 力 分 析 和 结 构 设 计明 钢 管 设 计 内 容 ： 镇 墩 、 支 墩 和 管 身 部 分 。分 析 目 的 ： 确 定 管 壁 厚 度 和 加 劲 环 尺 寸 。 二 、 管 身 应 力 分 析 和 结 构 设 计在 进 行 管 道 结 构 计 算 时 ， 要 注 意 以 下 几 个 问 题 ： 坐 标 系 如 何 选 取 ？ 每 一 管 段 有 哪 些 几 个 控 制 断 面 ？ 各 控 制 断 面 应 力 计 算 点 （ 顶 、 底 、 侧 、 内 点、 外 点 ） ， 应 力 的 方 向 ？ 1、 管 壁 厚 度 估 算 22 PDT 2PD 2 PD 2 PD可 由 允 许 应 力 求 管 壁 厚 度 ： 根 据 力 的 平 衡 ：也 可 由 管 壁 厚 度 求 应 力 ： 考 虑 焊 缝 影 响 1、 管 壁 厚 度 估 算按 估 算 厚 度 需 另 加 2mm锈 蚀 厚 度 ， 且 需 满 足 最小 结 构 厚 度 要 求 。为 允 许 应 力 ； 焊 缝 系 数 ， 可 由 规 范 选 取 。 2 PD 选 取 柱 坐 标 x、 r、 、 （ 轴 向 、 径 向 、 环 向 ）2、 坐 标 系 选 取 3、 计 算 断 面 的 选 取压 力 钢 管 象 一 个 多 跨 连 续 梁 一 样 ， 其 弯 矩 图 、剪 力 图 如 图 所 示 。 max0MMQ 跨 中 1-1断 面 ， 其 特 点 为 : 跨 中 1-1断 面 特 点 maxmaxQQ MM 支 撑 环 附 近 ，但 又 不 受 支 撑环 影 响 的 2-2断 面 ， 其 特 点为 ：支 撑 环 影 响 范 围 的 长 度 为 ： rl 78.0 支 撑 环 附 近 2-2断 面 特 点 支 撑 环 3-3断 面 特 点 支 撑 反 力 R 影 响 范 围 的 长 度 l 支 撑 环 3-3断 面 特 点max maxQQ MM 1.由 水 重 和 管 重产 生 的 弯 矩 和 剪力2.由 支 撑 环 （ 加 劲 环 ）约 束 所 产 生 的 局 部 弯矩 和 局 部 剪 力 M和 Q。3.由 支 撑 反 力 R在 管 壁 中所 产 生 的 弯 矩 、 剪 力 和 轴 力 。 4、 管 身 应 力 计 算 跨 中 断 面 1-1内 水 压 力 产生 的 环 向 正应 力水 重 和 管 重的 法 向 分 力产 生 的 轴 向正 应 力轴 向 力 产 生的 轴 向 正 应力内 水 压 力 产 生 的 径 向 正应 力 )coscos2(2 DHD P DAX 3 Pr H cos4 21 DMyJMx coscos42 2DDHP )coscos1(42 2 DHD 内 水 压 力 产 生 的 环 向 正 应 力 D、 管 内 径 和 管 壁 计 算 厚 度 ， （ cm） ;H 管 顶 以 上 的 计 算 水 头 ， （ cm） ;Hp 管 中 心 处 的 计 算 水 头 ， （ cm） ; 管 壁 计 算 点 与 垂 直 中 线 构 成 的 圆 心 角 ； 管 轴 线 与 水 平 线 的 倾 角 。内 水 压 力 产 生 的 环 向 正 应 力 水 重 和 管 重 的 法 向 分 力 产 生 的 轴 向 正 应 力yJMx 1 注 意 管 顶 和 管 底符 号 不 一 样 。8/3DJ 2/)cos( DyM由 多 跨连 续 梁求 出 。 cos4 21 DMyJMx 轴 向 力 产 生 的 轴 向 正 应 力内 水 压 力 产 生 的 径 向 正 应 力 DAX 3 Pr H 支 撑 环 附 近 2-2断 面内 水 压 力 产 生 的环 向 正 应 力水 重 和 管 重 的 法向 分 力 产 生 的 轴向 正 应 力轴 向 力 产 生 的轴 向 正 应 力 内 水 压 力 产 生 的径 向 正 应 力 )coscos2(2 DHD P DAX 3 Pr H sinrQx 水 重 和 管 重 的法 向 分 力 产 生的 剪 应 力 cos4 21 DMyJMx 2-2断 面 与 1-1断 面 相 比 ，仅 多 了 一 项 由 水 重 和 管 重的 法 向 分 力 产 生 的 剪 应 力 sinrQbJQSx S某 断 面 以 上 的 管 壁 对 中 和 轴 的 静 矩 ；J管 壁 的 惯 性 矩 ；r管 道 半 径 ；b受 剪 截 面 宽 度 ； 管 顶 至 计 算 点 的 圆 心 角 。sin2 2rS 8/ 3DJ 由 水 重 和 管 重 的 法 向 分 力 产 生 的 剪 应 力 支 撑 环 3-3断 面内 水 压 力产 生 的 环向 正 应 力水 重 和 管重 的 法 向分 力 产 生的 轴 向 正应 力 轴 向 力 产生 的 轴 向正 应 力内 水 压 力产 生 的 径向 正 应 力 DAX 3 Pr H sinrQx 水 重 和 管 重的 法 向 分 力产 生 的 剪 应力支 撑 反 力产 生 的 环向 正 应 力和 剪 应 力局 部 弯 矩 产生 的 轴 向 正应 力 局 部 剪 力 产生 的 剪 应 力)2( 1 alF rHKp aJ ST FNWM K KKrr KKKK 32 , 282.12 DHPx lHPxr cos4 21 DMyJMx 支 承 环 3-3断 面支 承 环 处 的 管 壁 由 于 支 承 环 的 约 束 ， 在 内 水 压力 作 用 下 发 生 局 部 弯 曲 ， 因 此 3-3断 面 与 2-2断面 相 比 ， 增 加 了 局 部 弯 曲 应 力 ， 切 向 应 力 也 因支 承 环 的 影 响 而 改 变 。支 承 环 在 管 壁 中 引 起 的 局 部 弯 曲 应 力 随 离 开 支承 环 的 距 离 而 很 快 衰 减 ， 影 响 范 围 长 度 为 ： rr 78.0134 2 （ 1） 水 重 和 管 重 的 法 向 分 力 产 生 的 轴 向 正 应 力（ 3） 轴 向 力 产 生 的 轴 向 正 应 力 DAX 3（ 2） 局 部 弯 矩 产 生 的 轴 向 正 应 力 282.12 DHPx cos4 21 DMyJMx 321 xxxx 前 面已 说 明 ， 下 面需 求 。 2x31 xx 、 轴 向 正 应 力 （ 支 承 环 3-3断 面 ）轴 向 正 应 力 ： 在 内 水 压 力 作 用 下 ， 管 壁 和 加 劲 环 均 向 外 变 形 ，由 上 图 可 见 ： 123 （ 几 何 方 程 ） 21 4)2( kp EFDQaH （ 虎 克 定 律 ） 求 解 ， 需 先 求出 加 劲 环 处 的 局 部弯 矩 和 局 部 剪 力 。轴 向 正 应 力2x 2x EDHDE p42 22 （ 虎 克 定 律 ）加 劲 环 处 在 M 和 Q 共 同 作 用 下 ， 只 产 生 径 向位 移 ， 不 生 产 角 位 移 ， 则 需 满 足 下 列 条 件 ： 21 lQM 处 在 M 和 Q 共 同 作 用 下 ， 该 处 管 壁 径 向 缩 小为 ： 23 23 13）（）（lE Q 轴 向 正 应 力 2x 联 立 求 解 ， 即 可 解 出 。321 QM、 QM、PHlQ PHlM 2 21）（其 中 ： )2/()( lFaF kk )( haFk 上 述 共 有 5个 方 程 ， 有 5个 未 知 数 即 加劲环有效面积加劲环本身面积/ r78.0 由 此 可 得 ：2x 282.16 2 2 DHMJyM Px 沿 管 环 向 取 单 位 长 度 。J yMx 2 2y 123bJ 则 ： )56.1(2 )2( 1 arF rHF aHQ kpk P 对 加 劲 环 ： 其 切 向 应 力 由 支 撑 环 直 接 承受 的 内 水 压 力 和 管 壁 对 支 撑 环 的 剪 力产 生 ， 即 。