1、水水 电电 站站第五章第五章 水电站压力管道水电站压力管道v作用：作用：从水库、前池或调压室向水轮机输送水量。从水库、前池或调压室向水轮机输送水量。v特点：特点：坡度陡、内水压力大，承受动水压力，且坡度陡、内水压力大，承受动水压力，且靠近厂房，失事后果严重，所以必须安全可靠。靠近厂房，失事后果严重，所以必须安全可靠。第一节 压力管道的类型按布置方式分按材料分明管：暴露在空气中(无压引水式电站)钢管(大中型水电站)，钢筋混凝土管、木管(小型电站)地下埋管（隧洞埋管) :埋入岩体。(有压引水电站)不衬砌、锚喷或混凝土衬砌、钢衬混凝土衬砌，聚酯材料管等混凝土坝身埋管： 依附于坝身(混凝土重力坝及重力
2、拱坝)，包括：坝内管道、 坝上游面管、坝下游面管钢筋混凝土管道、钢衬钢筋混凝土管道钢钢 管管钢筋混凝土管钢筋混凝土管聚酯材料管聚酯材料管 木管木管第二节第二节 压力管道的布置和供水方式压力管道的布置和供水方式一、压力管道的布置v压力管道线路选择应结合其它建筑物压力管道线路选择应结合其它建筑物(前池、调压室前池、调压室)和水电站厂房布置统一考虑和水电站厂房布置统一考虑。路线尽可能短、直。(经济，hf和H小)。地质条件好。山体稳定、地下水位低、避开山崩、雪崩地区以及山水集中的地区和沉降量很大的地段，可沿山脊布置。宜避开村镇居民区及交通道路等，若避不开村镇居民区应考虑工程对环境的影响。尽量减小起伏,
3、 避免出现负压; 转弯半径R 3D。明钢管首部设事故闸门，并考虑事故排水等。二、压力管道引进厂房的方式二、压力管道引进厂房的方式1.正向引近：低水头电站。水流平顺、水头损失小，正向引近：低水头电站。水流平顺、水头损失小，开挖量小、交通方便。钢管发生事故时直接危机开挖量小、交通方便。钢管发生事故时直接危机厂房安全。厂房安全。2.纵向引近：高、中水头电站。避免水流直冲厂房。纵向引近：高、中水头电站。避免水流直冲厂房。3.斜向引近：分组供水和联合供水。斜向引近：分组供水和联合供水。三、供水方式三、供水方式1单元供水单元供水：一管一机。不设下阀门。：一管一机。不设下阀门。v优点：结构简单优点：结构简单
4、(无岔管无岔管)、工作可靠、灵活性好，、工作可靠、灵活性好，易于制作，无岔管。易于制作，无岔管。v缺点：造价高。缺点：造价高。v适用：适用：(1) 单机流量大、长度短的地下埋管或明管；单机流量大、长度短的地下埋管或明管； (2)混凝土坝内管道和明管道。混凝土坝内管道和明管道。2联合供水：联合供水： 一根主管，向多台机组供水。设下阀门。一根主管，向多台机组供水。设下阀门。v优点：造价低优点：造价低v缺点：结构复杂（岔管）、灵活性差缺点：结构复杂（岔管）、灵活性差v适用：机组少、单机流量小、引水道长的地下埋管适用：机组少、单机流量小、引水道长的地下埋管和明管。和明管。3. 分组供水：分组供水： 设
5、多根主管，每根主管向数台机组供水。设下阀门。设多根主管，每根主管向数台机组供水。设下阀门。v适用：压力水管较长，机组台数多，单机流量较适用：压力水管较长，机组台数多，单机流量较小的情况。地下埋管和明管。小的情况。地下埋管和明管。第三节第三节 水力计算和经济直径的确定水力计算和经济直径的确定一、水力计算一、水力计算v恒定流计算：确定管道的水头损失，包括沿程和恒定流计算：确定管道的水头损失，包括沿程和局部两部分。局部两部分。沿程损失：处于紊流，可按曼宁公式计算。沿程损失：处于紊流，可按曼宁公式计算。局部损失：进口、门槽、渐变段、弯段、分岔局部损失：进口、门槽、渐变段、弯段、分岔等部位，按水力学公式
6、计算。等部位，按水力学公式计算。hw电能电能装机容量装机容量管径选择管径选择v非恒定流计算：水锤计算非恒定流计算：水锤计算(N变变Q变变H变变) ，确定管道中各点的动水压力和变化过程。确定管道中各点的动水压力和变化过程。 水击压强水击压强确定压力管道荷载和管线确定压力管道荷载和管线(最高压力最高压力线和最低压力线线和最低压力线) 二、压力管道直径的选择二、压力管道直径的选择1. 动能经济比较法：基本原理与渠道相同动能经济比较法：基本原理与渠道相同(要考虑要考虑流速、水锤压力的影响流速、水锤压力的影响)，拟定几个直径，进行，拟定几个直径，进行动能经济计算，比较确定最优经济直径。动能经济计算，比较
