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1、电站整体示意图,第三章 压力管道总论及明钢管,3.1 压力管道的功用和类型3.2 压力管道的供水方式与水力计算3.3 钢管的材料、容许应力和管身构造3.4 明钢管线路选择和布置3.5 镇墩结构分析3.6 明钢管闸门、阀门和附件3.7 明钢管的管身应力分析及结构设计3.8 明钢管的抗外压失稳计算,3.1 压力管道的功用和类型,水轮机,水库,引水管道末端的前池,调压室,有压状态,全部或大部分水头,压力管道的概念,对坝式电站，压力管道的起点一般是水库进水口；对无压引水式的电站，压力管道的起点一般是压力前池；对有压引水式电站，压力管道的起点一般是从调压室开始。,坝式水电站,无压引水式水电站,压力管道,
2、压力管道,有压引水式水电站,调压室,坡度陡 承受电站的最大水头，且承受水锤产生的动水压力比较大。靠近厂房，因此它必须是安全可靠的，万一出现事故，将直接危及厂房安全。基于以上特点，压力管道的经济性和安全性在水电站设计过程中受到特别重视。,压力管道的特点,压力管道的基本参数,压力管道的主要荷载是内水压力，在工程上，管道内径 D(m)和水头 H(m)及其乘积 HD(m2)值是标志压力管道规模及其技术难度的最重要特征值。随着国内外越来越多的大型常规电站和抽水蓄能电站的兴建，管道的HD值急剧增长，压力管道日益向着巨型化和超巨型化发展。,三峡工程，坝式电站，D12.4m，H140m，HD1730m2；山西
3、西龙池抽水蓄能电站D3.5m，H1015m，HD3552m2；国外HD值最高的出现在抽水蓄能电站，已超过5000m2）,按材料分,按布置方式分,压力管道的类型,露天式（明钢管）,地下式（地下埋管）,混凝土坝身管,钢管,钢筋混凝土管,钢衬钢筋混凝土管,压力管道,中高水头电站,中小型电站,HD值较大电站,木管,应用较少,木管,钢筋混凝土管,钢管管节,明管(exposed penstock)：暴露在空气中，一般在引水式地面厂房电站中采用。按照材料的不同，明管可分为：a钢管,白山二期电站的压力管道 b钢筋混凝土管：普通钢筋混凝土管因易于开裂，在工程中应用很少，一般只用在HD值50m2的电站。c钢衬钢筋
4、混凝土管：钢衬与外包钢筋混凝土联合承载，可减小钢衬厚度；按限裂设计，充分发挥钢筋作用，适用于HD值较大的电站。云南的依萨河电站是我国第一个采用地面式钢衬钢筋混凝土管的电站。,明管示意图,为了使管壁受力均匀，支座处管壁加支承环；为保持钢管抗外压稳定，有时在支承环间加设加劲环。,地下埋管(underground penstock)：埋藏于地下岩层中的钢管，它可以是斜的，垂直的，因此也被称为斜井，竖井。地下埋管是大中型水电站中应用最多的一种压力管道。目前，国内外装机容量为100万kW以上的常规水电站和抽水蓄能电站中，大部分采用了地下埋管。特点：这种管道布置灵活，能和围岩共同承担水压力，并且运行不受干
5、扰，维护简单。但是在地下水压较大的地方，管道受外压失稳的威胁比较大，因此对地下埋管一般需要进行衬砌。,地下埋管示意图,按照衬砌形式的不同，将地下埋管分为以下四类：,混凝土坝身管：这种管道形式一般依附于坝身，并且在混凝土坝后式水电站中应用非常广泛。特点：它由于进水口设于坝体，结构紧凑简单，因此引水长度最短，水头损失小，机组调节保证条件好。但是管道的安装会干扰坝体施工，同时，坝内埋管空腔会削弱坝体，使坝体应力恶化。,混凝土坝身管按照管道在坝身上的不同位置，可以分为以下三类：,a坝内埋管(penstock embedded in dam),b坝上游面管(penstock laid on upstre
6、am surface of dam),c坝下游面管(penstock laid on downstream surface of dam),布置在坝体内部,多为坝后式或坝内式厂房采用。布置型式有竖井式和斜井式。工程实例：直径最大的是广西红水河岩滩电站钢管，d=10.8m。,坝内埋管,坝后式厂房,坝内式厂房,管道大部分位于水库内，检修维护很困难，在国内工程中很少使用，比较典型的是伊朗的卡比尔水电站。,坝上游面管,由于进水口较高，减少了对坝体的削弱，同时有利于保持大坝的整体性，因此在工程中应用很广泛。在我国东江和紧水滩水电站都采用了这种型式。,坝下游面管,压力管道类型小节,管道与厂房的相对位置主要
