貼邊岔管設計探究范文

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《西北水電雜志》2015年第二期

1.貼邊岔管結構分析計算方法

1.1圓環法圓環法也是中、小型貼邊岔管設計中一種應用較廣的方法，其計算簡圖如下圖所示。圓環法計算原則是把補強板當作一圓環加勁結構，豎向荷載pr為主管坡口處的不平衡力，橫向荷載則為主管管壁對補強板變形產生的約束力。在確定管壁破口處應力時，需要先明確管壁破口處最大彎矩和最大拉力。管壁破口處最大彎矩和最大應力可依據下列公式計算。用圓環法計算時，補強板尺寸采用經面積補償法計算后確定的補強板尺寸。即補強板寬為300mm，補強板厚與主管壁厚一致，均為26mm，補強板材質與主管同。經計算，補強后管壁破口處的最大應力為172.2MPa，小于鋼材極限抗力限值187.5MPa，說明初步擬定的補強板尺寸是比較合理的。

1.2人孔補強法為了便于對壓力鋼管進行檢修及維護，在較長的壓力鋼管上經常會留有進人孔。在進人孔頸管與主管銜接處，也會在主管破口處采用補強板進行補強。人孔補強法主要是參照鋼管進人孔設計方法，人孔補強法適用于下列條件的孔口。（1）鋼管內徑D1500mm，開孔允許的最大直徑d為：d1/2D；同時d不允許超過500mm。（2）鋼管內徑D>1500mm時，開孔允許的最大直徑d為：d1/3D；同時d不允許超過1000mm。本文所例水電站主管內徑D=6200mm，開孔處直徑d=400mm，d1/3D，進水管軸線與鋼管主管軸線垂直，也可用進人孔設計方法進行計算。補強板焊接在孔周管殼外緣，板面彎曲，曲率同鋼管外殼，內緣與頸管外壁焊接。當補強板采用厚度與管壁相同時補強板外徑2D由下式決定。其余符號意義同前式。取補強板壁厚和主管壁厚一致均為26mm，經計算，補強板外徑2D約為677mm，小于用面積補償法和圓環法計算確定的補強板外徑2D（1000mm）。所以，補強板尺寸最終同面積補償法和圓環法計算確定補強板尺寸。經計算，上面（9）式不等式左邊數值為16061，右邊數值為10608，左邊大于右邊，滿足不等式。可見補強板尺寸選取是合適的。

2.有限元計算

針對上述結構分析法確定的補強板厚度及寬度，用有限元進行復核驗算。計算模型長度為主管直徑的1.5倍（以岔管中心為起點向上游或者向下游計算），邊界條件采用全約束（即水平豎向位移和轉角），網格劃分采用四邊形結構化網格，為提高計算精度，在岔管補強處對網格進行了局部加密。計算模型網格劃分及應力云圖如圖3、圖4所示。從應力云圖知，岔管貼邊補強處最大主應力為169.1MPa，小于鋼材極限抗力限值187.5MPa，說明通過結構析方法所選取的補強板厚度和寬度是合適的。

3.結語

在我國已建水電站中，岔管使用貼邊岔管的水電站較多，但有關貼邊岔管設計計算方法的文章卻較少，尤其是不需要應用有限元法計算的有關中、小型貼邊岔管設計計算方法的文章更少。本文結合具體工程實例，針對中、小型貼邊岔管設計，采用多種結構分析方法進行對比計算，得出以下結論：（1）目前，針對中、小型工程，我國《水電站壓力鋼管設計規范》主要介紹了面積補償法和圓環法兩種貼邊岔管結構分析計算方法，本文參考壓力鋼管進人孔設計方法，介紹了人孔補強法計算方法。（2）本文所例工程貼邊岔主管直徑D=6.2m，取水管直徑d=0.4m，岔管處設計水頭為120m（含水擊壓力）。由于該取水管垂直于主管布置，分岔角為90°。主管、取水管管材及補強板板材均為Q345R鋼，主管管壁厚度t=26mm，支管管壁厚度2t=8mm。經計算，補強板厚度與主管管壁厚度相同，即tt1=26mm，補強板寬為300mm。（3）從以上幾種結構分析計算方法計算結果和有限元計算結果可以看出，在取上述補強板寬度和厚度的情況下，主管破口處應力、貼邊外緣最大主應力、主管膜應力、貼邊補強處最大主應力均接近但小于鋼材極限抗力值，說明通過結構分析法確定的補強板結構尺寸取值是比較合理的。（4）對中、小型工程，在設計貼邊岔管時，采用結構分析法確定補強板的厚度及寬度是可行的。

作者：吳均單位：新疆水利水電勘測設計研究院