9 水电站压力管道(一).pptx

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1、浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 电电 站站2007年年7月月第八章第八章 水电站压力管道水电站压力管道v作用：作用：从水库、前池或调压室向水轮机输送水量。从水库、前池或调压室向水轮机输送水量。v特点：特点：坡度陡、内水压力大，承受动水压力，且坡度陡、内水压力大，承受动水压力，且靠近厂房，失事后果严重，所以必须安全可靠。靠近厂房，失事后果严重，所以必须安全可靠。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 压力管道的类型按布置方式分按材料分明管：暴露在空气中(无压引水式电站)钢管(大中型水电站)，钢筋混凝土管、木管(小型电站)地下埋管（隧洞埋

2、管) :埋入岩体。(有压引水电站)不衬砌、锚喷或混凝土衬砌、钢衬混凝土衬砌，聚酯材料管等混凝土坝身埋管： 依附于坝身(混凝土重力坝及重力拱坝)，包括：坝内管道、 坝上游面管、坝下游面管钢筋混凝土管道、钢衬钢筋混凝土管道浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 管管浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 木管木管浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 压力管道的布置和供水方式压力管道的布置和供水方式浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 避免出现负压; 转弯半径R 3D。明钢管首部设事故闸门，并

3、考虑事故排水等。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 单机流量大、长度短的地下埋管或明管；单机流量大、长度短的地下埋管或明管； (2)混凝土坝内管道和明管道。混凝土坝内管道和明管道。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 一根主管，向多台机组供水。设下阀门。一根主管，向多台机组供水。设下阀门。v优点：造价低优点：造价低v缺点：结构复杂（岔管）、灵活性差缺点：结构复杂（岔管）、灵活性差v适用：机组少、单机流量小、引水道长的地下埋管适用：机组少、单机流量小、引水道长的地下埋管和明管。和明管。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站h

4、ttp:/ 分组供水：分组供水： 设多根主管，每根主管向数台机组供水。设下阀门。设多根主管，每根主管向数台机组供水。设下阀门。v适用：压力水管较长，机组台数多，单机流量较适用：压力水管较长，机组台数多，单机流量较小的情况。地下埋管和明管。小的情况。地下埋管和明管。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 水力计算和经济直径的确定水力计算和经济直径的确定一、水力计算一、水力计算v恒定流计算：确定管道的水头损失，包括沿程和恒定流计算：确定管道的水头损失，包括沿程和局部两部分。局部两部分。沿程损失：处于紊流，可按曼宁公式计算。沿程损失：处于紊流，可按曼宁公式计算。局部损失：进

5、口、门槽、渐变段、弯段、分岔局部损失：进口、门槽、渐变段、弯段、分岔等部位，按水力学公式计算。等部位，按水力学公式计算。hw电能电能装机容量装机容量管径选择管径选择浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ ，确定管道中各点的动水压力和变化过程。确定管道中各点的动水压力和变化过程。 水击压强水击压强确定压力管道荷载和管线确定压力管道荷载和管线(最高压力最高压力线和最低压力线线和最低压力线) 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 动能经济比较法：基本原理与渠道相同动能经济比较法：基本原理与渠道相同(要考虑要考虑流速、水锤压力的影响流速、水锤压力的

6、影响)，拟定几个直径，进行，拟定几个直径，进行动能经济计算，比较确定最优经济直径。动能经济计算，比较确定最优经济直径。2. 经验公式法：简化条件推导公式。精度较低，初经验公式法：简化条件推导公式。精度较低，初步设计时采用步设计时采用 Qmax压力管道设计流量，压力管道设计流量，H设计水头设计水头3. 经济流速法：压力管道经济流速一般为经济流速法：压力管道经济流速一般为46m/s，最大不超过最大不超过7m/s，Ae= Qmax/Ve73max2 . 5HQD 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 钢管的材料和管身构造钢管的材料和管身构造 浙江水专国家精品课程浙江水专国

7、家精品课程水电站水电站http:/ (一一) ) 压力管道的工作特点与制作程序压力管道的工作特点与制作程序v工作特点：内水压力大，并经常承受冲击荷载的工作特点：内水压力大，并经常承受冲击荷载的作用；低温状态下工作作用；低温状态下工作( (水温在水温在44左右左右) )对钢材的对钢材的工作条件不利。工作条件不利。v制作过程：制作过程：板裁：冷卷、辊压成形；现场焊接(自动焊、手焊)；检查焊缝(射线、超声波) 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 钢材性能要求钢材性能要求1、机械性能、机械性能v屈服强度屈服强度s 、抗拉强度抗拉强度b ；塑性指标：断裂时的塑性指标：断裂时