7、确定最优经济直径。2. 经验公式法：简化条件推导公式。精度较低，初经验公式法：简化条件推导公式。精度较低，初步设计时采用步设计时采用 Qmax压力管道设计流量，压力管道设计流量，H设计水头设计水头3. 经济流速法：压力管道经济流速一般为经济流速法：压力管道经济流速一般为46m/s，最大不超过最大不超过7m/s，Ae= Qmax/Ve73max2 . 5HQD 第四节第四节 钢管的材料和管身构造钢管的材料和管身构造 一、钢管的材料一、钢管的材料v钢管所用钢材应根据钢管结构型式、钢管规模、使用钢管所用钢材应根据钢管结构型式、钢管规模、使用温度、钢材性能、制作安装工艺要求以及经济合理等温度、钢材性能
8、、制作安装工艺要求以及经济合理等因素选定。因素选定。v钢管主要受力构件钢管主要受力构件(包括管壁、支承环、岔管加强构包括管壁、支承环、岔管加强构件等件等)可采用下列钢种：可采用下列钢种：Q235C、D级碳素结构钢，级碳素结构钢，Q345C、D级及级及Q390C、D级低合金结构钢；级低合金结构钢；20R、16MnR、15MnNbR、15MnVR等压力容器钢；等压力容器钢；07MnCrMoVR、07MnNiCrMoVDR等高强度压力容等高强度压力容器钢。明管宜采用容器钢。如需采用其他钢种，应先器钢。明管宜采用容器钢。如需采用其他钢种，应先研究其性能，确定相应的焊接方式热处理工艺等。研究其性能，确定
9、相应的焊接方式热处理工艺等。v明管支座辊轮可采用下列钢种：明管支座辊轮可采用下列钢种：Q235A、B、C级钢；级钢；Q345A、B、C级钢；级钢；30、35、40、45优质碳素结构钢；优质碳素结构钢；ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570等铸件。等铸件。v支座支承板可采用与管材、支承环相同的材料。支座支承板可采用与管材、支承环相同的材料。支座垫板可采用上列钢板或铸件。支座垫板可采用上列钢板或铸件。二、钢材性能的要求二、钢材性能的要求( (一一) ) 压力管道的工作特点与制作程序压力管道的工作特点与制作程序v工作特点：内水压力大，并经常承受冲击荷载的工作特点：内水压力大，并经
10、常承受冲击荷载的作用；低温状态下工作作用；低温状态下工作( (水温在水温在44左右左右) )对钢材的对钢材的工作条件不利。工作条件不利。v制作过程：制作过程：板裁：冷卷、辊压成形；现场焊接(自动焊、手焊)；检查焊缝(射线、超声波) (二二) 钢材性能要求钢材性能要求1、机械性能、机械性能v屈服强度屈服强度s 、抗拉强度、抗拉强度b ；塑性指标：断裂时的；塑性指标：断裂时的延伸率延伸率、断面收缩率、断面收缩率；冲击韧性；冲击韧性ak。要求强度。要求强度高、塑性好高、塑性好(冲击、低温、加工冲击、低温、加工)可焊性能好。可焊性能好。vA3钢机械性能适用于压力管道，但容许应力低。钢机械性能适用于压力
11、管道，但容许应力低。v当当HD600m2，=32mm40mm，不易加工。不易加工。v当当HD较高时采用较高时采用16Mn，其强度高，但塑性差：，其强度高，但塑性差：v强度越高，塑性越差。若采用高强钢，要有充分强度越高，塑性越差。若采用高强钢，要有充分的论证。的论证。2、加工性能、加工性能v辊轧、冷弯、焊接、切割，要求焊接性能好，冷辊轧、冷弯、焊接、切割，要求焊接性能好，冷加工的塑性变形小，加工后无残余应力，焊缝和加工的塑性变形小，加工后无残余应力，焊缝和热影响区不产生裂纹。热影响区不产生裂纹。3、化学成份、化学成份v影响钢材的强度、影响钢材的强度、焊接性能，含碳不要过高、焊接性能，含碳不要过高
12、(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、容许应力三、容许应力v钢材的容许应力一般用屈服强度除以安全系数得钢材的容许应力一般用屈服强度除以安全系数得到，即到，即 =s/ Kv不同的荷载、不同的部位采用不同的容许应力。不同的荷载、不同的部位采用不同的容许应力。应力区域应力区域膜应力区膜应力区局部应力区局部应力区荷载组合荷载组合基本基本特殊特殊基本基本特殊特殊产生应力的内力产生应力的内力轴力轴力轴力轴力轴力和轴力和弯矩弯矩轴力轴力轴力和轴力和弯矩弯矩允允许许应应力力明钢管明钢管0.55s0.7s0.67s0.85s0.8s1.0s地下埋管地下埋管0.67s0.9s坝内埋管坝内
13、埋管0.67s0.8s0.9s按明管校核情况按明管校核情况四、管身构造四、管身构造1、无缝钢管无缝钢管：无纵缝，横缝用焊接、法兰连接成整体，：无纵缝，横缝用焊接、法兰连接成整体，强度高，造价高，施工困难。强度高，造价高，施工困难。 国内：国内：D60cm；国外：；国外：D120cm。 适用高水头小流量电站。适用高水头小流量电站。2、焊接管焊接管：钢板按要求的曲率辊成弧形，焊接成管段。：钢板按要求的曲率辊成弧形，焊接成管段。适用于各种直径、水头，造成价低。适用于各种直径、水头，造成价低。 (1) 纵缝：焊缝交错排列，避开两个中心轴纵缝：焊缝交错排列，避开两个中心轴 (2) 相邻管壁厚度差相邻管壁
