地面式明鋼管溫度作用機理與取消伸縮節研究

周 偉，姚 雷

（黃河勘測規劃設計研究院有限公司，鄭州450003）

0 引言

伸縮節是壓力鋼管中為減少或消除由溫度變化或不均勻地基變形所產生的附加應力而設置在兩鎮墩或廠壩之間的構件［1，2］，主要包括套筒式伸縮節和波紋管伸縮節［3，4］。由于伸縮節的加工、制造和安裝難度大，造價昂貴，單價約為鋼管的4倍，運行期的止水問題和水頭損失嚴重等原因［5，6］，極大地限制了其應用，近年來不少專家學者致力于研究論證取消伸縮節的可行性，以期避免伸縮節在運行期的位移補償能力差、漏水問題嚴重和維修困難等難題，同時節省大量工程投資和維修費用，縮短工期提前發電。吳海林［7］等采用三維有限元分析建立了某大型水電站的有限元整體模型，分析評價了地震作用下保留和取消伸縮節兩種方案的自振特性，過縫結構的安全性，表明取消伸縮節情況下管道結構可靠，設置外包軟墊層可代替傳統的伸縮節。楊經會等［8］采用有限元法，探討了溫度作用下地面式鋼襯鋼筋混凝土管道取消伸縮節的影響，結果表明在解決地基不均勻問題的基礎上，建議取消伸縮節。此外取消伸縮節的管道形式已在國內外水電站工程實踐中被應用［9-11］，前蘇聯的薩揚舒申斯克水電站采用水平錐形補償節代替了廠壩間的伸縮節，前蘇聯的契爾蓋水電站取消了廠壩間的伸縮節，等待拱壩及廠房段的沉陷量大部分完成以后再把壓力鋼管在分縫處焊接連接起來，我國的東江水電站壩后背管斜直段和緊水灘水電站廠壩分縫處均未設置伸縮節，運行以來尚未發現問題，可見在壓力鋼管上設置伸縮節并不是必需的，采取一定的替代措施取消鋼管上伸縮節是可行的。

截止到目前為止，對取消伸縮節的研究都缺少相關標準和規范，以往的研究多是針對廠壩過縫處的伸縮節取消措施，而對于明鋼管取消伸縮節的研究甚少，更未涉及到大口徑明鋼管取消伸縮的研究，因此，研究明鋼管鎮墩間取消伸縮節對結構的影響是適宜的和必要的。地面壓力管道暴露在空氣中很容易受到溫度等復雜的外界環境的影響，產生不利于結構的變形，在以往的設計研究中，明鋼管所受的溫度作用主要是管道的合攏溫差［12，13］，此時管道各處的溫度變化是相同的，管道承受均勻的溫度作用，然而管道在實際運行中，日照也會影響到管道的溫度場，尤其是在緯度較高，日照比較強烈的區域，管道的陽面和陰面的溫差相對較大。研究表明［14，15］，日照引起的鋼管兩側不均勻會使鋼管結構產生水平向彎曲變位，該變位甚至會導致鋼管脫離支座，產生落梁破壞，乃至支墩混凝土破壞等情況。明鋼管因日照產生的溫差與管徑相關，管徑越大，日照溫差越大，因此非均勻溫度場對大直徑明鋼管的影響更為明顯，不可忽略。

本文基于某水電站大口徑地面式明鋼管工程實際，建立了進水口、上下游鎮墩、支墩、明鋼管和下游廠房的整體三維有限元數值分析計算模型，探討了明鋼管在溫度作用下設置和不設置伸縮節的受力特性，論證了大口徑地面式明鋼管取消伸縮節的可行性，擬定了均勻溫升、均勻溫降，頂底溫差（頂部高溫），左右溫差（左側高溫）和左右溫差（右側高溫）五種方案，系統地研究了溫度場對地面式明鋼管的受力以及支墩滑移的影響。

