方形鋼岔管結構應力分析

曹 新，王 歡，沈 明

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

某水電站位于西藏自治區山南地區桑日縣境內，是YLZBJ中游桑日縣至加查縣峽谷段的第二級電站。水電站為二等工程，工程規模為大(2)型，電站樞紐建筑物主要由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、引水發電系統及魚道建筑物等組成。水電站裝機容量660 MW，水庫總庫容約為0.55億m3。水電站采用混凝土重力壩和壩后式廠房方案布置，最大壩高117.0 m，壩頂總長385 m。引水系統為單機單管布置，由壩式進水口和壩后淺埋管組成，共4條引水管道。

1 方形鋼岔管特點和設計參數

結合水電站進水口及沖沙底孔布置，每個進水口下部布置排沙廊道，4條排沙廊道支管逐漸匯流入排沙廊道總管。支管段和主管段布置在廠房壩段進水口流道下部實體混凝土(混凝土力學參數見表1)內，結合生態流量管，平面上采用“五合一”布置型式[1]，設有4個鋼岔管，見圖1。

圖1 排沙廊道平面布置圖

表1 混凝土力學參數表

排沙廊道鋼岔管的支管和主管均為方形斷面3.2 m×3.2 m(寬×高)，支管和主管交匯處布置半徑15 m的轉彎，鋼襯外部布置加勁環。

鋼岔管材質采用Q345R鋼材，厚度22 mm。鋼材的抗力限值按照式(1)計算：

(1)

根據《水電站壓力鋼管設計規范》[2]，排沙廊道鋼管的結構安全級別為Ⅱ級，結構重要性系數γ0為1.0；運行工況屬持久狀況，按承載能力極限狀態設計，設計狀況系數ψ為1.0；γd結構系數按壩內埋管聯合承載取為1.25；f為設計強度值。鋼材力學參數見表2。

表2 鋼材力學參數表

2 荷載組合

根據《水工混凝土結構設計規范》[3]，結構的承載能力極限狀態采用下式計算：

(2)

式中：γ0為結構重要性系數，排沙廊道級別為2級，安全級別為Ⅱ級，γ0=1.0；ψ為設計狀況系數，對于持久狀況、短暫狀況、偶然狀況，分別取1.0、0.95及0.85；S為承載能力極限狀態的作用效應組合的設計值。

S=γGSGk+γQ1SQ1k+γQ2SQ2k

(3)

式中：SGk為永久作用效應的標準值；SQ1k為一般可變作用效應的標準值；SQ2k為可控制的可變作用效應的標準值；γG、γQ1、γQ2為永久作用、一般可變作用、可控制的可變作用分項系數，分別取值分別為：1.05、1.2、1.1。

3 方形鋼岔管有限元分析

3.1 計算范圍

方形鋼岔管結構計算范圍為鋼管主管入彎段到彎段支管出彎段，以及主管直段支管入彎段，岔管部位采用墊層保護，見圖2。鋼岔管是復雜的空間薄殼鋼結構，利用有限元分析軟件[4-6]，可以較好地反應鋼襯與外部混凝土的聯合作用，以及加勁環對鋼襯的作用。

圖2 排沙廊道鋼岔管布置圖

3.2 模型構建

鋼岔管有限元模型構建包括針正常運行工況(內壓工況)和檢修工況(外壓工況)[7-10]，正常運行水頭64.4 m，檢修情況下外部水頭20 m。內壓工況下由鋼襯與混凝土聯合承載，不考慮加勁環的作用，同時，對鋼襯與混凝土之間考慮縫隙、墊層段以及出口段混凝土埋深較淺三種情況進行分析，計算模型見圖3、圖4。

圖3 排沙廊道整體計算模型(內壓工況)

圖4 鋼岔管模型(內壓工況)

外壓工況鋼岔管外力由鋼襯單獨承載，考慮加勁環的作用，計算模型見圖5。

圖5 鋼岔管計算模型(外壓工況)

