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1、第一節(jié) 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

2、壩上游面管、壩下游面管 鋼筋混凝土結(jié)構、鋼襯鋼筋鋼筋混凝土結(jié)構、鋼襯鋼筋混凝土結(jié)構混凝土結(jié)構第1頁/共113頁第一節(jié) 壓力管道的類型鋼管管節(jié) 鋼筋混凝土管第2頁/共113頁第一節(jié) 壓力管道的類型聚酯材料管 木管第3頁/共113頁第二節(jié) 壓力管道的布置和供水方式第4頁/共113頁一、壓力管道的布置壓力管道線路選擇應結(jié)合其它建筑物(前池、調(diào)壓室)和水電站廠房布置統(tǒng)一考慮。路線盡可能短、直。(經(jīng)濟，hf和H小)。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)。盡量減小起伏, 避免出現(xiàn)負壓; 轉(zhuǎn)彎半徑R3D。避開可能發(fā)生山崩或滑坡的地區(qū)以及山水集中的地區(qū)，可沿山脊布置。明鋼管首部設事故閘門，并考

3、慮事故排水等第5頁/共113頁二、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。2.縱向引近：高、中水頭電站。避免水流直沖廠房。3.斜向引近：分組供水和聯(lián)合供水。第6頁/共113頁二、壓力管道引進廠房的方式 (a)、(b) 正向引進 (c)、(d) 縱向引進 (e) 斜向引進 壓力水管引進廠房的方式第7頁/共113頁三、供水方式1單元供水：一管一機。不設下閥門。 優(yōu)點：結(jié)構簡單(無岔管)、工作可靠、靈活性好，易于制作，無岔管 缺點：造價高 適用：(1) 單機流量大、長度短的地下埋管或明管； (2) 混凝土壩內(nèi)管道和明管

4、道第8頁/共113頁三、供水方式2聯(lián)合供水： 一根主管，向多臺機組供水。設下閥門。 優(yōu)點：造價低 缺點：結(jié)構復雜（岔管）、靈活性差 適用：機組少、單機流量小、引水道長的地下埋管和明管3. 分組供水： 設多根主管，每根主管向數(shù)臺機組供水。設下閥門。 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. 第9頁/共113頁三、供水方式單元供水 聯(lián)合供水 分組供水 第10頁/共113頁第三節(jié) 水力計算和經(jīng)濟直徑的確定一、水力計算 恒定流計算：確定管道的水頭損失，包括沿程和局部兩部分。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，按水力學公式計算。

5、hw電能裝機容量管徑選擇 非恒定流計算：水錘計算(N變Q變H變) ，確定管道中各點的動水壓力和變化過程。 水擊壓強確定壓力管道荷載和管線(最高壓力線和最低壓力線) 第11頁/共113頁二、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(要考慮流速、水擊壓力的影響)，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。2. 經(jīng)驗公式法：簡化條件推導公式。精度較低，初步設計時采用 Qmax壓力管道設計流量，H設計水頭3. 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7m/s，Ae= Qmax/Ve73max2 . 5HQD 第12頁/共113頁第四節(jié) 鋼管的材料和管身構

6、造 第13頁/共113頁一、鋼管的材料 管道的受力構件有管壁、加勁環(huán)、支承環(huán)、支座滾輪、支承板等 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：A3、16Mn，或經(jīng)過正火的15MnV、15MnTi。滾輪可采用A3、A4、A5、16Mn或35、45等優(yōu)質(zhì)鋼材。 第14頁/共113頁二、鋼材性能的要求(一) 壓力管道的工作特點與制作程序 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(水溫在4左右)對鋼材的工作條件不利。 制作過程： 板裁：冷卷、輥壓成形； 現(xiàn)場焊接(自動焊、手焊)； 檢查焊縫(射線、超聲波) 第15頁/共113頁二、鋼材性能的要求(二) 鋼材性能要求1、

7、機械性能 屈服強度s 、抗拉強度b ；塑性指標：斷裂時的延伸率、斷面收縮率；沖擊韌性ak。要求強度高、塑性好(沖擊、低溫、加工)可焊性能好。 A3鋼機械性能適用于壓力管道，但容許應力低。 當HD600m2，=32mm40mm，不易加工。 當HD較高時采用16Mn，其強度高，但塑性差： 強度越高，塑性越差。若采用高強鋼，要有充分的論證。一般A3、16Mn不需論證，可直接采用。第16頁/共113頁二、鋼材性能的要求2、加工性能 輥軋、冷彎、焊接、切割，要求焊接性能好，冷加工的塑性變形小，加工后無殘余應力，焊縫和熱影響區(qū)不產(chǎn)生裂紋。3、化學成份 影響鋼材的強度、焊接性能，含碳不要過高(脆)，含硫量和