8、的延伸率延伸率、断面收缩率断面收缩率；冲击韧性冲击韧性ak。要求强度要求强度高、塑性好高、塑性好(冲击、低温、加工冲击、低温、加工)可焊性能好。可焊性能好。vA3钢机械性能适用于压力管道，但容许应力低。钢机械性能适用于压力管道，但容许应力低。v当当HD600m2，=32mm40mm，不易加工。不易加工。v当当HD较高时采用较高时采用16Mn，其强度高，但塑性差：其强度高，但塑性差：v强度越高，塑性越差。若采用高强钢，要有充分强度越高，塑性越差。若采用高强钢，要有充分的论证。的论证。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ =s/ Kv不同的荷载、不同的部位采用不同的容许

9、应力。不同的荷载、不同的部位采用不同的容许应力。应力区域应力区域膜应力区膜应力区局部应力区局部应力区荷载组合荷载组合基本基本特殊特殊基本基本特殊特殊产生应力的内力产生应力的内力轴力轴力轴力轴力轴力和轴力和弯矩弯矩轴力轴力轴力和轴力和弯矩弯矩允允许许应应力力明钢管明钢管0.55s0.7s0.67s0.85s0.8s1.0s地下埋管地下埋管0.67s0.9s坝内埋管坝内埋管0.67s0.8s0.9s按明管校核情况按明管校核情况浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 国内：国内：D60cm；国外：国外：D120cm。 适用高水头小流量电站。适用高水头小流量电站。2、焊接管焊

10、接管：钢板按要求的曲率辊成弧形，焊接成管段。：钢板按要求的曲率辊成弧形，焊接成管段。适用于各种直径、水头，造成价低。适用于各种直径、水头，造成价低。 (1) 纵缝：焊缝交错排列，避开两个中心轴纵缝：焊缝交错排列，避开两个中心轴 (2) 相邻管壁厚度差相邻管壁厚度差 2mm，内部光滑，外部成台内部光滑，外部成台阶状。阶状。3、箍管箍管：钢管外加钢箍。钢管外加钢箍。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ (D/800+4)mm，或，或6mml防腐、防锈措施：防腐、防锈措施： 涂料、喷镀、化学保护。加防锈厚度涂料、喷镀、化学保护。加防锈厚度2mm。浙江水专国家精品课程浙江水

11、专国家精品课程水电站水电站http:/ 明钢管的敷设方式、镇墩、明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备支墩和附属设备 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 一、敷设方式一、敷设方式v明钢管一般敷设在一系列支墩上，离地面不小于明钢管一般敷设在一系列支墩上，离地面不小于60cm60cm。v转弯处设镇墩，将水管完全固定，相当于梁的固定端。转弯处设镇墩，将水管完全固定，相当于梁的固定端。v水管受力明确，在自重和水重作用下，相当于一个多水管受力明确，在自重和水重作用下，相当于一个多跨连续梁。跨连续梁。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 管身在两镇

12、墩间连续，不设伸缩节。温度应力大，管身在两镇墩间连续，不设伸缩节。温度应力大，一般较少采用。一般较少采用。v分段式分段式： 两镇墩之间设置伸缩节两镇墩之间设置伸缩节 (在上镇墩的下游侧在上镇墩的下游侧)。 温度应力小。温度应力小。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 二、支墩二、支墩(support)1.功用：承受水重和管重的法向分力。相当于连功用：承受水重和管重的法向分力。相当于连续梁的滚动支承，允许水管在轴向自由移动续梁的滚动支承，允许水管在轴向自由移动(温温度变化时度变化时)。2.布置：间距布置：间距L=612m，D特别大时，特别大时，L取取3m。L小小M、Q

13、小小支墩造价高。支墩造价高。3.类型：类型：滑动式滑动式、滚动式滚动式、摆动式摆动式。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 滑动式支墩滑动式支墩v鞍式鞍式(saddle support)：包包角：角：90120，结构简单，结构简单，造价低，摩擦力大，支承造价低，摩擦力大，支承部位受力不均匀，适用于部位受力不均匀，适用于D1m。v支承环式支承环式(slidding ring girder support)：在支墩在支墩处管身四周加刚性支承环。处管身四周加刚性支承环。摩擦力小，支承部位受力摩擦力小，支承部位受力较均匀，较均匀，D2m。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品

14、课程水电站水电站http:/ 摆动式摆动式(rocking ring girder support)v在支承环与墩座之间设一摆动短柱。摩擦系数在支承环与墩座之间设一摆动短柱。摩擦系数f很很小，适用于大直径管道。小，适用于大直径管道。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ block)1. 功用：固定钢管，承受因水管改变方向而产生的功用：固定钢管，承受因水管改变方向而产生的轴向不平衡力。水管在此处不产生任何位移。轴向不平衡力。水管在此处不产生任何位移。2. 布置：在水管转弯处，直线段不超过布置：在水管转弯处，直线段不超过150m。3. 类型：一般由混凝土浇制，靠自重维持

15、稳定。类型：一般由混凝土浇制，靠自重维持稳定。 封闭式：应用广泛。结构简单，节约钢村，固定效果好。 开敞式：采用较少。易于检修，但受力不均匀。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 封闭式封闭式 开敞式开敞式 镇墩的两种形式镇墩的两种形式浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 1、作用力分析、作用力分析 求出明钢管作用于镇墩上的各种力，并按照温升求出明钢管作用于镇墩上的各种力，并按照温升情况下钢管充水运行、钢管放空和温降情况下钢情况下钢管充水运行、钢管放空和温降情况下钢管充水运行、钢管放空等进行最不利的组合。管充水运行、钢管放空等进行最不利的

16、组合。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 2、求轴向力分量、求轴向力分量 设设 x轴水平顺水方向为正。轴水平顺水方向为正。y轴垂直向下为正，轴垂直向下为正，水管轴线交点为坐标原点。水管轴线交点为坐标原点。 求出轴向力总和在求出轴向力总和在x和和 y轴下的分力：轴下的分力： coscosAAXXX sinsinAAYYY浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ v镇墩地基应坚实、稳定、可靠。在严寒地区，镇镇墩地基应坚实、稳定、可靠。在严寒地区，镇墩埋深应在冰冻线以下墩埋深应在冰冻线以下1m，对岩基不少于对岩基不少于0.5m。地震区应将镇墩较深

17、地埋入地基中并适当加大基地震区应将镇墩较深地埋入地基中并适当加大基础面，同时减小镇墩间距。础面，同时减小镇墩间距。v根据结构上的要求拟定出尺寸后，求出镇墩的重根据结构上的要求拟定出尺寸后，求出镇墩的重心位置及其重量心位置及其重量G。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 利用图解法或数解法利用图解法或数解法求求G及及A的合力作用点位置的合力作用点位置及偏心距及偏心距e。应保证应保证e在镇墩底宽的二分点以内。在镇墩底宽的二分点以内。 5、抗滑稳定校核、抗滑稳定校核 抗滑稳定应符合下式要求：抗滑稳定应符合下式要求：ccKXGYfK)358(62BBGYMen浙江水专国家

18、精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 要求地基上均为压应力，且最大值不超过地基的要求地基上均为压应力，且最大值不超过地基的容许值容许值R。可按偏心受压公式计算地基应力。可按偏心受压公式计算地基应力。 要求最大值要求最大值maxR，最小值最小值min0，不应出现不应出现负值。负值。 (二二) 支墩结构分析支墩结构分析 支墩承受管重和管内水重的法向分力与镇墩相似。支墩承受管重和管内水重的法向分力与镇墩相似。主要内容也是抗滑、抗倾覆稳定及地基承载力校核主要内容也是抗滑、抗倾覆稳定及地基承载力校核 RBeLBGY61.浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 1

19、、闸门及阀门、闸门及阀门v压力管道进口设快速闸门压力管道进口设快速闸门( (事故门事故门)()(在前池、调在前池、调压室、水库等位置压室、水库等位置) )。v对于联合供水或分组供水的管道，在水轮机进对于联合供水或分组供水的管道，在水轮机进口前应设快速阀门口前应设快速阀门( (事故事故阀阀) )，其型式有蝴蝶阀、，其型式有蝴蝶阀、球阀。球阀。v小型水电站有时用平板阀。小型水电站有时用平板阀。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 蝴蝶阀蝴蝶阀(Butterfly Valve)v优点：启闭力小，操作方便迅速，体积小，重量轻，优点：启闭力小，操作方便迅速，体积小，重量轻，造