4 結果分析

對排沙廊道和鋼岔管進行了有限元計算，將計算成果以最大主應力、Mises應力、變形分布形式表示。

4.1 正常運行工況

1)聯合承載?？紤]鋼岔管鋼襯與混凝土聯合承載的情況下，鋼襯最大Mises應力出現在分岔部位尖角處，為12.4 MPa，小于鋼材抗力限值232 MPa；混凝土最大主應力出現在分岔部位尖角處，為1.78 MPa，大于混凝土的允許抗拉強度1.27 MPa，對此部位需進行加強處理。鋼襯最大變形為0.8 mm。

2)縫隙?？紤]鋼岔管與混凝土之前存在縫隙的情況下，鋼襯最大Mises應力出現在鋼襯頂部折角處，為20.8 MPa，遠小于鋼襯抗力限值；鋼襯最大變形出現在底邊中部，為2.3 mm。在考慮縫隙情況下，鋼襯的Mises應力和變形均有所增大，但仍滿足結構要求。

3)墊層段。在鋼岔管設置墊層的位置，鋼襯最大Mises應力出現在鋼襯頂部折角處，為135 MPa，小于鋼襯抗力限值；鋼襯最大變形位于鋼襯底邊中部，為2.3 mm；外部混凝土最大主應力為0.82 MPa，小于混凝土抗拉強度允許抗拉強度1.27 MPa。

4)出口段。在鋼岔管出口段混凝土埋深較淺的位置，鋼襯最大Mises應力出現在鋼襯頂部折角處，為16.2 MPa，小于鋼襯抗力限值；最大變形位于鋼襯底邊中部，為0.18 mm；外部混凝土最大主應力為3.2 MPa，大于混凝土允許抗拉強度，此處需采取加強措施。

4.2 檢修工況

檢修工況下，鋼岔管外力由鋼襯單獨承擔，考慮外部加勁環布置，加勁環間距1 m，環高30 cm，厚度22 mm，加勁環外端不設加勁環錨固。計算結果顯示，岔管尖角處鋼襯最大Mises應力和最大跨度處的加勁環頂部加勁環最大Mises應力均超過鋼材抗力限值232 MPa。

根據計算結果，僅依靠加勁環的作用，鋼岔管加勁環在最大跨度處不滿足要求，同時在岔管尖角處容易出現應力集中，所以對加勁環外側加錨筋來進行加強，加勁環每條邊上按0.8 m間距布置錨筋，并對加勁環布置加以調整，使兩側支管加勁環同時經過尖角處直邊。調整過后計算結果，鋼襯最大Mises應力為148 MPa，加勁環最大Mises應力為162 MPa，小于鋼材抗力限值232 MPa，滿足要求。

通過對加勁環布置的調整和增加錨筋，鋼岔管鋼襯強度還有一定裕度，對加勁環布置進行優化，將加勁環高度調整至20 cm，最終計算結果見圖6、圖7。

圖6 鋼襯Mises應力分布(單位：Pa)

圖7 加勁環Mises應力分布(單位：Pa)

鋼襯最大Mises應力位于分岔段的支管頂部，為148 MPa，加勁環最大Mises應力位于分岔段的加勁環上，為162 MPa，鋼襯及加勁環最大Mises應力均小于鋼材抗力限值232 MPa。

5 結 語

對于某水電站排沙廊道方形鋼岔管，利用有限元分析軟件，對在內壓工況下的聯合承載、裂縫等情況和外壓工況下加勁環布置進行計算，得到以下結論：

1)在正常運行工況下，考慮鋼岔管和外部混凝土聯合承載，鋼岔管鋼襯強度滿足安全穩定要求，但是外部混凝土需要對岔管部位進行配筋加強；

2)在考慮鋼岔管和混凝土之間存在裂隙的情況下，鋼襯的Mises應力和變形均有所增大，在施工過程中，應使鋼岔管與外部混凝土緊密結合；

3)在鋼岔管出口段混凝土埋深較淺的位置，外部混凝土有最大主應力；

4)在檢修工況下，可對鋼岔管的加勁環布置進行優化，加勁環外部增加錨筋，可以增強鋼岔管的抗外壓能力，同時可以減小加勁環的高度，減少工程成本。