1 計算模型及條件

1.1 計算模型

某水電站大壩為混凝土面板堆石壩，電站設5 臺混流式機組，總裝機容量1 285 MW，引水管道采用地面式明鋼管結構形式，每條壓力鋼管長度約為366.0 m，直徑5.8 m，考慮水擊壓力后鋼管的最大內水壓力超過262 m。明鋼管共設置16個滑動式支座，支座間距14 m，支座兩支腿采用一側允許沿管軸向單向滑動，一側可以雙向滑動的型式。該水電站進水口和鎮墩、支座基礎擬采用C20混凝土，廠房結構采用C30混凝土，鋼管采用P460鋼材，屈服強度460 MPa，抗拉強度550 MPa，線膨脹系數αs=1.2×10-5/℃。混凝土結構和地基均采用實體單元SOLID185 模擬，選用無質量地基。支承環、加勁環和鋼管管壁等采用SHELL181 單元。在支座上下滑板之間建立接觸單元模擬滑動支座，摩擦系數取為0.1，在每個支座右側滑板設置水平向耦合約束來模擬限位措施。伸縮節采用復式波紋管形式，采用BEAM4 單元模擬，分別與伸縮節兩端管殼剛性耦合，梁單元的軸向剛度等效于波紋管軸向剛度，伸縮節中間管用PIPE16單元模擬。在地基的上下游斷面、兩側面施加法向約束、底部邊界施加全約束，其他均為自由面，建立的有限元模型如圖1所示。

1.2 計算方案

為研究大口徑明鋼管取消伸縮節的可行性，本文將分別計算設置和取消伸縮節兩種情況下結構的應力與變形。同時為了更好地敘述計算結果，選取了若干個管道特征斷面和上鎮墩進行編號，具體編號見圖2所示。為深入研究管道在溫度作用下的變形機理，本文擬定均勻溫升、均勻溫降、頂高底低溫差、左高右低溫差和左低右高溫差5 組計算方案，如表1所示。參考日本水門鐵管技術基準，鋼管向陽側溫度=4+27/19*環境溫度，環境溫度取極端高溫45 ℃時，則鋼管向陽側溫度為67.9 ℃，兩側溫差為22.9 ℃。

圖2 不同伸縮節方案及特征斷面示意圖

表1 計算方案

2 明鋼管取消伸縮節研究

2.1 鋼管受力分析

明鋼管受到溫度作用的影響很大，通常管線中設置伸縮節以減小或消除壓力鋼管中溫度變位所產生的附加應力。為方便對比設置和取消伸縮節方案下鋼管應力的分布規律，選取了圖2所示的特征斷面和特征點的Mises應力值進行分析。

分析鋼管軸向應力圖3可知，無論是溫升還是溫降工況，由于伸縮節的存在，允許鋼管有較大程度的軸向變形，對減少管道軸向溫度應力起到了明顯作用。在設置伸縮節的情況下，溫升情況A-1方案上平段（特征斷面編號1～4）主要受進水口推力和泊松效應影響，鋼管軸向主要以受壓為主，但壓應力很小；斜直段（特征斷面編號5～19）主要受重力、泊松效應影響，軸向主要以受壓為主。當取消伸縮節后，B-1 方案管線由于溫升產生了明顯的軸向壓應力，且上平段進水口上游水推力的作用增強，上平段和斜直段鋼管的軸向壓應力有較大幅度增加。設置伸縮節時，溫降情況A-2 方案和溫升情況A-1 方案鋼管軸向應力差別并不大，取消伸縮節B-2 方案，溫降作用在管線中引起了較大軸向拉應力，與不設置伸縮節情況A-2 方案相比，軸向拉應力大幅增加。

圖3 鋼管軸向應力（單位：MPa）

分析鋼管Mises 應力圖4 可知，在取消伸縮節情況下，溫升情況時，鋼管軸向有較大壓力，鋼管Mises 應力與伸縮節方案相比，數值略大或差別不大；在溫降情況下，鋼管軸向拉應力比伸縮節方案明顯增大，鋼管Mises 應力比伸縮節方案小。各方案整體呈現隨著水壓力增大鋼管Mises 應力不斷增大的趨勢。無論是何種方案，在溫升和溫降作用下，鋼管Mises 應力值均小于鋼材允許應力值，在不考慮失穩情況下可認為結構安全可靠，從鋼管受力角度出發認為取消伸縮節是可行的。

圖4 鋼管Mises應力（單位：MPa）

2.2 支座滑移分析

在結構自重及內水壓力作用下，管道結構主要表現為豎直向下沉降和向下游變形。在內水壓力和溫度作用下，鋼管變形主要表現為沿徑向向外膨脹和軸向變位。在各類荷載綜合作用下，鋼管沿支座也產生了一定的滑移，支座上下滑板的相對滑動位移見圖5，表中L（Left）表示支座的左側支腿，R（Right）表示右側支腿（面向下游）。約定支座位移和作用力的提取基于局部坐標進行，局部坐標系X軸與管軸向一致且指向下游為正，Z軸與整體笛卡爾坐標系中Z軸一致，Y軸垂直于支座滑板指向外側為正。