20、价低。造价低。v缺点：开启状态时，阀体对水流有扰动，水头损失缺点：开启状态时，阀体对水流有扰动，水头损失较大；关闭状态止水不严。较大；关闭状态止水不严。v动水中关闭，在静水中开启动水中关闭，在静水中开启 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 球阀：球形外壳球阀：球形外壳+可旋转的圆筒形阀体可旋转的圆筒形阀体+附件。附件。v优点：开启状态时没有水头损失，止水严密，能承优点：开启状态时没有水头损失，止水严密，能承受高压。受高压。v缺点：结构复杂，尺寸和重量大，造价高。缺点：结构复杂，尺寸和重量大，造价高。v适用：高水头电站。适用：高水头电站。浙江水专国家精品课程浙江水专

21、国家精品课程水电站水电站http:/ joint) v功用：消除温度应力，且适应少量的不均匀沉陷。功用：消除温度应力，且适应少量的不均匀沉陷。 v位置：常在上镇墩的下游侧位置：常在上镇墩的下游侧(为什么？为什么？) v伸缩节的型式较多，常见的几种见下页图。伸缩节的型式较多，常见的几种见下页图。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ (b)波纹密封套筒式伸缩节波纹密封套筒式伸缩节(c)压盖式限拉伸缩节压盖式限拉伸缩节 (d)波纹管伸缩节波纹管伸缩节浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 3、 通气阀通气阀 作用：作用：当阀门紧急关闭时，向管内充

22、气，以消除管当阀门紧急关闭时，向管内充气，以消除管中负压；水管充水时，排出管中空气。中负压；水管充水时，排出管中空气。 位置：位置：阀门之后。阀门之后。 4、 进人孔进人孔 作用：作用：检修钢管；位置：钢管上方；直径：检修钢管；位置：钢管上方；直径：50cm左左右，间距右，间距100m 。 5、旁通阀及排水设备、旁通阀及排水设备v旁通阀：旁通阀：设在水轮机进水阀门处；作用：阀门前后设在水轮机进水阀门处；作用：阀门前后平压后开启，以减小启闭力。平压后开启，以减小启闭力。v排水管：排水管：应设置在水管的最低点；作用：在检修水应设置在水管的最低点；作用：在检修水管时用于排出管中的积水和渗漏水。管时用

23、于排出管中的积水和渗漏水。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 明钢管的管身应力分析明钢管的管身应力分析一、明钢管的荷载一、明钢管的荷载v内水压力内水压力( (包括各种静水压力、水重，水压试验和包括各种静水压力、水重，水压试验和充、放水时的水压力充、放水时的水压力) ) v钢管自重钢管自重v温度变化引起的荷载温度变化引起的荷载v镇墩和支墩不均匀沉陷引起的力镇墩和支墩不均匀沉陷引起的力v风荷载和雪荷载风荷载和雪荷载v施工荷载施工荷载v地震荷载地震荷载v管道放空时通气设备造成的负压。管道放空时通气设备造成的负压。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站htt

24、p:/ 受力部位 序号 作用力方向 作 用 力 名 称 计 算 公 式 上段 下段 管壁 支墩 镇墩 1.1 径向 内水压力强度 P HP 2.1 钢管自重的分力 Qs cosLqQss 2.2 垂直 管轴 管内水重的分力 Qw cosLqQww 3.1 钢管自重的分力 A1 sin1LqAs 顺 顺 3.2 关闭的阀门及闷头上的力 A2 4/202PDA 顺或逆 顺或逆 3.3 渐缩管上的内水压力 A3 4/)(2min2max3PDDA 顺 顺 3.4 伸缩节端部的内水压力 A4 4/)(22214PDDA 顺 逆 3.5 弯管上内水压力的分力 A5 4/205PDA 顺 逆 3.6 弯管