14、厚度差 2mm，内部光滑，外部成台，内部光滑，外部成台阶状。阶状。3、箍管箍管：钢管外加钢箍。钢管外加钢箍。钢管纵横缝布置钢管纵横缝布置l钢管最小厚度：钢管最小厚度：min (D/800+4)mm，或，或6mml防腐、防锈措施：防腐、防锈措施： 涂料、喷镀、化学保护。加防锈厚度涂料、喷镀、化学保护。加防锈厚度2mm。第五节第五节 明钢管的敷设方式、镇墩、明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备支墩和附属设备 一、敷设方式一、敷设方式v明钢管一般敷设在一系列支墩上，离地面不小于明钢管一般敷设在一系列支墩上，离地面不小于60cm60cm。v转弯处设镇墩，将水管完全固定，相当于梁的固定端。转弯处设镇墩
15、，将水管完全固定，相当于梁的固定端。v水管受力明确，在自重和水重作用下，相当于一个多水管受力明确，在自重和水重作用下，相当于一个多跨连续梁。跨连续梁。v连续式布置连续式布置： 管身在两镇墩间连续，不设伸缩节。温度应力大，管身在两镇墩间连续，不设伸缩节。温度应力大，一般较少采用。一般较少采用。v分段式分段式： 两镇墩之间设置伸缩节两镇墩之间设置伸缩节 (在上镇墩的下游侧在上镇墩的下游侧)。 温度应力小。温度应力小。 二、支墩二、支墩(support)1.功用：承受水重和管重的法向分力。相当于连功用：承受水重和管重的法向分力。相当于连续梁的滚动支承，允许水管在轴向自由移动续梁的滚动支承，允许水管在
16、轴向自由移动(温温度变化时度变化时)。2.布置：间距布置：间距L=612m，D特别大时，特别大时，L取取3m。L小小M、Q小小支墩造价高。支墩造价高。3.类型：类型：滑动式滑动式、滚动式滚动式、摆动式摆动式。(1) 滑动式支墩滑动式支墩v鞍式鞍式(saddle support)：包：包角：角：90120，结构简单，结构简单，造价低，摩擦力大，支承造价低，摩擦力大，支承部位受力不均匀，适用于部位受力不均匀，适用于D1m。v支承环式支承环式(slidding ring girder support)：在支墩：在支墩处管身四周加刚性支承环。处管身四周加刚性支承环。摩擦力小，支承部位受力摩擦力小，支承
17、部位受力较均匀，较均匀，D2m。(3) 摆动式摆动式(rocking ring girder support)v在支承环与墩座之间设一摆动短柱。摩擦系数在支承环与墩座之间设一摆动短柱。摩擦系数f很很小，适用于大直径管道。小，适用于大直径管道。三、镇墩三、镇墩(anchor block)1. 功用：固定钢管，承受因水管改变方向而产生的功用：固定钢管，承受因水管改变方向而产生的轴向不平衡力。水管在此处不产生任何位移。轴向不平衡力。水管在此处不产生任何位移。2. 布置：在水管转弯处，直线段不超过布置：在水管转弯处，直线段不超过150m。3. 类型：一般由混凝土浇制，靠自重维持稳定。类型：一般由混凝土
18、浇制，靠自重维持稳定。 封闭式：应用广泛。结构简单，节约钢村，固定效果好。 开敞式：采用较少。易于检修，但受力不均匀。 封闭式封闭式 开敞式开敞式 镇墩的两种形式镇墩的两种形式四、镇墩和支墩结构设计四、镇墩和支墩结构设计(一一)镇墩结构分析镇墩结构分析v镇墩承受明管传递来的轴向力、剪力、弯矩等荷镇墩承受明管传递来的轴向力、剪力、弯矩等荷载，其中轴向力为主要外荷载。载，其中轴向力为主要外荷载。v镇墩必须以其自重来平衡外荷载，以满足抗滑动镇墩必须以其自重来平衡外荷载，以满足抗滑动和抗倾覆稳定和地基承载能力等要求。和抗倾覆稳定和地基承载能力等要求。 1、作用力分析、作用力分析 求出明钢管作用于镇墩上
19、的各种力，并按照温升求出明钢管作用于镇墩上的各种力，并按照温升情况下钢管充水运行、钢管放空和温降情况下钢情况下钢管充水运行、钢管放空和温降情况下钢管充水运行、钢管放空等进行最不利的组合。管充水运行、钢管放空等进行最不利的组合。 2、求轴向力分量、求轴向力分量 设设 x轴水平顺水方向为正。轴水平顺水方向为正。y轴垂直向下为正，轴垂直向下为正，水管轴线交点为坐标原点。水管轴线交点为坐标原点。 求出轴向力总和在求出轴向力总和在x和和 y轴下的分力：轴下的分力： coscosAAXXX sinsinAAYYY3、拟定镇墩尺寸、拟定镇墩尺寸v镇墩的尺寸应能够将钢管的转弯段完全包住。镇镇墩的尺寸应能够将钢
20、管的转弯段完全包住。镇墩上游面为使钢管受力均匀而垂直管轴，管道的墩上游面为使钢管受力均匀而垂直管轴，管道的外包混凝士厚度不宜小于管径的外包混凝士厚度不宜小于管径的0.40.8倍。为维倍。为维护、检修方便，管道底距地面不宜小于护、检修方便，管道底距地面不宜小于0.6m。在。在土基上的镇墩，底面常做成水平。土基上的镇墩，底面常做成水平。 v镇墩地基应坚实、稳定、可靠。在严寒地区，镇镇墩地基应坚实、稳定、可靠。在严寒地区，镇墩埋深应在冰冻线以下墩埋深应在冰冻线以下1m，对岩基不少于，对岩基不少于0.5m。地震区应将镇墩较深地埋入地基中并适当加大基地震区应将镇墩较深地埋入地基中并适当加大基础面，同时减
21、小镇墩间距。础面，同时减小镇墩间距。v根据结构上的要求拟定出尺寸后，求出镇墩的重根据结构上的要求拟定出尺寸后，求出镇墩的重心位置及其重量心位置及其重量G。 4、求合力作用点及偏心距、求合力作用点及偏心距 利用图解法或数解法求利用图解法或数解法求G及及A的合力作用点位置的合力作用点位置及偏心距及偏心距e。应保证。应保证e在镇墩底宽的二分点以内。在镇墩底宽的二分点以内。 5、抗滑稳定校核、抗滑稳定校核 抗滑稳定应符合下式要求：抗滑稳定应符合下式要求：ccKXGYfK)358(62BBGYMen6、地基承载能力校核、地基承载能力校核 要求地基上均为压应力，且最大值不超过地基的要求地基上均为压应力，且
22、最大值不超过地基的容许值容许值R。可按偏心受压公式计算地基应力。可按偏心受压公式计算地基应力。 要求最大值要求最大值maxR，最小值，最小值min0，不应出现，不应出现负值。负值。 (二二) 支墩结构分析支墩结构分析 支墩承受管重和管内水重的法向分力与镇墩相似。支墩承受管重和管内水重的法向分力与镇墩相似。主要内容也是抗滑、抗倾覆稳定及地基承载力校核主要内容也是抗滑、抗倾覆稳定及地基承载力校核 RBeLBGY61.五、钢管上的闸门、阀门和附件五、钢管上的闸门、阀门和附件1 1、闸门及阀门、闸门及阀门v压力管道进口设快速闸门压力管道进口设快速闸门( (事故门事故门)()(在前池、调在前池、调压室、
23、水库等位置压室、水库等位置) )。v对于联合供水或分组供水的管道，在水轮机进对于联合供水或分组供水的管道，在水轮机进口前应设快速阀门口前应设快速阀门( (事故阀事故阀) )，其型式有蝴蝶阀、，其型式有蝴蝶阀、球阀。球阀。v小型水电站有时用平板阀。小型水电站有时用平板阀。(1) 蝴蝶阀蝴蝶阀(Butterfly Valve)v优点：启闭力小，操作方便迅速，体积小，重量轻，优点：启闭力小，操作方便迅速，体积小，重量轻，造价低。造价低。v缺点：开启状态时，阀体对水流有扰动，水头损失缺点：开启状态时，阀体对水流有扰动，水头损失较大；关闭状态止水不严。较大；关闭状态止水不严。v动水中关闭，在静水中开启动
24、水中关闭，在静水中开启 (2) 球阀：球形外壳球阀：球形外壳+可旋转的圆筒形阀体可旋转的圆筒形阀体+附件。附件。v优点：开启状态时没有水头损失，止水严密，能承优点：开启状态时没有水头损失，止水严密，能承受高压。受高压。v缺点：结构复杂，尺寸和重量大，造价高。缺点：结构复杂，尺寸和重量大，造价高。v适用：高水头电站。适用：高水头电站。世世界界上上最最大大的的球球阀阀2、伸缩节、伸缩节(expansion joint) v功用：消除温度应力，且适应少量的不均匀沉陷。功用：消除温度应力，且适应少量的不均匀沉陷。 v位置：常在上镇墩的下游侧位置：常在上镇墩的下游侧(为什么？为什么？) v伸缩节的型式较
25、多，常见的几种见下页图。伸缩节的型式较多，常见的几种见下页图。伸缩节的几种形式伸缩节的几种形式(a)套筒式伸缩节套筒式伸缩节 (b)波纹密封套筒式伸缩节波纹密封套筒式伸缩节(c)压盖式限拉伸缩节压盖式限拉伸缩节 (d)波纹管伸缩节波纹管伸缩节伸缩节动画伸缩节动画 3、 通气阀通气阀 作用：作用：当阀门紧急关闭时，向管内充气，以消除管当阀门紧急关闭时，向管内充气，以消除管中负压；水管充水时，排出管中空气。中负压；水管充水时，排出管中空气。 位置：位置：阀门之后。阀门之后。 4、 进人孔进人孔 作用：作用：检修钢管；位置：钢管上方；直径：检修钢管；位置：钢管上方；直径：50cm左左右，间距右，间距
