高壓聯(lián)合受力鋼岔管對旁通貼邊鋼岔管的受力影響計(jì)算分析

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

為了滿足下游生態(tài)需求，要求水電站下游河道全年不能斷流。對于大中型水利樞紐發(fā)電系統(tǒng)來說，大多采用一管多機(jī)式的發(fā)電形式。在設(shè)計(jì)初期沒有考慮下游生態(tài)需求，而今需要在設(shè)計(jì)好的鋼岔管旁重新開孔，補(bǔ)設(shè)一個(gè)高壓旁通管來滿足下游生態(tài)用水需求。因此，隨即產(chǎn)生兩個(gè)問題：①開孔對鋼岔管受力是否有影響；②鋼岔管對高壓旁通管是否有影響。

鋼岔管為按照設(shè)計(jì)由鋼板卷曲后對縫焊接而成的空間薄殼結(jié)構(gòu)，一個(gè)月牙肋鋼岔管主要由各個(gè)錐臺管、圓柱管以及月牙形肋板組成[1]。鋼岔管在高壓內(nèi)水壓力作用下管殼應(yīng)力分布不均勻，往往在焊縫對接處會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，采用傳統(tǒng)的規(guī)范結(jié)構(gòu)力學(xué)方法所得計(jì)算成果不精細(xì)，對整個(gè)管體的應(yīng)力分布不能做出較準(zhǔn)確的把握[2-3]。目前，采用有限元方法計(jì)算分析較為普遍，該方法可詳細(xì)了解鋼岔管管壁各個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力分布情況[4]。

本文采用上述有限元法，對3個(gè)月牙肋鋼岔管及一個(gè)高壓旁通管進(jìn)行3組對比方案計(jì)算分析。方案一為1#、2#、3#鋼岔管聯(lián)合受力；方案二為1#、2#、3#鋼岔管和一個(gè)高壓旁通管即4#貼邊鋼岔管進(jìn)行聯(lián)合受力分析；方案三是4#貼邊鋼岔管單獨(dú)受力。通過對比計(jì)算成果得出一些有意義結(jié)論，為今后此類工程提供借鑒。

1 工程概況

DSM水利樞紐工程是一項(xiàng)以灌溉、防洪為主，兼有發(fā)電等綜合利用的水利工程，總庫容1.27×108m3，調(diào)節(jié)庫容0.99×108m3，死庫容0.18×108m3；水庫正常蓄水位2 300.00 m，死水位2 245.00 m，設(shè)計(jì)洪水位2 300.00 m，校核洪水位2 303.36 m，水庫總庫容1.27×108m3，屬大(Ⅱ)型工程。

發(fā)電洞為一管四機(jī)的布置型式，設(shè)總裝機(jī)容量為60 MW(4×15 MW)，具體平面布置見圖1。設(shè)計(jì)引用流量82.0 m3/s，加權(quán)平均水頭100.08 m。整個(gè)引水系統(tǒng)總長811.304 m，主要由引渠段、進(jìn)口閘井段、鋼筋混凝土襯砌隧洞段、鋼襯隧洞段、鋼襯回填管段、岔管和支管組成。

岔管及支管段：鋼襯埋管段末接卜形岔管，采用月牙肋岔管形式將主管分為4根支管接入主廠房內(nèi)，支管管徑為2.4 m，支管軸線與廠房垂直，以下1#、2#、3#鋼岔管體型是單個(gè)明管優(yōu)化后的參數(shù)，這里只為了說明超壓旁通管對聯(lián)合受力鋼岔管的影響，其余邊界條件均一致。

1#岔管段管殼及肋板部位采用WDL610C鋼材肋寬比0.301，分岔角64°，主管徑5 400 mm，直支管管徑4 700 mm，斜支管管徑2 400 mm。管壁厚度為30 mm，錐管管殼及岔管管殼厚度32 mm，肋板厚度64 mm。

2#岔管段管殼及肋板部位采用WDL610C鋼材，管壁厚度為30 mm，錐管管殼及岔管管殼厚度30 mm，肋板厚度60 mm，肋寬比0.323，分岔角66°，主管徑4 700 mm，直支管管徑3 600 mm，斜支管管徑2 400 mm。

3#岔管段管殼及肋板部位采用WDL610C鋼材，管壁厚度為24 mm，錐管管殼及岔管管殼厚度24 mm，肋板厚度48 mm，肋寬比0.312，分岔角67°，主管徑3 600 mm，直支管管徑2 400 mm，斜支管管徑2 400 mm。

4#貼邊岔管及補(bǔ)強(qiáng)板采用WDL610C鋼材，主管管壁厚度與3#岔管管壁厚度一致為24 mm，支管管壁厚度與主管相同，支管垂直于主管分岔角90°，根據(jù)等面積法初步確定補(bǔ)強(qiáng)板寬度為290 mm。為了便于施工，初步選取主、支管補(bǔ)強(qiáng)板寬度均為300 mm，厚度為24 mm，支管管徑700 mm。