8、含硅量也不能高。第17頁/共113頁三、容許應力 鋼材的容許應力一般用屈服強度除以安全系數(shù)得到，即 =s/K 不同的荷載、不同的部位采用不同的容許應力，見表8-2。第18頁/共113頁四、管身構造1、無縫鋼管：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。 國內(nèi)：D60cm；國外：D120cm。 適用高水頭小流量電站。2、焊接管：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。 (1) 縱縫：焊縫交錯排列，避開兩個中心軸 (2) 相鄰管壁厚度差 2mm，內(nèi)部光滑，外部成臺階狀。第19頁/共113頁四、管身構造第20頁/共113頁四、管身構造3、箍管：鋼管外

9、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、化學保護。涂料、噴鍍、化學保護。加防銹厚度加防銹厚度2mm。第21頁/共113頁第五節(jié) 明鋼管的敷設方式、鎮(zhèn)墩、支墩和附屬設備 第22頁/共113頁 一、敷設方式 明鋼管一般敷設在一系列支墩上，離地面不小于60cm 轉(zhuǎn)彎處設鎮(zhèn)墩，將水管完全固定，相當于梁的固定端。 水管受力明確，在自重和水重作用下，相當于一個多跨連續(xù)梁.第23頁/共113頁一、敷設方式 連續(xù)式布置： 管身在兩鎮(zhèn)墩間連續(xù)，不設伸縮節(jié)。溫度應力大，一般較少采用。 分段式： 兩鎮(zhèn)墩之間設置伸縮節(jié) (在上鎮(zhèn)

10、墩的下游側(cè))。 溫度應力小。第24頁/共113頁 二、支墩(support)1.功用：承受水重和管重的法向分力。相當于連續(xù)梁的滾動支承，允許水管在軸向自由移動(溫度變化時)。2.布置：間距L=612m，D特別大時，L取3m。L小M、Q小支墩造價高。3.類型：滑動式、滾動式、擺動式。第25頁/共113頁(1) 滑動式支墩 鞍式(saddle support)：包角：90120，結(jié)構簡單，造價低，摩擦力大，支承部位受力不均勻，適用于D1m。 支承環(huán)式(slidding ring girder support)：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，D2m。第27頁/共113頁

11、(3) 擺動式(rocking ring girder support) 在支承環(huán)與墩座之間設一擺動短柱。摩擦系數(shù)f很小，適用于大直徑管道。第28頁/共113頁 三、鎮(zhèn)墩(anchor block)1. 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)生任何位移。2. 布置：在水管轉(zhuǎn)彎處，直線段不超過150m。3. 類型：一般由混凝土澆制，靠自重維持穩(wěn)定。 封閉式：應用廣泛。結(jié)構簡單，節(jié)約鋼村，固定效果好。 開敞式：采用較少。易于檢修，但受力不均勻。第29頁/共113頁 三、鎮(zhèn)墩(anchor block) 封閉式 開敞式 第30頁/共113頁三、鎮(zhèn)墩(anchor bl

12、ock)4、設計 荷載見表8-3，P126。根據(jù)管道的滿水、放空、溫升、溫降等情況，找出最不利的荷載組合。 設計內(nèi)容包括抗滑穩(wěn)定、地基應力校核、細部構造設計。 一般由混凝土澆制，靠自重維持穩(wěn)定。第31頁/共113頁 四、鋼管上的閘門、閥門和附件1、閘門及閥門 壓力管道進口設快速閘門(事故門)(在前池、調(diào)壓室、水庫等位置)。 對于聯(lián)合供水或分組供水的管道，在水輪機進口前應設快速閥門(事故閥)，其型式有蝴蝶閥、球閥。小型水電站有時用平板閥。第32頁/共113頁四、鋼管上的閘門、閥門和附件(1) 蝴蝶閥(Butterfly Valve) 優(yōu)點：啟閉力小，操作方便迅速，體積小,重量輕，造價低。 缺點：

13、開啟狀態(tài)時，閥體對水流有擾動，水頭損失較大；關閉狀態(tài)止水不嚴。 動水中關閉，在靜水中開啟 第33頁/共113頁 四、鋼管上的閘門、閥門和附件(2) 球閥：球形外殼+可旋轉(zhuǎn)的圓筒形閥體+附件。 優(yōu)點：開啟狀態(tài)時沒有水頭損失，止水嚴密，能承受高壓。 缺點：結(jié)構復雜，尺寸和重量大，造價高。 適用：高水頭電站。世界上最大的球閥第34頁/共113頁 四、鋼管上的閘門、閥門和附件2、伸縮節(jié)(expansion joint) 功用：消除溫度應力，且適應少量的不均勻沉陷 位置：常在上鎮(zhèn)墩的下游側(cè) 伸縮節(jié)的型式較多，常見的幾種見下頁圖。第35頁/共113頁伸縮節(jié)(a)套筒式伸縮節(jié) (b)波紋密封套筒式伸縮節(jié)(c