26、100m 。 5、旁通阀及排水设备、旁通阀及排水设备v旁通阀：旁通阀：设在水轮机进水阀门处；作用：阀门前后设在水轮机进水阀门处；作用：阀门前后平压后开启，以减小启闭力。平压后开启，以减小启闭力。v排水管：排水管：应设置在水管的最低点；作用：在检修水应设置在水管的最低点；作用：在检修水管时用于排出管中的积水和渗漏水。管时用于排出管中的积水和渗漏水。第六节第六节 明钢管的管身应力分析明钢管的管身应力分析一、明钢管的荷载一、明钢管的荷载v内水压力内水压力( (包括各种静水压力、水重，水压试验和包括各种静水压力、水重，水压试验和充、放水时的水压力充、放水时的水压力) ) v钢管自重钢管自重v温度变化引
27、起的荷载温度变化引起的荷载v镇墩和支墩不均匀沉陷引起的力镇墩和支墩不均匀沉陷引起的力v风荷载和雪荷载风荷载和雪荷载v施工荷载施工荷载v地震荷载地震荷载v管道放空时通气设备造成的负压。管道放空时通气设备造成的负压。明钢管的荷载计算公式明钢管的荷载计算公式指向 受力部位 序号 作用力方向 作 用 力 名 称 计 算 公 式 上段 下段 管壁 支墩 镇墩 1.1 径向 内水压力强度 P HP 2.1 钢管自重的分力 Qs cosLqQss 2.2 垂直 管轴 管内水重的分力 Qw cosLqQww 3.1 钢管自重的分力 A1 sin1LqAs 顺 顺 3.2 关闭的阀门及闷头上的力 A2 4/20
28、2PDA 顺或逆 顺或逆 3.3 渐缩管上的内水压力 A3 4/)(2min2max3PDDA 顺 顺 3.4 伸缩节端部的内水压力 A4 4/)(22214PDDA 顺 逆 3.5 弯管上内水压力的分力 A5 4/205PDA 顺 逆 3.6 弯管上水流离心力的分力 A6 gvDAw4/20206 顺 逆 3.7 温变时伸缩节止水填料的摩擦力 A7 PbDAPP17 顺 逆 逆 顺 cos)(81LqqAws 顺 逆 逆 顺 温度作用 温变时支座垫板与钢管间或支座上下垫板间的摩擦力 A8 cos)(82LqqAws 逆 顺 顺 逆 3.8 平 行 管 轴 情 况 温升 温降 温升 温降 明钢
29、管荷载组合明钢管荷载组合 序序号号荷载荷载基本荷载组合基本荷载组合特殊荷载组合特殊荷载组合正常运行正常运行放空放空特殊特殊运行运行水压水压试验试验施工施工充水充水地震地震( (一一) ) ( (二二) )1 1内内水水压压力力正常蓄水位的静水正常蓄水位的静水压力压力正常工况最高压力正常工况最高压力特殊工况最高压力特殊工况最高压力水压试验内水压力水压试验内水压力2 2钢管结构自重钢管结构自重3 3钢管内的满水重钢管内的满水重4 4钢管充水、放水过程中，钢管充水、放水过程中，管内部分水重管内部分水重5 5温度变化引起的力温度变化引起的力明钢管荷载组合明钢管荷载组合序序号号荷载荷载基本荷载组合基本荷
30、载组合特殊荷载组合特殊荷载组合正常运行正常运行放空放空特殊特殊运行运行水压水压试验试验施工施工充水充水地震地震( (一一) ) ( (二二) )6 6管道直径变化处、转弯管道直径变化处、转弯处及作用在堵头、闸阀、处及作用在堵头、闸阀、伸缩节上的水压力伸缩节上的水压力7 7镇墩、支墩不均匀沉陷镇墩、支墩不均匀沉陷引起的力引起的力8 8风荷载风荷载或或9 9或或9 99 9雪荷载雪荷载1010施工荷载施工荷载1111地震荷载地震荷载1212管道放空时，管内外气管道放空时，管内外气压差压差二、管身应力分析和结构设计二、管身应力分析和结构设计v 钢管管壁厚度估算钢管管壁厚度估算v 用锅炉公式初拟管壁厚
31、度用锅炉公式初拟管壁厚度v 根据规范要求，焊缝系数根据规范要求，焊缝系数一般取为一般取为0.90.95，允许，允许应力取钢管材料允许应力的应力取钢管材料允许应力的85%。考虑钢管运行期。考虑钢管运行期间的锈蚀、磨损及钢板厚度误差，间的锈蚀、磨损及钢板厚度误差， 实际实际=+2mm（锈蚀厚度）（锈蚀厚度）v 由于制造、运输、安装等要求有一定的刚度，因而由于制造、运输、安装等要求有一定的刚度，因而需要限制管壁的最小厚度需要限制管壁的最小厚度min。min=D/800+4(mm)，且不宜小于且不宜小于6 mm。 22HDPD管壁应力计管壁应力计算坐标系算坐标系 应力分析的四个基本断面应力分析的四个基
