压力钢管支承环结构计算分析

吴坤占，张战午，李冲

1 引言

压力钢管是水利水电工程输水建筑物的重要组成部分，在承受一定的水压条件下，将水从水库或压力前池等位置引入电站厂房。正因为压力钢管需承受较高的内水压力，如在设计、运行过程中稍有不当，则较容易产生事故，所以合理的结构设计以及正确的安装方法就显得格外重要。尤其是明管敷设过程中，为保证钢管段不致于发生倾覆和扭转，需间隔一定距离设置镇墩和支墩，同时在管道和支墩间利用支承环同时起到支撑和径向约束的作用。本文所引用工程实例中，由于压力钢管支墩间距较大、敷设坡度较陡、管段地质条件复杂等因素，加之支承环自身及支承环与压力钢管管壁连接处应力复杂，为了解支承环自身及支承环与压力钢管管壁连接处的应力大小及应力分布规律，有必要对支承环结构进行三维有限元计算，分析并提出支承环断面及支承环附近管壁应力状态和分布规律以及支承环结构变形特点。

2 工程资料

根据《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》（DL 5180—2003）的划分标准，该工程水库总库容2.28亿m³，水电站装机容量450MW，为二等大（2）型工程，压力钢管和引水岔管等主要水工建筑物级别为2级，建筑物安全基本为Ⅱ级。考虑到压力钢管管道长、水头大、设计地震烈度高以及部分管段地质条件复杂等因素，根据《水电站压力钢管设计规范》（DL/T 5141—2001）第8.0.3条的规定，将钢管结构安全级别提高一级按Ⅰ级设计，钢管结构重要性系数γ₀取1.1。

2.1 设计参数

（1）支墩间距l=17.5m。

（2）钢管轴向与水平面夹角α=18.5°。

（3）钢管管壁厚52mm，管径3.8m。

（4）正常蓄水位下静水压力3.79MPa。

（5）正常运行情况下最高内水压力：3.79MPa（静水）/1.36MPa（水锤）。

（6）特殊运行情况下最高内水压力：3.86MPa（静水）/1.36MPa（水锤）。

（7）水压试验情况内水压力：1.25×（1.0×3.79+1.1×1.36）=6.61（MPa）。

有关压力钢管及支承环结构尺寸见图1。

2.2 钢材抗力限值

压力钢管管壁结构采用压力容器用WDB620高强度结构钢，支承环等附属结构则采用Q345C低合金高强度结构钢。钢材的泊松比取0.3，弹性模量取205GPa，线膨胀系数取1.17×10^-5/℃。钢材抗力限值见表1。

2.3 计算工况

按承载能力极限状况设计的作用效用组合对支承环结构主要进行以下工况的计算。

（1）工况1：持久状况，正常运行情况最高内水压力情况。

（2）工况2：短暂状况，水压试验情况。

（3）工况3：偶然状况，校核洪水情况。

3 计算方法

3.1 计算模型

为减小管道两端约束对分析部位的影响，整体模型取（17.5m×3m）长管段进行计算，分设3个支墩，考虑陡坡段真实坡角18.5°，以中间支墩处压力钢管中心为原点，取分析部位为管轴向-1.25～1.25m范围内钢管及支承环结构。因考虑到下游镇墩和上游伸缩节布置的影响，计算模型钢管下游管端固结，上游管端按自由端处理。压力钢管管壁和支承环应在图示板厚的基础上扣除2mm的锈蚀厚度。

计算采用ANSYS有限元计算软件，结构假定为各向同性、均匀连续的线弹性体。其中压力钢管和支承环结构网格划分采用shell63壳单元，滑动块体、支墩和混凝土底板采用solid45实体单元，滑动块体内接触面采用conta173和targe170考虑接触非线性计算，左右侧允许小范围内移动，轴向可自由滑动，其中滑动支座摩擦系数取0.1，支座增强四氟乙烯滑板弹性模量为2.0GPa。压力钢管支承环结构有限元计算模型见图2，支承环部位细部网格见图3。