321 环 向 正 应 力 （ 支 承 环 3-3断 面 ） 12QPa Pa 2Q 支 撑 反 力 产 生 的 环 向 正 应 力 KKKKFNWM32 对 支 承 环 ， 利 用 结 构 力 学 中的 弹 性 中 心 法 ， 求 出 在 支 承反 力 的 作 用 下 支 承 环 各 断 面的 内 力 : KKK TNM、为 了 合 理 利 用 材 料 ， b与Rk最 合 理 的 比 值 是 使 支承 环 上 下 不 同 的 两 个 断面 最 大 弯 矩 绝 对 值 相 等 ，满 足 这 一 条 件 的 是 ： KRb 04.0 (1)水 重 和 管 重 的 法 向 分 力 产 生 的 剪 应 力 sinrQx (2)支 撑 反 力 产 生 的 剪 应 力aJ ST K KKrr (3)局 部 剪 力 产 生 的 剪 应 力lHPxr 剪 应 力 （ 支 承 环 3-3断 面 ） x xr r 5、 钢 管 强 度 校 核钢 管 的 工 作 处 于 三 维 应 力 状 态 ， 强 度 校 核 的方 法 是 求 出 计 算 应 力 并 与 容 许 应 力 作 比 较 ，而 不 是 直 接 采 用 某 一 方 向 的 应 力 与 容 许 应 力作 比 较 。 钢 管 的 强 度 校 核 ， 目 前 多 采 用 第 四 强 度 理论 ， 其 强 度 条 件 为 ： 式 中 为 焊 缝 系 数 ， 取 0.9-0.95.由 于 一 般 较 小 故 上 式 可 简 化 为 ： )(3)()()(21 222222 xrxrxrrx 3 222 xxx rxrr , 按 第 四 强 度 理 论 公 式 校 核 ， 如 不 满 足 要 求 ， 需 重新 调 整 壁 厚 或 支 墩 间 距 ， 直 到 满 足 要 求 为 止 。第 四 强 度 理 论 三 、 抗 外 压 稳 定 校 核概 念 ： 结 构 体 型 在 荷 载 作 用 下 失 去 稳 定 平衡 称 失 稳 。临 界 压 力 ： 钢 管 失 去 稳 定 平 衡 的 最 小 外 压值 称 临 界 压 力 。外 压 稳 定 ： 要 求 钢 管 可 能 的 最 大 外 压 小 于临 界 压 力 ， 并 有 一 定 的 安 全 裕 量 （ K=2） 。 光 面 管 抗 外 压 稳 定 计 算 ：3)(2 DEPcr 明 管 失 稳 的 原 因 ： 管 道 放 空 ， 通 气 孔 失 灵 在 管内 形 成 负 压 ， 而 管 外 为 大 气 压 造 成 的 。若 光 面 管 不 满 足 抗 外 压稳 定 要 求 ， 则 可 以 加 厚钢 管 壁 厚 或 在 钢 管 外 设置 加 劲 环 。1、 光 面 管 抗 外 压 稳 定 计 算 （ 1） 管 壁 本 身 外 压 稳 定 计 算 322 22222222 222 )(1 121()1(12)()1)(1( rrlnnnErrlnn EPcr 25.05.0 )()(63.1 DlDn由 于 管 壁 外 增 加 了 加 劲 环 ， 管 道 失 稳 时 ，屈 曲 波 数 增 加 。 屈 曲 波 数 为 ： 2、 加 劲 管 抗 外 压 稳 定 计 算 （ 2） 加 劲 环 本 身 外 压 稳 定 计 算两 者 中 取 小 值 。rlFP Kscr 2 lREJP K Kcr 31 3 明 管 管 身 稳 定 公 式 加 劲 环 外 压 强 度 条 件 分 别 表 示 钢 管 壁 厚 、 半 径 、直 径 、 泊 松 比 、 弹 模 、 屈 曲 波 数 、 加 劲 环间 距 。 分 别 为 加 劲 环 断 面 积 、 断 面 惯性 矩 、 截 面 形 心 曲 率 半 径lnEDr , KKK RJF , 第 七 节 分 岔 管一 、 分 岔 管 的 功 用 、 特 点 和 要 求功 用 ： 采 用 联 合 供 水 或 分 组 供 水 时 ， 即 一 根 管道 需 要 向 两 台 或 更 多 机 组 供 水 时 ， 需 要 设 置 分岔 管 ， 岔 管 位 于 厂 房 上 游 侧 。要 求 ：(1)水 流 平 顺 ， 水 头 损 失 小 ， 避 免 涡 流 和 振 动 。(2)结 构 合 理 简 单 ， 受 力 条 件 好 ， 不 产 生 过 大 的应 力 集 中 和 变 形 。