25、上水流离心力的分力 A6 gvDAw4/20206 顺 逆 3.7 温变时伸缩节止水填料的摩擦力 A7 PbDAPP17 顺 逆 逆 顺 cos)(81LqqAws 顺 逆 逆 顺 温度作用 温变时支座垫板与钢管间或支座上下垫板间的摩擦力 A8 cos)(82LqqAws 逆 顺 顺 逆 3.8 平 行 管 轴 情 况 温升 温降 温升 温降 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 明钢管荷载组合明钢管荷载组合 序序号号荷载荷载基本荷载组合基本荷载组合特殊荷载组合特殊荷载组合正常运行正常运行放空放空特殊特殊运行运行水压水压试验试验施工施工充水充水地震地震( (一一)

26、) ( (二二) )1 1内内水水压压力力正常蓄水位的静水正常蓄水位的静水压力压力正常工况最高压力正常工况最高压力特殊工况最高压力特殊工况最高压力水压试验内水压力水压试验内水压力2 2钢管结构自重钢管结构自重3 3钢管内的满水重钢管内的满水重4 4钢管充水、放水过程中，钢管充水、放水过程中，管内部分水重管内部分水重5 5温度变化引起的力温度变化引起的力浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ (一一) ) ( (二二) )6 6管道直径变化处、转弯管道直径变化处、转弯处及作用在堵头、闸阀、处及作用在堵头、闸阀、伸缩节上的水压力伸缩节上的水压力7 7镇墩、支墩不均匀沉陷镇

27、墩、支墩不均匀沉陷引起的力引起的力8 8风荷载风荷载或或9 9或或9 99 9雪荷载雪荷载1010施工荷载施工荷载1111地震荷载地震荷载1212管道放空时，管内外气管道放空时，管内外气压差压差浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 钢管管壁厚度估算钢管管壁厚度估算v 用锅炉公式初拟管壁厚度用锅炉公式初拟管壁厚度v 根据规范要求，焊缝系数根据规范要求，焊缝系数一般取为一般取为0.90.95，允许，允许应力取钢管材料允许应力的应力取钢管材料允许应力的85%。考虑钢管运行期。考虑钢管运行期间的锈蚀、磨损及钢板厚度误差，间的锈蚀、磨损及钢板厚度误差， 实际实际=+2mm（锈

28、蚀厚度）锈蚀厚度）v 由于制造、运输、安装等要求有一定的刚度，因而由于制造、运输、安装等要求有一定的刚度，因而需要限制管壁的最小厚度需要限制管壁的最小厚度min。min=D/800+4(mm)，且不宜小于且不宜小于6 mm。 22HDPD浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 应力分析的四个基本断面应力分析的四个基本断面浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 一般情况下，最后一跨的应力最大。根据受力特点常一般情况下，最后一跨的应力最大。根据受力特点常选四个断面进行应力分析。选四个断面进行应力分析。v跨中断面跨中断面11：只有整体弯距作用，且弯

29、距最大只有整体弯距作用，且弯距最大,无局无局部应力部应力受力最简单；受力最简单；v支承环旁管壁膜应力区边缘，断面支承环旁管壁膜应力区边缘，断面22：整体弯距和整体弯距和剪力共同作用，均按最大值计算，无局部应力剪力共同作用，均按最大值计算，无局部应力受受力比较简单；力比较简单；v加劲环及其旁管壁，断面加劲环及其旁管壁，断面33：由于加劲环的约束，由于加劲环的约束，存在存在局部应力局部应力；v支承环及其旁管壁，断面支承环及其旁管壁，断面44：应力最复杂，存在整应力最复杂，存在整体弯距和剪力体弯距和剪力(支承反力支承反力)的作用，有的作用，有局部应力局部应力。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程

30、水电站水电站http:/ 跨中段跨中段面面(1)-(1)的管壁应力的管壁应力 跨中段面属于膜应力区，其特点是弯矩最大，剪力跨中段面属于膜应力区，其特点是弯矩最大，剪力为零。为零。 1径向应力径向应力 管壁内表面管壁内表面: ， “-”表示压应力。表示压应力。 管壁外表面：管壁外表面： rHr0r浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 设压力水管中心处的水头为设压力水管中心处的水头为H，而水管轴线与水平而水管轴线与水平面的夹角为面的夹角为，则在管壁中任意一点则在管壁中任意一点(该点半径与管该点半径与管顶半径的夹角为顶半径的夹角为)的水头为的水头为coscosrH 压力管