14、)壓蓋式限拉伸縮節(jié) (d)波紋管伸縮節(jié)第36頁/共113頁伸縮節(jié)動畫第37頁/共113頁 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、 通氣閥 作用：當閥門緊急關閉時，向管內(nèi)充氣，以消除管中負壓；水管充水時，排出管中空氣 位置：閥門之后 4、 進人孔 作用：檢修鋼管；位置：鋼管上方；直徑：50cm左右,間距100m 。 5、 旁通閥及排水設備 旁通閥：設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。 排水管：水管的最低點應設置；作用：在檢修水管時用于排出管中的積水和滲漏水第38頁/共113頁第六節(jié) 明鋼管的管身應力分析結(jié)構設計狀況：持久狀況、短暫狀況、偶然狀況三

15、種設計狀況均應進行承載能力極限狀態(tài)設計。持久狀況還應進行正常使用極限狀態(tài)設計，短暫狀況可根據(jù)需要進行正常使用極限狀態(tài)設計。承載能力極限狀態(tài)：指鋼管結(jié)構或構件，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)承載的變形。正常使用極限狀態(tài)：鋼管結(jié)構或構件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值。第39頁/共113頁第六節(jié) 明鋼管的管身應力分析 結(jié)構設計狀況分為持久狀況、短暫狀況和偶然狀況三種。 三種設計狀況均應進行承載能力極限狀態(tài)設計。 持久狀況還應進行正常使用極限狀態(tài)設計； 短暫狀況可根據(jù)需要進行正常使用極限狀態(tài)設計； 偶然狀況可不進行正常使用極限狀態(tài)設計。 承載能力極限狀態(tài)，是指鋼管結(jié)構或構

16、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)承載的變形； 正常使用極限狀態(tài)，是鋼管結(jié)構或構件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值。第40頁/共113頁 按照設計規(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： 主要結(jié)構構件的承載能力計算，管壁和加勁環(huán)的抗外壓穩(wěn)定計算。 如有必要應進行鎮(zhèn)墩和支墩抗傾、抗滑及抗浮驗算； 如有抗震要求，還應進行抗震承載能力計算第41頁/共113頁一、荷載計算及其分項系數(shù)一、荷載計算及其分項系數(shù) 按荷載的作用方向可以將其分為軸向力、徑向力和法向力。 每種荷載都有其不同的作用分載系數(shù)，見表8-2。 作用在明鋼管上的各種作用力計算公式及作用方向見表

17、8-3，但風荷載、雪荷載、地震荷載等需查閱水工建筑物荷載設計規(guī)范。 第42頁/共113頁二、荷載組合二、荷載組合 鋼管結(jié)構設計應根據(jù)承載能力極限狀態(tài)的要求，對不同設計狀況下可能同時出現(xiàn)的作用，進行相應的作用效應組合，對明鋼管要求的組合見表8-4。 表8-4 明鋼管按承載能力極限狀態(tài)設計的作用效應組合與計算情況 第43頁/共113頁第七節(jié) 管身應力分析和結(jié)構設計 鋼管管壁厚度估算 鍋爐公式初擬管壁厚度 根據(jù)規(guī)范要求，焊縫系數(shù)一般取為0.90.95，允許應力取鋼管材料允許應力的75% 85%?？紤]鋼管運行期間的銹蝕、磨損及鋼板厚度誤差， 實際=+2mm（銹蝕厚度） 在實際工程中，考慮到制造、運輸、

18、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min。min一般取為D/800+4(mm)，且不宜小于6 mm 22HDPD第44頁/共113頁一、管身應力分析和結(jié)構設計1、四個基本斷面第45頁/共113頁 一、管身應力分析和結(jié)構設計一般情況下，最后一跨的應力最大。根據(jù)受力特點常選四個斷面進行應力分析。 跨中斷面11:只有彎距作用，且彎距最大,無局部應力受力最簡單； 支承環(huán)旁管壁膜應力區(qū)邊緣，斷面22：彎距和剪力共同作用，均按最大值計算，無局部應力受力比較簡單； 加勁環(huán)及其旁管壁，斷面33：由于加勁環(huán)的約束，存在局部應力； 支承環(huán)及其旁管壁，斷面44：應力最復雜，存在彎距和剪力(支

