閣山壓力管道管壁厚度及加勁環結構尺寸設計

胥 慧，王 新

(1.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080；2.黑龍江省三江工程建設項目服務中心，哈爾濱 150010)

閣山水庫位于呼蘭河支流諾敏河上，最大庫容4.04億m3，是一座以灌溉、城鎮供水為主，兼顧防洪、發電等綜合利用的大(2)型水利樞紐工程，主要建筑物有土壩、溢洪道、電站引水系統、廠房、輸水灌溉洞等。引水建筑物布置由引渠、進水口、壓力管道等組成。

1 工程簡介

水庫校核洪水位232.92m，正常蓄水位為230.00m，死水位為222.50m。水電站最大引水流量Q=48.4m3/s。

閣山水庫引水系統壓力管道主管中心線水平投影長度40m，進口高程213.75m，出口高程211.34m。主管直徑4.5m，岔管采用梁式三分岔形式，對稱布置，分岔角為90°，岔管公切球直徑5m。主接管直徑4.5m，1#、2#、3#支接管直徑2.8m。1#、2#、3#支接管末端分別與1#、2#、3#支管銜接。1#支管中心線長度36.274m，直徑2.8m，外包鋼筋混凝土厚度1m；2#支管中心線長度32.4m，直徑2.8m，外包鋼筋混凝土厚度0.8m；3#支管水平中心線總長度37.931m，直徑2.8m漸縮至2.0m，漸縮段長度6m，外包鋼筋混凝土厚度0.5m。壓力管道平面布置圖見圖1。

圖1 閣山壓力管道平面布置圖

壓力鋼管管壁鋼板采用Q235-C級鋼，加勁環采用Q345-C級鋼。

2 管壁厚度及加勁環設計

2.1 主管設計

1)一般構造：依據《水工設計手冊》(第8卷)中壓力管道一般構造要求規定，管壁的結構厚度取計算厚度加2mm的銹蝕厚度，但≥t，也≥6mm，以保證必需的剛度。鋼管壁厚按照下式計算：

t≥D/800+4

式中，t為鋼管壁厚(mm)；D為鋼管直徑(mm)。

經過計算，主管管壁計算厚度t最小值為9.625mm，考慮2mm銹蝕厚度，管壁結構最小厚度11.962mm。

2)內力分析原則依據《水電站壓力鋼管設計規范》(SL281-2003)中附錄C計算，壓力鋼管在承擔內水壓力時應遵循以下原則：①壩內埋管應視為鋼管、鋼筋和混凝土組成的多層管共同承受內水壓力，在最大內水壓力作用下，鋼管外圍壩體混凝土不應出現貫穿性裂縫，并計及鋼管與混凝土間的施工縫隙和溫度縫隙影響。②若外圍混凝土最小厚度在鋼管半徑與直徑之間，聯合承載應經論證后確定。③若外圍混凝土最小厚度小于鋼管半徑，宜按鋼管單獨承載設計，允許應力按照規范表6.1.1壩內埋管取值。④設有軟墊層的鋼管可按明管設計。

壓力主管外包混凝土厚度1m，小于鋼管半徑，因此按鋼管單獨承載設計，允許應力按照規范表6.1.1壩內埋管取值。

3)內力分析主要公式及參數：

a)鋼管承受內壓拉應力計算：

σθ1=(P-P1)r0/t≤φ[σ]

σθ3=P1r0/t3≤[σ3]

式中，P1為鋼管傳至鋼筋砼的內水壓力(N/mm2)；P為均勻內水壓力(N/mm2)；r0為鋼管內半徑(mm)；Δ為鋼管與混凝土之間的縫隙值(mm)，取0；E′為平均應變問題的鋼材彈性模量(N/mm2)；t為鋼管計算壁厚(mm)；r3為鋼筋層外半徑(mm)；t3為鋼筋折算壁厚(mm)；[σ]為鋼管的允許拉應力(N/mm2)；φ為焊縫系數；[σ3]為鋼筋的允許拉應力(N/mm2)。

b)管壁抗外壓穩定計算：

KCp0k≤pcr

式中，Pcr為抗外壓穩定臨界壓力計算值(N/mm2)；Es為鋼材彈性模量(N/mm2)；Vs為鋼材的泊松比，取0.3；n為最小臨界壓力的波數，由n=2.74(r/l)1/2(r/t)1/4估算，取相近的整數；I為加勁環間距(mm)；r為鋼管內半徑(mm)；P0k為徑向均布外壓力標準值(N/mm2)；Kc為抗外壓穩定安全系數，加勁環間管壁和加勁環取為1.8。