3.2 成果整理规定

本次计算沿管轴向分别整理了7个剖面的位移应力成果。其中，剖面1距离支承环中心面1.25m，剖面2根据应力计算结果所定，取计算管段应力最大处（本次计算取距离中心面0.828m处），剖面3为上游侧支撑面处，距离中心面0.188m，剖面4为支承环中心面剖面，剖面5～剖面7同上对称剖分，环向以Y轴正向开始逆时针为正（从下游看，管顶处为0°），见图4。

4 计算分析

4.1 管壁位移

通过计算分析，对于陡坡段支承环部位管道，其环向位移较小，轴向位移在此模型约束情况下各工况有7～9mm向下游约束端的位移。压力钢管在内水压力作用下不同剖面有不同程度的径向偏移（见表2），相比之下，支承环部位管壁径向扩张较小，说明支承环对结构变形的约束较为明显。如图5所示，径向变形左右侧对称，以工况2为例，支承环范围之外的管壁最小径向位移在管壁±120°，最大位移在管底；而支承环作用下管壁最小径向位移仍出现在±120°，最大位移则出现在±45°管壁。

4.2 管壁应力

压力钢管各工况各剖面最大Mises应力列于表3。支承环作用部位的压力钢管管壁应力左右侧对称分布，以工况2为例，最大Mises应力均发生在距离支承环中心面828mm，±120°管壁内侧（即剖面2），为275MPa，而最小Mises应力则发生在中心剖面管底部位管壁外侧（剖面4）；对各剖面应力进行分析，剖面1和剖面7最大Mises应力发生在±118.3°附近管壁内侧，分别为264.70MPa和263.63MPa，剖面2 和剖面6最大Mises应力发生在±120°附近管壁内侧，分别为275.00MPa和272.99MPa，剖面3和剖面5最大Mises应力发生在±118.3°附近管壁外侧，分别为217.78MPa和207.82MPa，剖面4最大Mises应力发生±15°附近管壁内侧，为182.78MPa。工况2各剖面应力分布情况见图6和图7。

4.3 支承环部件应力

各工况下支承环各部件的最大Mises应力见表4所列。支承环最大Mises应力发生在上游侧支承面内环侧±150°，为支承环腹板施加部位突变应力，支承面内环侧沿环向腹板施加处均有应力突变，见图8和图9，其中以工况2应力最大为239.19MPa，支承面外环侧形状不规则，外环侧最大Mises应力出现在±60°（加强板开始施加部位）。

支承环加强板Mises应力相对较大，较大应力主要发生在管底支承环加强板，加强板凸角部位局部存在形状突变产生的应力集中点，该应力集中部位超出钢材抗力限值，最大Mises应力工况3为338.64MPa，工况4为277.50MPa，然而超限应力辐射范围甚小。通过对该部位结构形态进行修圆处理，如图10所示，可以减小应力集中，仍以工况2为例，局部应力极值可降低9.89%。

支承环腹板Mises应力相对较小，最大Mises应力出现在工况2，数值为122.69MPa；支承环下垫板Mises应力较小，最大Mises应力也出现在工况2，数值为74.03MPa。

5 结论

通过对压力钢管支承环结构进行三维有限元计算分析，得出以下结论。

（1）压力钢管及支承环各部件Von Mises应力除管壁局部点及支承环底部加强板个别极值点超出抗力限值外，其余均满足承载能力极限状态设计要求，并有较大安全裕度。

（2）对典型支承环结构分析，钢管位移均在变形正常范围内，支承环可较有效的限制钢管径向扩张。对整个压力钢管而言，在有垂直水流向力的参与下侧向变位较大。

（3）对于压力钢管管壁，最大Mises应力均出现在距离支承环中心面±828mm，±118.3°部位，与《水电站压力钢管设计规范》（DL/T 5141—2001）附录A表A11所采用的弹性力学计算的最大应力点位置完全一致（该工程b₀/R≈0.04）。

（4）支承环底部加强板局部凸角部位应力较大，通过对该部位结构形态进行修圆处理后应力集中消减很快，建议该部位设计时作圆角处理，减小应力集中。

参考文献

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