19、承反力)的作用，有局部應力。第46頁/共113頁( (一一) ) 跨中段面跨中段面(1)-(1)(1)-(1)的管壁應力的管壁應力 跨中段面屬于膜應力區(qū)，其特點是彎矩最大，剪力為零。 1徑向應力 管壁內(nèi)表面: ， “-”表示壓應力。 管壁外表面： rHr0r第47頁/共113頁( (一一) ) 跨中段面跨中段面(1)-(1)(1)-(1)的管壁應力的管壁應力2切向(環(huán)向)應力 設壓力水管中心處的水頭為H，而水管軸線與水平面的夾角為，則在管壁中任意一點(該點半徑與管頂半徑的夾角為)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第48

20、頁/共113頁推導出管壁中的切向拉力T 和切向應力1)coscos(rHrTcoscos11rHrT)coscos1 (HrrP( (一一) ) 跨中段面跨中段面(1)-(1)(1)-(1)的管壁應力的管壁應力第49頁/共113頁( (一一) ) 跨中段面跨中段面(1)-(1)(1)-(1)的管壁應力的管壁應力3軸向應力 =法向力引起的軸向彎曲應力 +軸向作用力引起的軸向應力 x1x2x法法向向力力引引起起的的彎彎矩矩和和剪剪力力 第50頁/共113頁( (一一) ) 跨中段面跨中段面(1)-(1)(1)-(1)的管壁應力的管壁應力(1) 法向力作用引起的管壁軸向應力 M水重和管重的法向分力作

21、用下連續(xù)梁的彎矩； W連續(xù)梁(空心圓環(huán))的斷面模數(shù)， (2) 軸向力引起的軸向應力 在軸向力的合力A作用下，管壁中產(chǎn)生的軸向應力為，管壁的斷面積為F，則 coscos21rMWMx1x2rW 2xDAFAx2第51頁/共113頁 ( (二二) (2)-(2) ) (2)-(2) 斷面的管壁應力斷面的管壁應力 (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，即不考慮支承環(huán)對管壁的約束作用。為了安全起見，認為該斷面的彎矩和剪力與支承環(huán)斷面相等。 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V。所以在垂直于管道軸線的橫斷面上剪應力的計算公式為 rVbJVSRxsin

22、第52頁/共113頁( (二二) (2)-(2) ) (2)-(2) 斷面的管壁應力斷面的管壁應力式中 V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， ； b受剪截面寬度， ； J截面慣性矩， 。 當=0(管道頂部)和=180(管道底部)時， =0；當=90(管道側(cè)面中點)時，達到最大值 斷面(2)-(2)的其他正應力r、和x均與斷面(1)-(1)相等，但符號不盡相同 sin22rSR2b338rDJxFVx2第53頁/共113頁 2-2斷面圖形第54頁/共113頁( (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

23、)的管壁的管壁應力應力 第55頁/共113頁 第56頁/共113頁( (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)的管壁的管壁應力應力 支承環(huán)由于承擔管重和水重法向力Q而在支墩處引起的支承反力R，從而在支承環(huán)內(nèi)產(chǎn)生附加應力。 1支承環(huán)的支承方式 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)截面有效重心軸距離為b，支承反力為 。 當采用側(cè)支承時，設支承反力離支承環(huán)重心軸距離為b。根據(jù)分析，在設計時取b=0.04R，可使環(huán)上最大正彎矩與最大負彎矩接近相等，則鋼材性能得到最充分的發(fā)揮。cos2Q第57頁/共1

24、13頁( (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)的管壁的管壁應力應力支承環(huán)支承方式支承環(huán)支承方式 第58頁/共113頁( (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)的管壁的管壁應力應力 2 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； 管重和水重在支承環(huán)兩側(cè)管壁上產(chǎn)生的剪應力均為 ， 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0.5Q，鋼管一般都是傾斜布置，支承反力為 ； (3) 支承環(huán)自重，但相對較小，可以不計。cossin12rQSxxcos5 .0Qcossin2

25、rQx第59頁/共113頁( (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)的管壁的管壁應力應力3支承環(huán)內(nèi)力計算 支承環(huán)的內(nèi)力計算常采用結(jié)構力學中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，可用彈性中心法計算支承環(huán)上各點的內(nèi)力。 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MR、剪力TR和軸力NR。 第60頁/共113頁( (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)的管壁的管壁應力應力支承環(huán)計算簡圖支承環(huán)計算簡圖 第61頁/共113頁b=0.04R時支承環(huán)內(nèi)力圖時支承環(huán)

26、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，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。第62頁/共113頁( (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)的管壁的管壁應力應力 計算出支承反力產(chǎn)生的彎矩MR、軸力NR和剪力TR后，它們所產(chǎn)生的應力分別為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

27、環(huán)有效截面上，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 第63頁/共113頁( (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)的管壁應力的管壁應力斷面斷面(4)-(4)(4)-(4)各應力的方向和分布各應力的方向和分布 第64頁/共113頁二、管身應力分析強度校核 鋼管為三維受力狀態(tài)，計算出各個應力分量后，應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