32、本断面 一般情况下，最后一跨的应力最大。根据受力特点常一般情况下，最后一跨的应力最大。根据受力特点常选四个断面进行应力分析。选四个断面进行应力分析。v跨中断面跨中断面11：只有整体弯距作用，且弯距最大只有整体弯距作用，且弯距最大,无局无局部应力部应力受力最简单；受力最简单；v支承环旁管壁膜应力区边缘，断面支承环旁管壁膜应力区边缘，断面22：整体弯距和整体弯距和剪力共同作用，均按最大值计算，无局部应力剪力共同作用，均按最大值计算，无局部应力受受力比较简单；力比较简单；v加劲环及其旁管壁，断面加劲环及其旁管壁，断面33：由于加劲环的约束，由于加劲环的约束，存在存在局部应力局部应力；v支承环及其旁管
33、壁，断面支承环及其旁管壁，断面44：应力最复杂，存在整应力最复杂，存在整体弯距和剪力体弯距和剪力(支承反力支承反力)的作用，有的作用，有局部应力局部应力。(一一) 跨中段面跨中段面(1)-(1)的管壁应力的管壁应力 跨中段面属于膜应力区，其特点是弯矩最大，剪力跨中段面属于膜应力区，其特点是弯矩最大，剪力为零。为零。 1径向应力径向应力 管壁内表面管壁内表面: ， “-”表示压应力。表示压应力。 管壁外表面：管壁外表面： rHr0r2切向切向(环向环向)应力应力 设压力水管中心处的水头为设压力水管中心处的水头为H，而水管轴线与水平，而水管轴线与水平面的夹角为面的夹角为，则在管壁中任意一点，则在管
34、壁中任意一点(该点半径与管该点半径与管顶半径的夹角为顶半径的夹角为)的水头为的水头为coscosrH 压力管道水压力分布及管壁微圆弧的受力平衡图压力管道水压力分布及管壁微圆弧的受力平衡图v因此推导出环向拉力和环向拉应力因此推导出环向拉力和环向拉应力1v简化为：简化为：)coscos(rHrTcoscos11rHrT)coscos1 (HrrP2/11DHTP3轴向应力轴向应力 =法向力引起的轴向弯曲应力法向力引起的轴向弯曲应力 +轴向轴向作用力引起的轴向应力作用力引起的轴向应力 x1x2x法向力引起的弯矩和剪力法向力引起的弯矩和剪力 均布荷载作用下连续梁内力分布均布荷载作用下连续梁内力分布(1
35、) 法向力作用引起的管壁轴向应力法向力作用引起的管壁轴向应力 M水重和管重的法向分力作用下连续梁的弯矩；水重和管重的法向分力作用下连续梁的弯矩；W连续梁连续梁(空心圆环空心圆环)的断面模数，的断面模数， (2) 轴向力引起的轴向应力轴向力引起的轴向应力 在轴向力的合力在轴向力的合力A作用下，管壁中产生的轴向应作用下，管壁中产生的轴向应力为，管壁的断面积为力为，管壁的断面积为F，则，则 coscos21rMWMx1x2rW 2xDAFAx2 1-1 断面应力状态图形断面应力状态图形(二二) (2)-(2) 断面的管壁应力断面的管壁应力v(2)-(2)断面虽然靠近支承环，但在支承环的影响范断面虽然
36、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。为围之外，即不考虑支承环对管壁的约束作用。为了安全起见，认为该断面的弯矩和剪力与支承环了安全起见，认为该断面的弯矩和剪力与支承环断面相等。断面相等。v跨中断面和支承环断面的管道弯矩大小相等，方跨中断面和支承环断面的管道弯矩大小相等，方向相反，支承环处存在剪力向相反，支承环处存在剪力V。所以在垂直于管道。所以在垂直于管道轴线的横断面上剪应力的计算公式为轴线的横断面上剪应力的计算公式为rVbJVSRxsin式中式中 V管重和水重法向分力作用下连续梁的剪力管重和水重法向分力作用下连续梁的剪力; SR计算点以上管壁环形截面积对重心轴
37、静矩计算点以上管壁环形截面积对重心轴静矩, ； b受剪截面宽度，受剪截面宽度， ； J截面惯性矩，截面惯性矩， 。v当当=0(管道顶部管道顶部)和和=180(底部底部)时，时， =0；当；当=90(侧面中点侧面中点)时，达到最大值时，达到最大值 v断面断面(2)-(2)的其他正应力的其他正应力r、和和x均与断面均与断面(1)-(1)相等，但符号不尽相同。相等，但符号不尽相同。sin22rSR2b338rDJxFVx2 2-2 断面应力状态图形断面应力状态图形(三三) 加劲环及其旁管壁，断面加劲环及其旁管壁，断面(3)-(3)管壁应力管壁应力 管壁变形图管壁变形图1、轴向应力、轴向应力v支承环处
38、的管壁由于支承环的约束，在内水压力作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，与断面用下发生局部弯曲，因此，与断面2-2相比，相比，增加增加了了局部弯曲应力局部弯曲应力x2，切向应力切向应力也因支承环的影响而也因支承环的影响而改变改变。v支承环在管壁中引起的局部弯曲应力随离开支承环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，因此影响范围不大。影响范围的距离而很快衰减，因此影响范围不大。影响范围的等效宽度为：的等效宽度为： 式中式中 r和和管道的半径和管壁的厚度管道的半径和管壁的厚度;rl78. 0v由壳体理论和变形协调方程，可以求出管壁处的局由壳体理