c)加勁環抗外壓穩定計算：

式中：AR為加勁環有效截面面積，mm2；h為加勁環高度，mm；a為加勁環厚度，mm；r為鋼管內半徑，mm。

鋼管是一種薄殼結構，能承受較大的內水壓力，但抵抗外壓的能力較低。在外壓作用下，管壁易于失去穩定，屈曲成波形，過早地失去承載能力。鋼管承擔的外壓分別為外水壓力、灌漿壓力、流態混凝土的壓力、安裝運輸過程中的其他荷載。其中外水壓力產生的壓力為運行期長期作用的荷載，在放空條件下為控制性的荷載，其余為施工期臨時荷載，兩者不疊加，通常取長期荷載和施工期臨時荷載的大值作為結構設計的控制荷載。對于施工期荷載控制造成結構厚度增加較大時，可采用臨時的支撐作為抗外壓措施。

放空工況下，管壁及加勁受到徑向均布外壓力為外水壓力，依據規范取0.2N/mm2。施工期工況管壁及加勁受到徑向均布外壓力包括灌漿壓力和未凝固混凝土壓力，分別取0.2N/mm2和0.025N/mm2。

4)內力分析結果：針對放空工況和施工期工況進行管壁抗外壓穩定計算，選取管壁計算厚度分別取10mm、11mm、12mm對比，公式中涉及到的參數詳見表1。

不同管壁厚度抗外壓穩定計算結果詳見表2。

通過計算比較，管壁厚度10mm在兩種工況下均不滿足要求，11mm 施工期不滿足要求，12mm兩種工況均滿足要求，并且施工期臨時荷載作為結構設計的控制荷載，選取管壁計算厚度12mm加上2mm銹蝕厚度，最終確定管壁結構厚度為14mm。管壁計算厚度12mm對應不同計算工況下應力計算結果見表3。

表1 設計主要參數值

表2 不同管壁厚度抗外壓穩定計算對比 N/mm2

管壁厚度(mm)放空工況施工期工況KCP0kPcrKCP0kPcr100.3600.2830.4050.283110.3600.3760.4050.376120.3600.4210.4050.421

表3 管壁計算厚度12mm對應不同計算工況下應力計算結果 N/mm2

計算工況鋼管承受內壓拉應力管壁抗外壓穩定加勁環抗外壓穩定鋼管環向拉應力σθ1鋼管允許拉應力φ[σ]鋼筋環向拉應力σθ3鋼管允許拉應力[σ3]徑向均布外壓力標準值p0k抗外壓穩定臨界壓力計算值pcr徑向均布外壓力標準值p0k抗外壓穩定臨界壓力計算值pcr正常運行55.99141.7153.90310////管道放空////0.360.420.360.44施工期////0.410.420.410.44特殊運行60.29141.7158.06310////

管壁計算厚度12mm在三種工況下均滿足設計要求，因此管壁厚度選擇合理。

同理，計算支管管壁厚度為10mm，考慮兩個不同管壁厚度焊接要求以及支管末端為明管因素，因此支管管壁厚度取同樣厚度14mm。主管及支管管壁厚度及加勁環尺寸詳見表4。

表4 壓力鋼管管壁結構厚度及加勁環尺寸統計表

續表4 壓力鋼管管壁結構厚度及加勁環尺寸統計表

2.2 岔管設計

依據《水電站壓力鋼管設計規范》(SL281-2003)，膜應力區的管壁厚度公式和局部應力區的管壁厚度計算公式如下：

膜應力區的管壁厚度：

局部應力區的管壁厚度：

式中，P為內水壓力(N/mm2)；r為該節鋼管最大內半徑(mm)；α為該節鋼管半錐頂角(°)；φ為焊縫系數；K1為岔管膜應力區應力計算系數，取1.0-1.1；K2為岔管局部應力區應力集中系數，取1.5-2.0；[σ]1為鋼管的膜應力區允許應力值(N/mm2)；[σ]2為鋼管的局部應力區允許應力值(N/mm2)；

岔管管壁厚度計算參數及結果詳見表5。

表5 岔管管壁厚度計算結果

經計算在最高水位工況下，局部應力區管壁厚度為14.92mm，考慮2mm銹蝕厚度，管壁結構最小厚度16.92mm，最終確定岔管處管壁結構厚度18mm，加勁環間距1.2m，高度120mm，厚度16mm，滿足抗外壓穩定。

3 結 語

文章針對閣山引水壓力管道實際工程，結合鋼管能承受較大的內水壓力，但抵抗外壓的能力較低的特性，對比不同管壁厚度抗外壓穩定計算，得出經濟合理管壁厚度以及加勁環結構尺寸。