28、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第65頁/共113頁二、管身應力分析外壓穩(wěn)定校核1.明鋼管外壓失穩(wěn)的原因及失穩(wěn)現(xiàn)象 機組運行過程中由于負荷變化產(chǎn)生負水擊，而使管道內(nèi)產(chǎn)生負壓； 管道放空時通氣孔失靈，而在管道內(nèi)產(chǎn)生真空。 管道內(nèi)部產(chǎn)生真空或負壓時，管壁在外部的大氣壓力下可能喪失穩(wěn)定，管壁被壓癟。第66頁/共113頁外壓穩(wěn)定校核外壓穩(wěn)定校核2.光滑管段的穩(wěn)定性當外壓力P增加到臨界壓力

29、Pcr時，鋼管管壁就喪失穩(wěn)定。臨界壓力Pcr為 為了安全起見，引入安全系數(shù)K，要求：PcrKP。 取K=2.0，P=0.1MPa，鋼材的彈性模量E=2105MPa, 略去2，則得到光滑鋼管段不失穩(wěn)的條件為32233)1 (2)1 (123DEErPcr130D第67頁/共113頁 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 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。 (1) 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法

30、求臨界壓力。 第68頁/共113頁 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 兩個要求加勁環(huán)斷面本身不失穩(wěn)加勁環(huán)斷面的壓應力小于材料的允許值。 按光滑管的公式計算，但是等式右邊應該除以加勁環(huán)的間距L，其他參數(shù)用加勁環(huán)有效斷面計算。 LREJKPPkcr33第69頁/共113頁三、鎮(zhèn)墩和支墩結(jié)構設計(一)鎮(zhèn)墩結(jié)構分析 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載。 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。 1、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

31、管放空等進行最不利的組合。第70頁/共113頁三、鎮(zhèn)墩和支墩結(jié)構設計 2、求軸向力分量 設 x軸水平順水方向為正。y軸垂直向下為正， 水管軸線交點為坐標原點。 求出軸向力總和在x和 y軸下的分力： coscosAAXXX sinsinAAYYY第71頁/共113頁三、鎮(zhèn)墩和支墩結(jié)構設計3、擬定鎮(zhèn)墩尺寸 鎮(zhèn)墩的尺寸應能夠?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宜小于管徑的0.40.8倍。為維護、檢修方便，管道底距地面不宜小于0.6m。在土基上的鎮(zhèn)墩，底面常做成水平。 鎮(zhèn)墩地基應堅實、穩(wěn)定、可靠。在嚴寒地區(qū)，鎮(zhèn)墩埋深應在冰凍線以下1m，對巖基不少于0.5

32、m。地震區(qū)應將鎮(zhèn)墩較深地埋入地基中并適當加大基礎面，同時減小鎮(zhèn)墩間距。 根據(jù)結(jié)構上的要求擬定出尺寸后，求出鎮(zhèn)墩的重心位置及其重量G。 第72頁/共113頁三、鎮(zhèn)墩和支墩結(jié)構設計 4、求合力作用點及偏心距 利用圖解法或數(shù)解法求G及A的合力作用點位置及偏心距e。應保證e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)定應符合下式要求： ccKXGYfK第73頁/共113頁三、鎮(zhèn)墩和支墩結(jié)構設計6、地基承載能力校核 要求地基上均為壓應力，且最大值不超過地基的容許值R?？砂雌氖軌汗接嬎愕鼗鶓Α?要求最大值maxR，最小值min0，不應出現(xiàn)負值 (二) 支墩結(jié)構分析 支墩承受管重和管內(nèi)水重的法向

33、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 RBeLBGY61.第74頁/共113頁四、地面壓力鋼管的設計步驟1、線路選擇：選擇幾個方案，進行技術經(jīng)濟比較。2、管徑確定：通過動能經(jīng)濟比較，確定經(jīng)濟直徑。3、管道布置及附件設計：鎮(zhèn)墩、支墩、伸縮節(jié)、進人孔、閥門4、水力計算： (1)恒定流：確定鋼管在不同流量下的水頭損失 (2)非恒定流：水電站在工況發(fā)生變化時，鋼管的水擊壓力。第75頁/共113頁四、地面壓力鋼管的設計步驟5、壓力鋼管結(jié)構設計(1)初步擬定管壁厚度(考慮銹蝕厚度)；(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)定校核，如果不穩(wěn)定設置加勁環(huán)(也可用支承環(huán)代替)