(3)制 作 、 运 输 、 安 装 方 便 。 特 点 ： 岔 管 用 以 分 配 水 流 ， 水 流 的 方 向 和 流态 有 较 大 改 变 ， 因 此 水 头 损 失 较 大 。 岔 管 处动 、 静 水 压 力 最 大 ， 又 靠 近 厂 房 ， 故 其 安 全性 十 分 重 要 。又 岔 管 水 力 学 条 件 、 结 构 要 求 往 往 互 相 矛 盾 。对 于 低 水 头 电 站 ， 应 更 多 考 虑 水 头 损 失 ； 对高 水 头 电 站 ， 有 时 为 了 使 结 构 合 理 简 单 ， 可以 容 许 水 头 损 失 稍 大 一 些 。 二 、 岔 管 的 典 型 布 置（ 1） 卜 形 布 置 。 适 用 于 从 主 管 中 分 出 一 支 较小 的 岔 管 ， 或 者 两 条 支 管 的 轴 线 因 故 不 能 对 称布 置 时 。（ 2） 对 称 Y形 布 置 。 用 于 主 管 分 成 两 个 相 同 的支 管 。（ 3） 三 岔 形 布 置 。 用 于 主 管 直 接 分 成 三 个 相同 的 支 管 。 若 机 组 台 数 较 多 ， 可 采 用 Y形 卜 形 或 Y形 三 岔 形 组 合 布 置 。 岔 管 的 主 、 支 管 中 心 线 宜布 置 在 同 一 平 面 内 ， 使 结 构 简 单 ， 主 支 管 壁的 交 线 ， 称 为 相 贯 线 。 主 支 管 分 岔 处 若 相 切于 一 公 切 球 ， 则 相 贯 线 为 一 平 面 曲 线 。 三 、 岔 管 的 结 构 形 式1、 明 钢 岔 管 ： 岔 管 用 钢 材 焊 制 而 成 ， 全 部 荷 载 由 钢材 承 受 。明 钢 岔 管 按 其 所 用 加 强 方 式 或 受 力 特 点 ， 可 有 以 下 结构 形 式 ：1） 三 梁 岔 管 2） 内 加 强 月 牙 肋 岔 管 3） 贴 边 岔 管 4） 无 梁 岔 管5） 球 形 岔 管6） 隔 壁 岔 管 它 为 在 主 、 支 管 的 相 贯 线 外 侧 ， 设 置 U梁 和腰 梁 ， 组 成 薄 壳 和 空 间 梁 系 的 组 合 结 构 。它 的 典 型 布 置 有 Y形 、 卜 形 和 三 岔 形 。三 梁 岔 管 内 加 强 月 牙 肋 岔 管它 由 主 管 扩 大 段 （ 主 锥 ） 和 支 管 缩 小 段 （ 支锥 ） 组 成 一 个 切 于 同 一 个 公 切 球 的 圆 锥 壳 ，并 沿 支 锥 的 相 贯 线 ， 内 插 一 月 牙 状 的 肋 板 ，焊 接 在 管 壁 上 作 为 加 强 构 件 。 贴 边 岔 管它 由 在 主 、 支 管 的 相 贯 线 二 侧 一 定 范 围 内的 内 侧 或 外 侧 ， 设 置 与 管 壳 紧 密 贴 合 的 补强 板 而 成 。它 的 典 型 布 置 是 卜 形 。 无 梁 岔 管它 由 用 主 管 和 支 管 逐 渐 扩 大 的 锥 壳 与 中 心 的球 壳 比 较 连 续 、 平 顺 地 联 接 ， 不 设 置 任 何 加固 梁 。 它 的 典 型 布 置 是 Y形 和 卜 形 ， 也 可 布 置 为三 分 岔 形 。 球 形 岔 管它 通 过 球 面 壳 进 行 分 岔 ， 沿 主 、 支 管 与 球 壳交 接 处 的 相 贯 线 ， 设 置 圆 环 形 加 强 梁 ， 组 成球 壳 和 加 强 梁 的 组 合 结 构 。它 的 典 型 布 置 有 Y形 和 三 分 岔 。 隔 壁 岔 管它 由 扩 散 段 、 隔 壁 段 、 变 形 段 组 成 ， 各 级 皆为 完 整 的 封 闭 壳 体 ， 除 隔 壁 外 ， 无 其 它 加 强构 件 。 地 下 埋 藏 式 岔 管 位 于 岩 体 内 ， 通 常 用 于 地 下埋 管 的 末 端 。 其 特 征 是 设 计 时 考 虑 围 岩 分 担岔 管 的 内 水 压 力 ， 有 ：1） 埋 藏 式 钢 岔 管2） 埋 藏 式 钢 筋 混 凝 土 岔 管地 下 埋 藏 式 岔 管3、 钢 衬 钢 筋 混 凝 土 岔 管 ： 钢 岔 管 外 包 钢 筋 混凝 土 ， 两 者 共 同 承 受 内 水 压 力 。