39、论和变形协调方程，可以求出管壁处的局部剪力部剪力Q和局部弯矩和局部弯矩M： Q=lHP M=0.5 (l)2HP =(Fk-a)/(Fk+2l)其中：其中：Fk为加劲环的净面积。为加劲环的净面积。v所以：所以：x2=6M/2=1.82HPD/2 =1.821(内壁受拉内壁受拉)2、剪应力、剪应力xrv管壁的内缘和外缘，管壁的内缘和外缘，xr=0v管壁的中心：管壁的中心： xr=3Q/23、环向应力、环向应力2v由内水压力和局部剪力所引起，所以：由内水压力和局部剪力所引起，所以：因为因为 所以所以kkFlaprFrplpa22212 laFk)1 ()1 (12pr断面(3)-(3)各应力的方向
40、和分布(四四) 支承环及其旁管壁，断面支承环及其旁管壁，断面(4)(4)的管壁应力的管壁应力 v支承环由于承担管重和水重法向力支承环由于承担管重和水重法向力Q而在支墩处引而在支墩处引起的支承反力起的支承反力R，从而在支承环内产生，从而在支承环内产生附加应力附加应力。 1支承环的支承方式支承环的支承方式 侧支承和下支承两种形式。侧支承和下支承两种形式。图中点划线为支承环图中点划线为支承环有效截面重心轴，它与圆心距离为半径有效截面重心轴，它与圆心距离为半径R，支墩支，支墩支承点至支承环截面有效重心轴距离为承点至支承环截面有效重心轴距离为b，支承反力，支承反力为为Q/2cos。v 当采用侧支承时，根
41、据理论分析，在设计时取当采用侧支承时，根据理论分析，在设计时取b=0.04R，可使环上最大正弯矩与最大负弯矩接，可使环上最大正弯矩与最大负弯矩接近相等，则钢材性能得到最充分的发挥。近相等，则钢材性能得到最充分的发挥。2 支承环所承受的荷载支承环所承受的荷载 (1)管重和水重法向分力产生的剪力；管重和水重法向分力产生的剪力； 管重和水重在支承环两侧管壁上产生的剪应力均管重和水重在支承环两侧管壁上产生的剪应力均为为 ，因此沿管壁圆周单位长度，因此沿管壁圆周单位长度上作用在支承环上的剪力为上作用在支承环上的剪力为 (2) 支墩两侧的反力支墩两侧的反力0.5Q，钢管一般都是倾斜布置，钢管一般都是倾斜布
42、置，支承反力为支承反力为 ； (3) 支承环自重，但相对较小，可以不计。支承环自重，但相对较小，可以不计。cossin12rQSxxcos5 .0Qcossin2 rQx3支承环内力计算支承环内力计算v支承环的内力计算常采用结构力学中的弹性中心方支承环的内力计算常采用结构力学中的弹性中心方法进行。因为钢管断面是一个对称圆环，是一个三法进行。因为钢管断面是一个对称圆环，是一个三次超静定结构，可用弹性中心法计算支承环上各点次超静定结构，可用弹性中心法计算支承环上各点的内力。的内力。v要进行支承环截面的内力计算，实际上是要计算一要进行支承环截面的内力计算，实际上是要计算一个封闭圆环各断面上的弯矩个封
43、闭圆环各断面上的弯矩MR、剪力、剪力TR和轴力和轴力NR。 支承环计算简图支承环计算简图 b=0.04R时支承环内力图时支承环内力图图中弯矩画在受拉一边，正的图中弯矩画在受拉一边，正的MR表示支承环外侧受表示支承环外侧受拉，正的拉，正的NR表示拉力，正的表示拉力，正的TR方向如方向如。v计算出支承反力产生的弯矩MR、轴力NR和剪力TR后，它们所产生的应力分别为FNR3aJSTRRRrRRRRRWMJZM4ZR计算点与重心轴的距离；计算点与重心轴的距离；JR支承环有效截面对重心轴的惯性矩；支承环有效截面对重心轴的惯性矩；WR支承环有效截面对重心轴的面积矩；支承环有效截面对重心轴的面积矩；SR支承
44、环有效截面上，计算点以外部分对重支承环有效截面上，计算点以外部分对重心轴的静矩；心轴的静矩；a支承环腹板厚度；支承环腹板厚度；F支承环有效截面积，包括管壁等效翼缘支承环有效截面积，包括管壁等效翼缘 断面断面(4)-(4)各应力的方向和分布各应力的方向和分布明钢管管身应力计算公式汇总明钢管管身应力计算公式汇总应 力 断面 (1)-(1) (2)-(2) (3)-(3) (4)-(4) 计 算 公 式 1 1 )coscos1 (1HrrP 2 2 )1(2Pr 3 FNR3 4 RRRRRWMJZM4 r aJSTRRRr(支 承 环 腹 板) 纵 断 面 x x x xx 1x 1x 1x 1