34、，并選定其間距；(3)根據(jù)加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定和橫斷面壓應力小于允許值的要求，確定加勁環(huán)的尺寸；(4)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。在重復上面的步驟，直到滿足要求。6、校核鎮(zhèn)墩的穩(wěn)定及地基應力。第76頁/共113頁第七節(jié) 分岔管okukiyotsu第77頁/共113頁一、分岔管的功用、特點1、功用：作用是分配水流。采用聯(lián)合供水或分組供水時，需要設置分岔管，岔管位于廠房上游側(cè)。2、特點水流條件較差，引起的水頭損失較大；岔管由薄殼和剛度較大的加強構件組成，管壁厚，構件尺寸大，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，其安全性十分

35、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，但大多按明管設計，即不考慮周圍巖體分擔荷載。第78頁/共113頁二、岔管的布置形式 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。 對稱Y形布置。 三岔形布置。 第79頁/共113頁三、幾種常用的岔管1、貼邊式岔管 貼邊式岔管是在卜形布置的主、支管相貫線兩側(cè)用補強板加固，補強板與管壁焊固形成一個整體。 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。 常用于中、低水頭卜型布置的地下埋管。 第80頁/共113頁三、幾種常用的岔管2、三梁岔管 由相貫線上的兩根腰梁和一根U梁構成三梁岔 U梁承受較大的不平衡水壓力，其受力非常復雜。 適

36、用：內(nèi)壓較高、直徑不大的明管道。 第81頁/共113頁三、幾種常用的岔管3、月牙肋岔管 用一個嵌入管體內(nèi)的月牙形肋板來代替三梁岔管的U梁，并取消腰梁。 在三梁岔管基礎上發(fā)展 而來，目前在我國已基本取代了三梁岔管。 適用：大中型電站。第82頁/共113頁三、幾種常用的岔管4、球形岔管 通過球面體進行分岔，由球殼，圓柱形主、支管以及補強環(huán)和導流板等組成。 在內(nèi)水壓力作用下，球殼應力僅為同直徑管殼環(huán)向應力的一半。 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)應用尚少。 第83頁/共113頁三、幾種常用的岔管5、無梁岔管 用直徑較大的錐管和球殼沿切線方向銜接，使球殼只剩下上下兩個面積不

37、大的三角形，并在主、支管和這些錐管之間插入幾節(jié) 逐漸擴大的過渡段，構成一個比較平順的、無太大不連續(xù)接合線的體型，從而形成無梁岔管。 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)應用較少。 第84頁/共113頁第八節(jié) 地下埋管(buried penstock )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大型水電站中應用較多大型水電站中應用較多地下埋管施工中第85頁/共113頁一、地下埋管的布置形式 類型：斜井、豎井、平洞。1. 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

38、，一般都自下而上進行。2. 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45(自下而上開挖)或不小于35(自上而下) 。3. 平洞：作為過渡段使用。 盡量布置在堅固完整的巖體中。第86頁/共113頁二、地下埋管的結(jié)構和構造第87頁/共113頁二、地下埋管的結(jié)構和構造 回填混凝土的功用是將部分內(nèi)水壓力傳遞給圍巖，必須嚴格控制混凝土的回填質(zhì)量，尤其是平洞的頂部。 在圍巖/混凝土/鋼管之間存在縫隙，需要用灌漿進行處理，壓力不小于0.2MPa。 對于不太完整的圍巖，需要進行固結(jié)灌漿處理，灌漿壓力0.51.0MPa，深度24m。 地下水位較高地區(qū)，可打排水洞(效果好)、設排水管(易

39、堵塞)，也可外設加勁環(huán)。第88頁/共113頁三、鋼襯承受內(nèi)壓時的強度計算假定： 圍巖、混凝土、鋼管為彈性各向同性體。 混凝土和鋼襯施工后無初始應力。 鋼襯與混凝土墊層、混凝土墊層與圍巖之間存在微小的縫隙。 混凝土墊層承受荷載開裂以后只傳遞徑向壓力，不承擔環(huán)向荷載。第89頁/共113頁三、鋼襯承受內(nèi)壓時的強度計算 計算內(nèi)容：(1) 在已知鋼管厚度情況下，求鋼襯應力；(2) 在已知鋼襯允許應力的情況下求解鋼襯厚度。 鋼襯應力的計算公式： 給定允許應力和焊縫系數(shù)的情況下，求管壁厚度的計算公式ErKK/100100Pr1001 ErK101100Pr第90頁/共113頁三、鋼襯承受內(nèi)壓時的強度計算影響

40、鋼襯應力因素的分析 圍巖的彈性模量。工程上常用單位抗力系數(shù)表示：Er=100(1+r)K0。應該盡量改善圍巖的質(zhì)量，提高其彈性模量。途徑：灌漿。 初始縫隙。對應力影響很大，但不易確定。施工縫隙：由混凝土的收縮和施工質(zhì)量不良造成，要進行接觸灌漿。巖石的蠕變縫隙：由巖體的殘余變形形成溫降縫隙：在初始縫隙中占比重較大。 總縫隙。0=(35) 10-4r第91頁/共113頁 四、鋼管承受外壓時的穩(wěn)定校核下彎段鋼管底部隆起錨環(huán)焊縫開裂響水水電站高壓埋管失穩(wěn)破壞第92頁/共113頁(一一) 鋼襯的外壓荷載鋼襯的外壓荷載(1) 地下水壓力。鋼襯所受地下水壓力值，可根據(jù)勘測資料選定。根據(jù)最高地下水位線來確定外