2、 地 下 埋 藏 式 岔 管 ： 三 梁 岔 管 设 计在 岔 管 处 ， 由 于 管 壳 相 互 切 割 ， 不 再 是 一 个完 整 的 圆 ， 在 被 切 割 处 存 在 一 个 环 向 拉 力 T，此 力 称 为 不 平 衡 力 ， 为 维 持 其 力 的 平 衡 ， 需由 加 强 梁 向 管 壁 提 供 的 力 。U梁腰 梁 三 梁 岔 管 的 设 计 就 是要 求 出 作 用 在 腰 梁 、U梁 上 的 荷 载 ， 并 确定 相 应 尺 寸 。 T： 内 水 压 力 产生 的 不 平 衡 力 。（ 注 意 ， 两 支 管的 T不 在 一 个 平面 上 。 ）H： 不 平 衡 力 产生 的 水 平 分 力 。V： 不 平 衡 力 产生 的 垂 直 分 力 。 在 内 压 P作 用 下 ， 沿 锥 管 轴 线 单 位 长 度 管 壁的 环 向 力 T： 2cos xpT 锥 管 的 半 顶 角 ；rx 计 算 点 的 锥 管 半 径 。1、 管 壁 环 向 力 引 起 的 荷 载 21 coscoscoscos pxTV T沿 LM 方 向 长 度 的 垂 直 分 量 为 ：T沿 LM 方 向 长 度 的 水 平 分 量 为 ： 222 21 coscossinybypbaH a支 管 轴 线 与 主 管 轴 线 所 夹 之 锐 角 ；y相 关 线 垂 直 坐 标 。 a、 b相 贯 线 的 半 长 轴 和 半 短 轴 ： 22 coscos sincos Ra 22 coscossinRb 管 壁 轴 向 力 有 以 下 几 种 情 况 ： 闷 头 、 锥 管 、伸 缩 节 等对 支 管 有 闷 头 的 情 况 ， 单 位 周 长 管 壁 沿 母 线方 向 的 轴 力 为 ：cos2 xpT 2、 管 壁 轴 向 力 引 起 的 荷 载 轴 向 力 T 在 相 贯 线 上 的 垂 直 和 水 平 分 量 为 ：cos1sinsin 2 tgr buTV x sinsin)(coscossinsin 2222 xurbuutgRTbaH 将 各 梁 取 脱 离 体 ， 相 互 约 束 代 之 以 剪 力 与 弯 矩 ，将 所 有 荷 载 作 用 其 上 ， 另 外 还 需 可 以 写 出 节 点处 位 移 与 转 角 的 表 达 式 ， 根 据 节 点 力 平 衡 条 件 ，即 可 求 出 相 应 的 未 知 量 ， 从 而 进 行 梁 的 结 构 设计 。真 正 要 计 算 岔 管 还需 参 考 许 多 的 参 考书 和 资 料 。 月 牙 肋 岔 管 设 计月 牙 肋 岔 管 处 的 月 牙 肋 是 按 无 矩 要 求 设 计 的 ，荷 载 合 力 基 本 通 过 肋 板 截 面 形 心 ， 使 肋 板 处 于轴 心 受 拉 状 态 ， 材 料 的 强 度 得 以 发 挥 。 cos 1 1pRK cos 2 2 pRK 两 者 中 取 大 值月 牙 肋 岔 管 处 管 壁 厚 度 ：膜 应 力 区局 部 应 力 区 月 牙 肋 肋 板 的 厚 度 ：CB Vt Tw 1 内 水 压 力 ；岔 管 壁 厚 ；计 算 管 节 的 最 大 内 径 ；焊 缝 系 数 ；系 数 ， 取 1.2到 1.5,d/D小 者 取 小 值 ；膜 应 力 区 的 允 许 应 力 ， 基 本 荷 载 时 取 ， 特 殊 荷 载 时 取 ；应 力 集 中 系 数 ， 可 查 图 选 取 ；局 部 应 力 区 允 许 应 力 ， 基 本 荷 载 时 取 ， 特 殊 荷 载 时 取 ；月 牙 肋 中 间 最 大 截 面 的 作 用 力 ； 月 牙 肋 中 间 最 大 截 面 最 大 宽 度 ；锈 蚀 裕 量 ；月 牙 肋 板 的 厚 度 ， 一 般 为 管 壁 厚 度 的 2-2.5倍 。wTtCBVKKR p 22 11 s5.0s7.0 s8.0s0.1