31、道水压力分布及管壁微圆弧的受力平衡图压力管道水压力分布及管壁微圆弧的受力平衡图浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ (HrrP2/11DHTP浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ =法向力引起的轴向弯曲应力法向力引起的轴向弯曲应力 +轴向轴向作用力引起的轴向应力作用力引起的轴向应力 x1x2x法向力引起的弯矩和剪力法向力引起的弯矩和剪力 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 法向力作用引起的管壁轴向应力法向力作用引起的管壁轴向应力 M水重和管重的法向分力作用下连续梁的弯矩；水重和管重的法向分力作用下连续梁的弯矩

32、；W连续连续梁梁(空心圆环空心圆环)的断面模数，的断面模数， (2) 轴向力引起的轴向应力轴向力引起的轴向应力 在轴向力的合力在轴向力的合力A作用下，管壁中产生的轴向应作用下，管壁中产生的轴向应力为，管壁的断面积为力为，管壁的断面积为F，则则 coscos21rMWMx1x2rW 2xDAFAx2浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 1-1 断面应力状态图形断面应力状态图形浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ (2)-(2) 断面的管壁应力断面的管壁应力v(2)-(2)断面虽然靠近支承环，但在支承环的影响范断面虽然靠近支承环，但在支承环的

33、影响范围之外，即不考虑支承环对管壁的约束作用。为围之外，即不考虑支承环对管壁的约束作用。为了安全起见，认为该断面的弯矩和剪力与支承环了安全起见，认为该断面的弯矩和剪力与支承环断面相等。断面相等。v跨中断面和支承环断面的管道弯矩大小相等，方跨中断面和支承环断面的管道弯矩大小相等，方向相反，支承环处存在剪力向相反，支承环处存在剪力V。所以在垂直于管道所以在垂直于管道轴线的横断面上剪应力的计算公式为轴线的横断面上剪应力的计算公式为rVbJVSRxsin浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ V管重和水重法向分力作用下连续梁的剪力管重和水重法向分力作用下连续梁的剪力; SR计

34、算点以上管壁环形截面积对重心轴静矩计算点以上管壁环形截面积对重心轴静矩, ； b受剪截面宽度，受剪截面宽度， ； J截面惯性矩，截面惯性矩， 。v当当=0(管道顶部管道顶部)和和=180(底部底部)时，时， =0；当；当=90(侧面中点侧面中点)时，达到最大值时，达到最大值 v断面断面(2)-(2)的其他正应力的其他正应力r、和和x均与断面均与断面(1)-(1)相等，但符号不尽相同。相等，但符号不尽相同。sin22rSR2b338rDJxFVx2浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 2-2 断面应力状态图形断面应力状态图形浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电

35、站水电站http:/ 加劲环及其旁管壁，断面加劲环及其旁管壁，断面(3)-(3)管壁应力管壁应力 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 式中式中 r和和管道的半径和管壁的厚度管道的半径和管壁的厚度;rl78. 0浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ Q=lHP M=0.5 (l)2HP =(Fk-a)/(Fk+2l)其中：其中：Fk为加劲环的净面积。为加劲环的净面积。v所以：所以：x2=6M/2=1.82HPD/2 =1.821(内壁受拉内壁受拉)浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ xr=3Q/23、环向应力

36、、环向应力2v由内水压力和局部剪力所引起，所以：由内水压力和局部剪力所引起，所以：因为因为 所以所以kkFlaprFrplpa22212 laFk)1 ()1 (12pr浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 支承环及其旁管壁，断面支承环及其旁管壁，断面(4)(4)的管壁应力的管壁应力 v支承环由于承担管重和水重法向力支承环由于承担管重和水重法向力Q而在支墩处引而在支墩处引起的支承反力起的支承反力R，从而在支承环内产生从而在支承环内产生附加应力附加应力。 1支承环的支承方式支承环的支承方式 侧支承和下支承两种形式。侧支承和下支承两种形式。图中点划线为支承环图中点划线为

37、支承环有效截面重心轴，它与圆心距离为半径有效截面重心轴，它与圆心距离为半径R，支墩支支墩支承点至支承环截面有效重心轴距离为承点至支承环截面有效重心轴距离为b，支承反力支承反力为为Q/2cos。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 当采用侧支承时，根据理论分析，在设计时取当采用侧支承时，根据理论分析，在设计时取b=0.04R，可使环上最大正弯矩与最大负弯矩接，可使环上最大正弯矩与最大负弯矩接近相等，则钢材性能得到最充分的发挥。近相等，则钢材性能得到最充分的发挥。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 支承环所承受的荷载支承环所承受的荷载 (1