41、水壓力值是穩(wěn)妥的，但常會使設計值過高。同時要分析水庫蓄水和引水系統(tǒng)滲漏等對地下水位的影響。地下水位線一般不應超過地面。(2)鋼襯與混凝土之間接縫灌漿壓力。接縫灌漿壓力一般為0.2MPa。(3)回填混凝土時流態(tài)混凝土的壓力。其值決定于混凝土一次澆筑的高度，最大可能值等于混凝土容重乘以澆筑高度。第93頁/共113頁( (二二) ) 埋管鋼襯在外壓下失穩(wěn)的特征埋管鋼襯在外壓下失穩(wěn)的特征 兩種失穩(wěn)模式 (a) n個屈曲波 (b)三個半波外壓鋼襯屈曲鋼襯變形達到0外壓繼續(xù)增加鋼襯發(fā)生更多波形的屈曲鋼襯應力值鋼襯應力達到材料屈服值失穩(wěn)。第94頁/共113頁( (三三) ) 光面鋼襯臨界壓力計算光面鋼襯臨界

42、壓力計算 1. Amstutz公式 2/3211121ErrENNErrNsNs010145. 01)(46. 3ErrPNsNcr)(35. 01011第95頁/共113頁( (三三) ) 光面鋼襯臨界壓力計算光面鋼襯臨界壓力計算 2.經(jīng)驗公式：根據(jù)38個模型試驗資料用回歸分析的方法建立的。25. 07 . 113440scrrP第96頁/共113頁（四）加勁環(huán)式鋼管（四）加勁環(huán)式鋼管 環(huán)間管壁：按明管穩(wěn)定公式計算。 加勁環(huán)斷面：用Amstutz公式計算，但計算幾何參數(shù)用等效截面(長度1.56(r)0.5+a)。 錨筋式鋼管 用經(jīng)驗公式校核： n-同一截面上的錨筋數(shù)，l-錨筋間距43. 08

43、 . 164. 04 . 021552rnlrnPscr第97頁/共113頁（五）防止鋼襯受外壓失穩(wěn)的措施（五）防止鋼襯受外壓失穩(wěn)的措施1.降低地下水水壓力是防止鋼襯失穩(wěn)的根本方法，措施是排水廊道結(jié)合排水孔；2.精心施工做好鋼襯與混凝土之間的灌漿，減小縫隙，但灌漿時要注意鼓包問題，可采取臨時措施或限制灌漿壓力；3.流態(tài)混凝土的壓力穩(wěn)定可用臨時支撐解決或限制澆筑高度。第98頁/共113頁第九節(jié) 混凝土壩體壓力管道 按布置方式可分為三種：壩內(nèi)埋管、壩體下游面管道、壩上游面管道。壩內(nèi)埋管 壩體下游面管道第99頁/共113頁一、壩內(nèi)埋管 管道穿過混凝土壩體，全部埋在壩體內(nèi)。 布置原則盡量縮短管道的長度

44、；減少管道空腔對壩體應力的不利影響。減少管道對壩體施工的干擾并有利于管道安裝和施工。 布置形式傾斜式布置平式和平斜式布置 豎直式布置 第100頁/共113頁一、壩內(nèi)埋管傾斜式布置見前面平斜式布置 豎直式布置第101頁/共113頁一、壩內(nèi)埋管 埋設方式：用軟墊層將管道與壩體分開受力明確；管道與壩體結(jié)合為整體混凝土承受部分內(nèi)水壓力 施工方法：安裝一段鋼管，澆筑一層混凝土，可省去二期混凝土，但施工干擾較大預留鋼管槽，鋼管安裝完畢以后再用混凝土回填，期施工干擾小，但工期較長第102頁/共113頁一、壩內(nèi)埋管 壩內(nèi)埋管的結(jié)構計算 有限元方法 近似方法：見教材第103頁/共113頁二、壩后背管 大型壩后式