2 荷載及強(qiáng)度條件

運(yùn)行工況設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力(加水錘壓力)為1.63 MPa。為滿足長期運(yùn)行要求，根據(jù)規(guī)范規(guī)定[4]管壁均需要扣除2 mm的銹蝕磨損富裕度。試驗(yàn)工況根據(jù)規(guī)范規(guī)定[4]內(nèi)水壓力為1.25倍設(shè)計(jì)水壓力，即2.04 MPa，由于試驗(yàn)工況用時(shí)相對較短，根據(jù)規(guī)范該工況無需扣除銹蝕磨損富裕度。

校核強(qiáng)度按照規(guī)范[4]中式6.1.3規(guī)定進(jìn)行應(yīng)力控制，即計(jì)算出的米塞斯應(yīng)力應(yīng)小于等于各個(gè)管節(jié)的允許應(yīng)力和焊縫系數(shù)之積。本文中鋼岔管采用雙面焊接根據(jù)規(guī)范規(guī)定[4]，焊縫系數(shù)φ=0.95。表1為鋼岔管不同部位控制標(biāo)準(zhǔn)，考慮焊縫系數(shù)通過換算得出各個(gè)部位允許應(yīng)力用于校核，見表2。

表2 鋼材的抗力限值

注：表2中應(yīng)力單位均為MPa。

3 鋼岔管控制點(diǎn)

岔管各個(gè)管節(jié)用數(shù)字編號表示，分別是主管側(cè)11、12、13，支管側(cè)21、22、23，31、32、33。管殼應(yīng)力控制點(diǎn)選擇各個(gè)管節(jié)母線的轉(zhuǎn)折部位，用字母表示，分別為A、B、C、D、E、F、G、H、I、J點(diǎn)，中心分岔處為O點(diǎn)。肋板控制點(diǎn)腰部兩個(gè)點(diǎn)用LB1、LB2表示，頂部兩個(gè)點(diǎn)用LB3、LB4表示，見圖2。貼邊鋼岔管平面結(jié)構(gòu)應(yīng)力特征點(diǎn)示意圖見圖2。

圖2 二節(jié)錐板岔管及肋板平面結(jié)構(gòu)、貼邊鋼岔管平面結(jié)構(gòu)應(yīng)力特征點(diǎn)示意圖

4 有限元計(jì)算分析

根據(jù)[1-3,5-6]可知，鋼岔管網(wǎng)格最大尺寸為公切球半徑的0.002 5倍左右。邊界約束長度取為公切球直徑1.5倍[1-3,5-6]。由于管壁存在一定厚度，在內(nèi)水壓力變形時(shí)，不光是沿著殼體法相變形，也會(huì)存在沿著殼體切線的變形，因此單元類型選取可以考慮橫向剪切應(yīng)變的8節(jié)點(diǎn)40自由度的曲面殼單元[1-3,5-6]。將鋼岔管殼體結(jié)構(gòu)劃分為相應(yīng)網(wǎng)格密度的四邊形網(wǎng)格[7-9]，具體網(wǎng)格劃分方式見如下3個(gè)方案：

方案一：1#、2#、3#聯(lián)合受力

計(jì)算模型包括岔管整體和肋板的幾何模型及有限元模型圖。岔管管殼及肋板均采用四邊形曲面殼單元，1#鋼岔管結(jié)點(diǎn)總數(shù)2 656，單元總數(shù)2 518。肋板結(jié)點(diǎn)總數(shù)294，單元總數(shù)264。2#鋼岔管結(jié)點(diǎn)總數(shù)2 546，單元總數(shù)2 458。肋板結(jié)點(diǎn)總數(shù)253，單元總數(shù)224。3#鋼岔管結(jié)點(diǎn)總數(shù)2 356，單元總數(shù)2 283。肋板結(jié)點(diǎn)總數(shù)213，單元總數(shù)208。離散后平面圖見圖3。

圖3 1#、2#、3#鋼岔管整體網(wǎng)格模型

方案二：1#、2#、3#、4#聯(lián)合受力

計(jì)算模型包括岔管整體和肋板的幾何模型及有限元模型圖。岔管管殼及肋板均采用四邊形曲面殼單元，1#鋼岔管結(jié)點(diǎn)總數(shù)2 656，單元總數(shù)2 518。肋板結(jié)點(diǎn)總數(shù)294，單元總數(shù)264。2#鋼岔管結(jié)點(diǎn)總數(shù)2 546，單元總數(shù)2 458。肋板結(jié)點(diǎn)總數(shù)253，單元總數(shù)224。3#鋼岔管結(jié)點(diǎn)總數(shù)2 356，單元總數(shù)2 283。肋板結(jié)點(diǎn)總數(shù)213，單元總數(shù)208。4#鋼岔管結(jié)點(diǎn)總數(shù)624，單元總數(shù)586。離散后平面圖見圖4。

圖4 1#、2#、3#、4#鋼岔管整體網(wǎng)格模型

方案三：4#單獨(dú)受力

計(jì)算模型包括4#鋼岔管結(jié)點(diǎn)總數(shù)624，單元總數(shù)586，離散后平面圖見圖5。

5 成果分析

方案一、方案二、方案三中的1#、2#、3#、4#鋼岔管各個(gè)控制點(diǎn)的應(yīng)力見表3，主要列出運(yùn)行工況鋼岔管腰線轉(zhuǎn)折角、分岔部位、表面自限區(qū)域，以及肋板各控制點(diǎn)應(yīng)力值進(jìn)行比較。

圖5 4#鋼岔管整體網(wǎng)格模型

控制點(diǎn)ABCDEFGHIJO//KLB11#2#3#4#方案一269263268145161155139136210177350259方案二269264269145162155139136211178351259方案一243244214152132148152114182133371186方案二248249218155135151155116186136378190方案一250251283152140141149119179119322245方案二253254286154141142150120181120324247方案二1933936224463710612199109110-方案三1723532206403088102839396-1#、2#、3#允許應(yīng)力3253253253253253253253253253254663144#允許應(yīng)力263203203263203203203203203203203-

注：表3中應(yīng)力單位均為MPa，且考慮銹蝕厚度，由于頁面限制只保留應(yīng)力整數(shù)部分；O是月牙肋鋼岔管的應(yīng)力，K是貼邊鋼岔管的應(yīng)力，表3中只列出鋼岔管肋板最大應(yīng)力值LB1。

表3只對關(guān)鍵區(qū)域最大值進(jìn)行比較，其它區(qū)域值要遠(yuǎn)小于相對應(yīng)的允許應(yīng)力。對比方案一與方案二計(jì)算成果可知，1#、2#、3#鋼岔管采用聯(lián)合整體受力計(jì)算較1#、2#、3#、4#鋼岔管受力計(jì)算成果相比，在2#與3#鋼岔管之間設(shè)置了貼邊鋼岔管，通過整體受力計(jì)算可知2#與3#鋼岔管之間增加一個(gè)直徑為0.7 m的超壓旁通貼邊鋼岔管后，1#、2#、3#鋼岔管管壁整體應(yīng)力均大于之前不設(shè)置開孔方案時(shí)的應(yīng)力，但由于4#超壓旁通貼邊鋼岔管離1#鋼岔管較遠(yuǎn)，影響最小，對2#、3#鋼岔管管壁應(yīng)力影響較大；從表3中數(shù)據(jù)可以得出，由于2#鋼岔管管徑較3#鋼岔管管徑大，因此4#岔管對2#鋼岔管的影響要大于對3#鋼岔管的影響。超壓旁通貼邊鋼岔管開孔尺寸較小，對1#、2#、3#鋼岔管整體受力應(yīng)力影響較小。

方案二中4#鋼岔管整體受力分析結(jié)果與方案三中4#鋼岔管單體受力分析結(jié)果進(jìn)行對比可得，方案三中4#鋼岔管單體受力時(shí)管壁各個(gè)控制點(diǎn)的應(yīng)力均小于4#鋼岔管整體受力時(shí)管壁上的應(yīng)力，應(yīng)力變化最大為A點(diǎn)、D點(diǎn)與K點(diǎn)，增幅均大于10%，表明1#、2#、3#管的整體受力變形影響到4#貼邊鋼岔管的變形。以上整體受力管殼與肋板應(yīng)力及貼邊鋼岔管的應(yīng)力均滿足規(guī)范中運(yùn)行應(yīng)力要求。為了減少篇幅，本文只列出1#、2#、3#、4#鋼岔管整體受力應(yīng)力云圖，見圖6、圖7、圖8。

圖6 方案一：1#、2#、3#整體受力應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖7 方案二：1#、2#、3#、4#整體受力應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖8 方案三：4#鋼岔管單體受力應(yīng)力云圖(單位：Pa)

6 結(jié) 論

1) 在此類小間距鋼岔管之間接超壓旁通管時(shí)，整體受力要比單體受力計(jì)算結(jié)果更大。因此，為了安全起見，對于鋼岔管建議采用聯(lián)合受力的方式計(jì)算分析管壁各個(gè)控制點(diǎn)應(yīng)力是否滿足設(shè)計(jì)要求。

2) 鋼岔管作為發(fā)電洞與發(fā)電廠房之間的連接紐帶，安全運(yùn)行與發(fā)電廠房及操作人員的安危息息相關(guān)。因此，選擇合適的計(jì)算分析方式對整個(gè)水電站的安全運(yùn)行至關(guān)重要。通過整體受力有限元法可以方便快捷地分析三維鋼岔管體型的整體應(yīng)力，便于得到鋼岔管最優(yōu)體型，以期為水利工程鋼岔管設(shè)計(jì)提供參考借鑒。