38、)管重和水重法向分力产生的剪力；管重和水重法向分力产生的剪力； 管重和水重在支承环两侧管壁上产生的剪应力均管重和水重在支承环两侧管壁上产生的剪应力均为为 ，因此沿管壁圆周单位长度，因此沿管壁圆周单位长度上作用在支承环上的剪力为上作用在支承环上的剪力为 (2) 支墩两侧的反力支墩两侧的反力0.5Q，钢管一般都是倾斜布置，钢管一般都是倾斜布置，支承反力为支承反力为 ； (3) 支承环自重，但相对较小，可以不计。支承环自重，但相对较小，可以不计。cossin12rQSxxcos5 .0Qcossin2 rQx浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 浙江水专国家精品课程浙江水

39、专国家精品课程水电站水电站http:/ 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 力 断面 (1)-(1) (2)-(2) (3)-(3) (4)-(4) 计 算 公 式 1 1 )coscos1 (1HrrP 2 2 )1(2Pr 3 FNR3 4 RRRRRWMJZM4 r aJSTRRRr(支 承 环 腹 板) 纵 断 面 x x x xx 1x 1x 1x 1x )sincos(121exMMr 2x 2x 2x 2x DAx2 3x 3x Prx816.13(管 壁 内 缘 +， 外 缘 -)

40、横 断 面 x x x rVVexcossin 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 3222222rxxrrrxxrx3222xxx浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 外压稳定校核外压稳定校核浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 当外压力当外压力P增加到临界压力增加到临界压力Pcr时，钢管管壁就丧时，钢管管壁就丧失稳定。临界压力失稳定。临界压力Pcr为为 为了安全起见，引入安全系数为了安全起见，引入安全系数K，要求：要求：PcrKP。 取取K=2.0，P=0.1MPa，钢材的弹模钢材的弹模E=2105MPa

41、, 略去略去2，则得到光滑钢管段不失稳的条件为：则得到光滑钢管段不失稳的条件为：32233)1 (2)1 (123DEErPcr130D浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ (1) 加劲环之间的管壁外压稳定性加劲环之间的管壁外压稳定性2222222332222221121)1 (121) 1(rLnnnrErLnnrEPcr4/12/174. 2rLrn也可以用查图表的方法求临界压力。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 加劲环断面的外压稳定加劲环断面的外压稳定v两个要求两个要求n加劲环断面本身不失稳n加劲环断面的压应力小于材料的允许值

42、。 v按光滑管的公式计算，但是等式右边应该除以加按光滑管的公式计算，但是等式右边应该除以加劲环的间距劲环的间距L，其他参数用加劲环有效断面计算。其他参数用加劲环有效断面计算。 LREJKPPkcr33浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ (1)恒定流：确定钢管在不同流量下的水头损失。恒定流：确定钢管在不同流量下的水头损失。 (2)非恒定流：水电站在工况发生变化时，钢管的水非恒定流：水电站在工况发生变化时，钢管的水击压力。击压力。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 初步拟定管壁厚度初步拟定管壁厚度(考虑锈蚀厚度考虑锈蚀厚度)；(2) 根据

43、管壁厚度用光滑管外压稳定计算公式进行外根据管壁厚度用光滑管外压稳定计算公式进行外压稳定校核，如果不稳定设置加劲环压稳定校核，如果不稳定设置加劲环(也可用支也可用支承环代替承环代替)，并选定其间距；，并选定其间距；(3) 根据加劲环抗外压稳定和横断面压应力小于允许根据加劲环抗外压稳定和横断面压应力小于允许值的要求，确定加劲环的尺寸；值的要求，确定加劲环的尺寸；(4) 进行强度校核，如果不满足要求则增加管壁厚度进行强度校核，如果不满足要求则增加管壁厚度或缩小加劲环间距。在重复上面的步骤，直到或缩小加劲环间距。在重复上面的步骤，直到满足要求。满足要求。6、校核镇墩的稳定及地基应力。、校核镇墩的稳定及地基应力。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/