45、水電站將鋼管布置在混凝土壩的下游壩面上，形成下游面管道，或稱為壩后背管。 結(jié)構型式 壩下游面明鋼管?，F(xiàn)場安裝工作量小，進度快，與壩體施工干擾小。 壩下游面鋼襯鋼筋混凝土管。鋼襯與外包混凝土之間不設墊層，緊密結(jié)合，二者共同承受內(nèi)水壓力等荷載。 第104頁/共113頁二、壩后背管第105頁/共113頁本 章 小 結(jié) 壓力管道功用和基本類型。中高水頭電站一般采用焊接鋼管，低水頭電站有時可采用鋼筋混凝土管。 壓力管道的線路選擇原則、壓力管道的供水方式和管徑確定。應根據(jù)電站的不同情況，結(jié)合電站的開發(fā)方式、水頭、流量及管道的長短、地形、地質(zhì)條件確定壓力管道的供水方式和引進方式。 壓力管道直徑的確定是壓力管

46、道的主要設計內(nèi)容之一。大型壓力管道的經(jīng)濟直徑是動能經(jīng)濟計算確定的，初步設計時可采用經(jīng)驗公式和經(jīng)濟流速方法。第106頁/共113頁本 章 小 結(jié) 明鋼管的敷設方式和支承方式。為了減小溫度應力，明鋼管的敷設方式通常采用分段式。 作用在壓力管道上的荷載及其組合，明鋼管的設計計算。要求掌握明鋼管上的軸向力、法向力和徑向力的計算方法，明鋼管跨中斷面和跨端(不計支承環(huán)的影響)的應力計算和強度校核，在外壓作用下管道的穩(wěn)定分析。 地下埋管的工作原理。要求掌握地下埋管的工作特點。 壩內(nèi)壓力管道的布置方式和工作原理。第107頁/共113頁思 考 題1. 壓力水管的功用、特點是什么?壓力水管的類型有幾種?各適用什么

47、條件?2. 壓力水管的線路選擇布置原則是什么?3. 壓力水管的供水方式、引進方式、敷設方式有哪幾種?各自的優(yōu)缺點和適用條件是什么?4. 作用在露天壓力鋼管上有哪些力?試分析正常運行、檢修、溫升、溫降情況下力的組合和方向。5. 鎮(zhèn)墩、支墩的作用是什么?各有幾種類型？其優(yōu)缺點是什么?簡述鎮(zhèn)墩、支墩的設計步驟。第108頁/共113頁思 考 題6.簡述露天壓力鋼管應力分析的方法與步驟。7.為什么要進行鋼管彈性穩(wěn)定分析?如何進行?8. 影響地下埋管鋼襯應力的因素有哪些？9.地下埋管鋼襯為什么要校核外壓穩(wěn)定？承受的外壓荷載有哪些？外壓失穩(wěn)的特征？10.如何防止地下埋管鋼襯外壓失穩(wěn)？11.簡述混凝土壩內(nèi)埋管

48、的布置原則和布置方式，及其優(yōu)缺點。12.壩后背管有哪幾種結(jié)構形式，其優(yōu)缺點如何？第109頁/共113頁 壓力管道作業(yè)壓力管道作業(yè)某水電站地面壓力管道布置型式如圖所示。第110頁/共113頁壓力管道作業(yè)壓力管道作業(yè) 已知鋼管直徑D=2m，末跨中心斷面的計算水頭(包括水擊壓力)為56.25m，支座斷面的計算水頭為49.08m，伸縮節(jié)斷面的計算水頭為7.89m，支承環(huán)間距16m，計算段上下鎮(zhèn)墩間距64m，鋼管軸線與水平面傾角為44，伸縮節(jié)距上鎮(zhèn)墩2m，伸縮節(jié)內(nèi)止水填料長度b=30cm，填料與管壁摩擦系數(shù)為0.3，支承環(huán)的摩擦系數(shù)為0.1，鋼管采用A3鋼。下鎮(zhèn)墩的上游端管中心的計算水頭為63.4m，鎮(zhèn)

49、墩下游端和下游伸縮節(jié)中心計算水頭近似相等，取為66.1m，鎮(zhèn)墩下游端伸縮節(jié)的水平鋼管長度為5.0m ，管內(nèi)流速為5m/s，鎮(zhèn)墩為混凝土結(jié)構。 第111頁/共113頁壓力管道作業(yè)壓力管道作業(yè)1確定壓力管道厚度(全長采用一個厚度)，要求確定管壁計算厚度和結(jié)構厚度；2. 設計壓力管道的剛性環(huán)的間距 (1) 校核光滑管的穩(wěn)定性； (2) 設計剛性環(huán)的間距及尺寸； (3) 設計支承環(huán)的尺寸；3. 對最后一跨的四個斷面進行結(jié)構分析 (1) 受力分析：按正常運行情況的基本組合計算不同斷面徑向力、法向力和軸向力； (2) 應力計算及強度校核； (3) 抗外壓穩(wěn)定分析(管壁和支承環(huán)抗外壓穩(wěn)定分析) ； 第112頁/共113頁感謝您的觀看！第113頁/共113頁