45、x )sincos(121exMMr 2x 2x 2x 2x DAx2 3x 3x Prx816.13(管 壁 内 缘 +， 外 缘 -) 横 断 面 x x x rVVexcossin (五五)、管身强度校核、管身强度校核v钢管为三维受力状态，计算出各个应力分量后，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，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，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。直到满足强度条件。目前多采用第四强度理论。目前多采用第四强度理论。v目前电力行业规范采用极限强度理论验算
46、钢管的目前电力行业规范采用极限强度理论验算钢管的强度，各项荷载给出分项系数，验算承载能力极强度，各项荷载给出分项系数，验算承载能力极限状态。限状态。)( 3222222rxxrrrxxrx3222xxx1.1.明钢管外压失稳的原因及失稳现象明钢管外压失稳的原因及失稳现象v机组运行过程中由于负荷变化产生负水击，而使机组运行过程中由于负荷变化产生负水击，而使管道内产生负压；管道内产生负压；v管道放空时通气孔失灵，而在管道内产生真空。管道放空时通气孔失灵，而在管道内产生真空。v管道内部产生真空或负压时，管壁在外部的大气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丧失稳定，管壁被压瘪。压力下可
47、能丧失稳定，管壁被压瘪。(六六) 外压稳定校核外压稳定校核2.光滑管段的稳定性光滑管段的稳定性 当外压力当外压力P增加到临界压力增加到临界压力Pcr时，钢管管壁就丧时，钢管管壁就丧失稳定。临界压力失稳定。临界压力Pcr为为 为了安全起见，引入安全系数为了安全起见，引入安全系数K，要求：，要求：PcrKP。 取取K=2.0，P=0.1MPa，钢材的弹模，钢材的弹模E=2105MPa, 略去略去2，则得到光滑钢管段不失稳的条件为：，则得到光滑钢管段不失稳的条件为：32233)1 (2)1 (123DEErPcr130D3、加劲钢管的外压稳定、加劲钢管的外压稳定v如按上述要求，管径太大时管壁太厚而无
48、法加工，如按上述要求，管径太大时管壁太厚而无法加工，因此可采用在管壁上增加加劲环以提高管壁刚度的因此可采用在管壁上增加加劲环以提高管壁刚度的措施。措施。 (1) 加劲环之间的管壁外压稳定性加劲环之间的管壁外压稳定性2222222332222221121)1 (121) 1(rLnnnrErLnnrEPcr4/12/174. 2rLrn也可以用查图表的方法求临界压力。 (2) 加劲环断面的外压稳定加劲环断面的外压稳定v两个要求两个要求加劲环断面本身不失稳加劲环断面的压应力小于材料的允许值。 v按光滑管的公式计算，但是等式右边应该除以加按光滑管的公式计算，但是等式右边应该除以加劲环的间距劲环的间距
49、L，其他参数用加劲环有效断面计算。，其他参数用加劲环有效断面计算。 LREJKPPkcr33四、地面压力钢管的设计步骤四、地面压力钢管的设计步骤1、线路选择：选择几个方案，进行技术经济比较。、线路选择：选择几个方案，进行技术经济比较。2、管径确定：通过动能经济比较，确定经济直径。、管径确定：通过动能经济比较，确定经济直径。3、管道布置及附件设计：镇墩、支墩、伸缩节、进、管道布置及附件设计：镇墩、支墩、伸缩节、进人孔、阀门。人孔、阀门。4、水力计算：、水力计算： (1)恒定流：确定钢管在不同流量下的水头损失。恒定流：确定钢管在不同流量下的水头损失。 (2)非恒定流：水电站在工况发生变化时，钢管的
50、水非恒定流：水电站在工况发生变化时，钢管的水击压力。击压力。5、压力钢管结构设计、压力钢管结构设计(1) 初步拟定管壁厚度初步拟定管壁厚度(考虑锈蚀厚度考虑锈蚀厚度)；(2) 根据管壁厚度用光滑管外压稳定计算公式进行外根据管壁厚度用光滑管外压稳定计算公式进行外压稳定校核，如果不稳定设置加劲环压稳定校核，如果不稳定设置加劲环(也可用支也可用支承环代替承环代替)，并选定其间距；，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；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进行强度校