分析圖5 可知，除伸縮節附近支座由于管道約束較弱而具有較大滑移外，不同方案下支座側向（Z向）滑動距離差異不大，是否設置伸縮節對支承環側向相對滑移的影響并不明顯。而順水流向滑移（X向）受伸縮節設置和溫度場作用影響明顯，對方案A-1和A-2，由于鋼管設置了伸縮節，在溫度作用下鋼管沿管軸線產生了明顯的滑動，越靠近伸縮節滑移量越大，在伸縮節下游側第一個支座位移最大。方案B-1和B-2由于鋼管未設置伸縮節，進水口和上鎮墩限制了管道的軸向變位故上平段表現為X向的微小滑動，斜直段在靠近上下鎮墩約束較強的區域，支座上下滑板相對位移較小。取消伸縮節可以有效的減少支座沿軸向的相對滑移，因此從該角度出發取消伸縮節對工程是有利的。

圖5 各方案支座滑板相對滑移圖（單位：mm）

3 明鋼管溫度作用機理研究

從以上的分析可知，該工程取消伸縮節方案是基本可行的，然而結構在實際運行中并不是始終處在均勻的溫度場下，當管道放空時由于日照的影響，管道向陽面和陰面將產生溫差。為進一步探究取消伸縮節方案整體結構在不同溫度場下的受力變形情況，本文擬定了頂底溫差（頂部高溫）、左高右低溫差和左低右高溫差三種方案進一步進行明鋼管的溫度作用機理研究。

3.1 溫度作用下鋼管受力分析

在管道放空時，考慮溫度梯度情況下，鋼管各部位的Mises應力最大值整理結果見圖6所示。鋼管在不均勻溫度情況下，由于沒有內水壓力作用，管道Mises 應力水平不高，小于允許應力值。但不均勻溫度作用使得管道相對于均勻溫度作用在軸向方向產生較大的壓應力值，壓應力整體在100 MPa左右，雖小于管道軸向受壓局部屈曲允許壓應力119.8 MPa，但裕度不大，因此不均勻溫度作用使得管道偏不安全，在以后的分析中應將溫度的不均勻性考慮進來。同時對于取消伸縮節的明鋼管，除了校核結構強度之外，還需要關注管道的軸向穩定問題。

圖6 管道各部位最大Mises應力（單位：MPa）

圖7 管道各部位最大軸向應力（單位：MPa）

3.2 溫度作用下支座滑移分析

在不同的溫度場作用下，支座Y向滑移均為很小的正值，鋼管具有往上拱的趨勢，也即存在鋼管與支承環與底板分離的趨勢。各支座水流向和側向相對滑移如圖8所示。在頂部高溫、左高右低、左低右高兩側溫度梯度作用下，鋼管變形主要表現為沿管軸線膨脹，因此在X向和Z向均有較大的位移。在鋼管兩側溫差等荷載的作用下，管道中部具有左側（面向下游）偏移的趨勢，表現為支座左支腿Z向的負向滑移更大，但由于右側支腿被約束，即使存在較大的兩側溫差，管道側向位移并不大，不會出現鋼管支撐環從支座底板脫落的危險。可見不同溫度場作用下，對支座的滑移影響較大，使得支座處于更不利的狀態下，因此在進行鋼管的分析校核時，應考慮非均勻溫度的影響。

圖8 不同溫度作用下各支座相對滑移（單位：mm）

4 結論

本文基于某工程大口徑地面式明鋼管，研究鋼管結構在不同溫度場作用下的受力變形規律，同時論證了地面式明鋼管取消伸縮節的可行性，可以得出以下結論。

（1）從鋼管受力、鎮墩抗滑穩定和支座滑動角度分析，在取消伸縮節后，在不同溫度作用下，鋼管的Mises 應力比設置伸縮節時有增有減。取消伸縮節后，鋼管軸向約束增強，鋼管軸向滑移減小，對支座受力和設計有利。在設計合理的條件下，地面式明鋼管也是可以取消伸縮節的。

（2）取消伸縮節后，溫度作用對管道結構的影響不容忽視，鋼管軸向溫度壓應力將有大幅增大。尤其是鋼管放空時非均勻溫度作用對管道軸向應力的影響更大，鋼管局部區域最大軸向壓應力已經逼近鋼管軸向受壓屈曲穩定的允許壓應力。因此對于取消伸縮節的明鋼管，除了關注其強度之外，鋼管軸向受壓屈曲穩定問題也不容忽視。

（3）目前關于地面式明鋼管取消伸縮節的研究尚少，鋼管軸向受壓屈曲穩定的研究也很少，其分析方法還不夠成熟，在實際工程設計中若有需要取消伸縮節，應進行深入研究。□