閣山壓力管道管壁厚度及加勁環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

胥 慧，王 新

(1.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080；2.黑龍江省三江工程建設(shè)項(xiàng)目服務(wù)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(zhèn)供水為主，兼顧防洪、發(fā)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(tǒng)、廠房、輸水灌溉洞等。引水建筑物布置由引渠、進(jìn)水口、壓力管道等組成。

1 工程簡(jiǎn)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(tǒng)壓力管道主管中心線水平投影長度40m，進(jìn)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(duì)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(jí)鋼，加勁環(huán)采用Q345-C級(jí)鋼。

2 管壁厚度及加勁環(huán)設(shè)計(jì)

2.1 主管設(shè)計(jì)

1)一般構(gòu)造：依據(jù)《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第8卷)中壓力管道一般構(gòu)造要求規(guī)定，管壁的結(jié)構(gòu)厚度取計(jì)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(jì)算：

t≥D/800+4

式中，t為鋼管壁厚(mm)；D為鋼管直徑(mm)。

經(jīng)過計(jì)算，主管管壁計(jì)算厚度t最小值為9.625mm，考慮2mm銹蝕厚度，管壁結(jié)構(gòu)最小厚度11.962mm。

2)內(nèi)力分析原則依據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL281-2003)中附錄C計(jì)算，壓力鋼管在承擔(dān)內(nèi)水壓力時(shí)應(yīng)遵循以下原則：①壩內(nèi)埋管應(yīng)視為鋼管、鋼筋和混凝土組成的多層管共同承受內(nèi)水壓力，在最大內(nèi)水壓力作用下，鋼管外圍壩體混凝土不應(yīng)出現(xiàn)貫穿性裂縫，并計(jì)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(lián)合承載應(yīng)經(jīng)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(dú)承載設(shè)計(jì)，允許應(yīng)力按照規(guī)范表6.1.1壩內(nèi)埋管取值。④設(shè)有軟墊層的鋼管可按明管設(shè)計(jì)。

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(dú)承載設(shè)計(jì)，允許應(yīng)力按照規(guī)范表6.1.1壩內(nèi)埋管取值。

3)內(nèi)力分析主要公式及參數(shù)：

a)鋼管承受內(nèi)壓拉應(yīng)力計(jì)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(nèi)水壓力(N/mm2)；P為均勻內(nèi)水壓力(N/mm2)；r0為鋼管內(nèi)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(yīng)變問題的鋼材彈性模量(N/mm2)；t為鋼管計(jì)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(yīng)力(N/mm2)；φ為焊縫系數(shù)；[σ3]為鋼筋的允許拉應(yīng)力(N/mm2)。

b)管壁抗外壓穩(wěn)定計(jì)算：

KCp0k≤pcr

式中，Pcr為抗外壓穩(wěn)定臨界壓力計(jì)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(shù)，由n=2.74(r/l)1/2(r/t)1/4估算，取相近的整數(shù)；I為加勁環(huán)間距(mm)；r為鋼管內(nèi)半徑(mm)；P0k為徑向均布外壓力標(biāo)準(zhǔn)值(N/mm2)；Kc為抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)，加勁環(huán)間管壁和加勁環(huán)取為1.8。

c)加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定計(jì)算：

式中：AR為加勁環(huán)有效截面面積，mm2；h為加勁環(huán)高度，mm；a為加勁環(huán)厚度，mm；r為鋼管內(nèi)半徑，mm。

鋼管是一種薄殼結(jié)構(gòu)，能承受較大的內(nèi)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(wěn)定，屈曲成波形，過早地失去承載能力。鋼管承擔(dān)的外壓分別為外水壓力、灌漿壓力、流態(tài)混凝土的壓力、安裝運(yùn)輸過程中的其他荷載。其中外水壓力產(chǎn)生的壓力為運(yùn)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(shí)荷載，兩者不疊加，通常取長期荷載和施工期臨時(shí)荷載的大值作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制荷載。對(duì)于施工期荷載控制造成結(jié)構(gòu)厚度增加較大時(shí)，可采用臨時(shí)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(jù)規(guī)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(nèi)力分析結(jié)果：針對(duì)放空工況和施工期工況進(jìn)行管壁抗外壓穩(wěn)定計(jì)算，選取管壁計(jì)算厚度分別取10mm、11mm、12mm對(duì)比，公式中涉及到的參數(shù)詳見表1。

不同管壁厚度抗外壓穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果詳見表2。

通過計(jì)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(shí)荷載作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制荷載，選取管壁計(jì)算厚度12mm加上2mm銹蝕厚度，最終確定管壁結(jié)構(gòu)厚度為14mm。管壁計(jì)算厚度12mm對(duì)應(yīng)不同計(jì)算工況下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表3。

表1 設(shè)計(jì)主要參數(shù)值

表2 不同管壁厚度抗外壓穩(wěn)定計(jì)算對(duì)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(jì)算厚度12mm對(duì)應(yīng)不同計(jì)算工況下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 N/mm2

計(jì)算工況鋼管承受內(nèi)壓拉應(yīng)力管壁抗外壓穩(wěn)定加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定鋼管環(huán)向拉應(yīng)力σθ1鋼管允許拉應(yīng)力φ[σ]鋼筋環(huán)向拉應(yīng)力σθ3鋼管允許拉應(yīng)力[σ3]徑向均布外壓力標(biāo)準(zhǔn)值p0k抗外壓穩(wěn)定臨界壓力計(jì)算值pcr徑向均布外壓力標(biāo)準(zhǔn)值p0k抗外壓穩(wěn)定臨界壓力計(jì)算值pcr正常運(yùn)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(yùn)行60.29141.7158.06310////

管壁計(jì)算厚度12mm在三種工況下均滿足設(shè)計(jì)要求，因此管壁厚度選擇合理。

同理，計(jì)算支管管壁厚度為10mm，考慮兩個(gè)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(huán)尺寸詳見表4。

表4 壓力鋼管管壁結(jié)構(gòu)厚度及加勁環(huán)尺寸統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表4 壓力鋼管管壁結(jié)構(gòu)厚度及加勁環(huán)尺寸統(tǒng)計(jì)表

2.2 岔管設(shè)計(jì)

依據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL281-2003)，膜應(yīng)力區(qū)的管壁厚度公式和局部應(yīng)力區(qū)的管壁厚度計(jì)算公式如下：

膜應(yīng)力區(qū)的管壁厚度：

局部應(yīng)力區(qū)的管壁厚度：

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

岔管管壁厚度計(jì)算參數(shù)及結(jié)果詳見表5。

表5 岔管管壁厚度計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算在最高水位工況下，局部應(yīng)力區(qū)管壁厚度為14.92mm，考慮2mm銹蝕厚度，管壁結(jié)構(gòu)最小厚度16.92mm，最終確定岔管處管壁結(jié)構(gòu)厚度18mm，加勁環(huán)間距1.2m，高度120mm，厚度16mm，滿足抗外壓穩(wěn)定。

3 結(jié) 語

文章針對(duì)閣山引水壓力管道實(shí)際工程，結(jié)合鋼管能承受較大的內(nèi)水壓力，但抵抗外壓的能力較低的特性，對(duì)比不同管壁厚度抗外壓穩(wěn)定計(jì)算，得出經(jīng)濟(jì)合理管壁厚度以及加勁環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸。