貼邊岔管設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)分析計(jì)算方法

1.1圓環(huán)法圓環(huán)法也是中、小型貼邊岔管設(shè)計(jì)中一種應(yīng)用較廣的方法，其計(jì)算簡(jiǎn)圖如下圖所示。圓環(huán)法計(jì)算原則是把補(bǔ)強(qiáng)板當(dāng)作一圓環(huán)加勁結(jié)構(gòu)，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(duì)補(bǔ)強(qiáng)板變形產(chǎn)生的約束力。在確定管壁破口處應(yīng)力時(shí)，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(yīng)力可依據(jù)下列公式計(jì)算。用圓環(huán)法計(jì)算時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)板尺寸采用經(jīng)面積補(bǔ)償法計(jì)算后確定的補(bǔ)強(qiáng)板尺寸。即補(bǔ)強(qiáng)板寬為300mm，補(bǔ)強(qiáng)板厚與主管壁厚一致，均為26mm，補(bǔ)強(qiáng)板材質(zhì)與主管同。經(jīng)計(jì)算，補(bǔ)強(qiáng)后管壁破口處的最大應(yīng)力為172.2MPa，小于鋼材極限抗力限值187.5MPa，說明初步擬定的補(bǔ)強(qiáng)板尺寸是比較合理的。

1.2人孔補(bǔ)強(qiáng)法為了便于對(duì)壓力鋼管進(jìn)行檢修及維護(hù)，在較長(zhǎng)的壓力鋼管上經(jīng)常會(huì)留有進(jìn)人孔。在進(jìn)人孔頸管與主管銜接處，也會(huì)在主管破口處采用補(bǔ)強(qiáng)板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。人孔補(bǔ)強(qiáng)法主要是參照鋼管進(jìn)人孔設(shè)計(jì)方法，人孔補(bǔ)強(qiáng)法適用于下列條件的孔口。（1）鋼管內(nèi)徑D1500mm，開孔允許的最大直徑d為：d1/2D；同時(shí)d不允許超過500mm。（2）鋼管內(nèi)徑D>1500mm時(shí)，開孔允許的最大直徑d為：d1/3D；同時(shí)d不允許超過1000mm。本文所例水電站主管內(nèi)徑D=6200mm，開孔處直徑d=400mm，d1/3D，進(jìn)水管軸線與鋼管主管軸線垂直，也可用進(jìn)人孔設(shè)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算。補(bǔ)強(qiáng)板焊接在孔周管殼外緣，板面彎曲，曲率同鋼管外殼，內(nèi)緣與頸管外壁焊接。當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)板采用厚度與管壁相同時(shí)補(bǔ)強(qiáng)板外徑2D由下式?jīng)Q定。其余符號(hào)意義同前式。取補(bǔ)強(qiáng)板壁厚和主管壁厚一致均為26mm，經(jīng)計(jì)算，補(bǔ)強(qiáng)板外徑2D約為677mm，小于用面積補(bǔ)償法和圓環(huán)法計(jì)算確定的補(bǔ)強(qiáng)板外徑2D（1000mm）。所以，補(bǔ)強(qiáng)板尺寸最終同面積補(bǔ)償法和圓環(huán)法計(jì)算確定補(bǔ)強(qiáng)板尺寸。經(jīng)計(jì)算，上面（9）式不等式左邊數(shù)值為16061，右邊數(shù)值為10608，左邊大于右邊，滿足不等式?？梢娧a(bǔ)強(qiáng)板尺寸選取是合適的。

2.有限元計(jì)算

針對(duì)上述結(jié)構(gòu)分析法確定的補(bǔ)強(qiáng)板厚度及寬度，用有限元進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算。計(jì)算模型長(zhǎng)度為主管直徑的1.5倍（以岔管中心為起點(diǎn)向上游或者向下游計(jì)算），邊界條件采用全約束（即水平豎向位移和轉(zhuǎn)角），網(wǎng)格劃分采用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，為提高計(jì)算精度，在岔管補(bǔ)強(qiáng)處對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密。計(jì)算模型網(wǎng)格劃分及應(yīng)力云圖如圖3、圖4所示。從應(yīng)力云圖知，岔管貼邊補(bǔ)強(qiáng)處最大主應(yīng)力為169.1MPa，小于鋼材極限抗力限值187.5MPa，說明通過結(jié)構(gòu)析方法所選取的補(bǔ)強(qiáng)板厚度和寬度是合適的。

3.結(jié)語

在我國(guó)已建水電站中，岔管使用貼邊岔管的水電站較多，但有關(guān)貼邊岔管設(shè)計(jì)計(jì)算方法的文章卻較少，尤其是不需要應(yīng)用有限元法計(jì)算的有關(guān)中、小型貼邊岔管設(shè)計(jì)計(jì)算方法的文章更少。本文結(jié)合具體工程實(shí)例，針對(duì)中、小型貼邊岔管設(shè)計(jì)，采用多種結(jié)構(gòu)分析方法進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，得出以下結(jié)論：（1）目前，針對(duì)中、小型工程，我國(guó)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》主要介紹了面積補(bǔ)償法和圓環(huán)法兩種貼邊岔管結(jié)構(gòu)分析計(jì)算方法，本文參考?jí)毫︿摴苓M(jìn)人孔設(shè)計(jì)方法，介紹了人孔補(bǔ)強(qiáng)法計(jì)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(shè)計(jì)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(bǔ)強(qiáng)板板材均為Q345R鋼，主管管壁厚度t=26mm，支管管壁厚度2t=8mm。經(jīng)計(jì)算，補(bǔ)強(qiáng)板厚度與主管管壁厚度相同，即tt1=26mm，補(bǔ)強(qiáng)板寬為300mm。（3）從以上幾種結(jié)構(gòu)分析計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果可以看出，在取上述補(bǔ)強(qiáng)板寬度和厚度的情況下，主管破口處應(yīng)力、貼邊外緣最大主應(yīng)力、主管膜應(yīng)力、貼邊補(bǔ)強(qiáng)處最大主應(yīng)力均接近但小于鋼材極限抗力值，說明通過結(jié)構(gòu)分析法確定的補(bǔ)強(qiáng)板結(jié)構(gòu)尺寸取值是比較合理的。（4）對(duì)中、小型工程，在設(shè)計(jì)貼邊岔管時(shí)，采用結(jié)構(gòu)分析法確定補(bǔ)強(qiáng)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(cè)設(shè)計(jì)研究院