7、取决于整个厂区枢纽布置中各建筑物的布置情况，另外水电站机组往往不止一台，压力管道可能有一根或数根，压力管道向机组的供水常有这样三种类型：,3.压力管道的供水方式与水力计算,压力管道的供水方式,压力管道的供水方式,单元供水 联合供水 分组供水,1单元供水：一管一机。机组前不设快速阀门。优点：结构简单(无岔管)、工作可靠、灵活性好，易于制作缺点：相同水头损失下，造价较高布置：平面尺寸大，与前室、调压室连接困难适用：(1)单机流量大、长度短的地下埋管或明管；(2)混凝土坝内管道,压力管道的供水方式,2联合供水：一根主管，向多台机组供水。单机规模大，多分岔管。机组前设快速阀门。优点：相同水头损失下，造
8、价较低缺点：结构复杂（岔管）、灵活性差布置：较容易适用：广泛应用于地下埋管和明管，机组数较少、单机流量较小、引水道较长。,压力管道的供水方式,压力管道的供水方式,2分组供水：设多根主管，每根主管向数台机组供水。单管规模适中，少分岔管。设快速阀门。造价：介于前两种之间布置：介于前两种之间适用：广泛应用于地下埋管和明管。压力水管较长，机组台数多，单机流量不大的情况。,供水方式选定以后，每条管道通过的流量也随之确定，接着应对管道直径进行选择。由于管道费用较高，直径越小，管道用材及造价越低，但管中流速越大，水头损失与发电损失也越大。因此管道直径应进行经济比较选定。,压力管道直径的选择,压力管道的直径通
9、过动能经济计算确定。一般做法是：初拟几个直径，进行动能经济比较，选定最优直径。初设时可用下列经验公式初定管道直径。,Qmax钢管的最大设计流量，单位：m3/sHp设计水头，m。,压力管道直径的选择,K为系数，它与摩阻、材料价格、折旧费、维修费、电价、管道年运行小时等因素有关。,1、恒定流计算：主要是为了确定管道的水头损失，它包括摩阻损失和局部损失。（1）摩阻损失：（曼宁公式）；每米管长内摩阻损失。,（2）局部损失（包括进口、拦污栅、门槽、渐变段、弯段、分岔管等处局部损失）：,压力管道水力计算,：局部损失系数；,2、非恒定流计算：即水锤计算（七、八、九章）（）确定最高压力线及其分布：正常工况（上
10、游正常高水位，机组丢弃全负荷）特殊工况（上游最高发电水位，机组丢弃全负荷）（）确定最低压力线及其分布：,最低压力线上游最低发电水位，即死水位时，电站最后一台机组投入运行，或是机组丢弃负荷由正水锤反射而成的负水锤。校核管线布置时要求管顶至少应在最低压力线以下2m。,压力钢管长期承受高的内水压及力以及水锤冲击等动力作用，属于压力容器类结构，对材料要求严格，早期压力钢管事故多为选材不当所致。,3.3 钢管的材料、容许应力和管身构造,钢管的受力,管道的受力构件有管壁、加劲环、支承环、支座滚轮、支承板等。,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(水温在4左右)对钢材的工作条件不利
11、。制作过程：板裁：冷卷、辊压成形；现场焊接(焊前对钢材和焊接材料进行材质检验、可焊性试验，保证材料质量)；检查焊缝(射线、超声波),压力管道的工作特点和制作程序,钢材的屈服强度抗拉强度（屈强比/）断裂时的延伸率冲击韧性（反映材料抵抗冲击能力）塑性指标（伸长率和断面收缩率）,机械性能,辊轧冷弯（塑性变形、冷作强化、冷脆）焊接（工艺简单，无裂纹和残余应力）,加工性能,化学成分：主要是钢材的化学和合金的含量方面的要求。它们影响钢材的强度、焊接性能。例如含碳不要过高(脆)，硫、磷等有害元素需严格控制。,钢材的基本性能,机械性能：一般来说，强度越高，塑韧性越差。对于压力钢管这样的容器，良好的塑韧性十分重
12、要，它能使结构应力趋于均匀，减少应力集中，提高承载力，防止脆断，增加安全性，有利于冷加工成型和焊接。宁可强度低而保证塑韧性高。举例来说：A3 钢塑韧性好，但容许应力（240）低；16Mn钢强度较高（330），但塑韧性差。当HD值不够大时，选择 A3钢；只有当 HD600m2，=32mm40mm，A3 钢不易加工时采用16Mn。,常用钢材,高强钢,钢管一般采用镇静溶炼的热轧平炉低碳钢或低合金钢。,常用钢材,我国：,日本：,美国：,原苏联：,高强钢 A517,1、优点：工艺简单，价格不贵。加工和焊接性能良好。就是钢材屈服强度不高。一般 A3、16Mn不需论证，可直接采用。2、缺点：随着水电站钢管参
13、数的提高，常用钢材已不能满足要求，如继续采取强度等级低的钢材，钢板厚度必然增加。当厚度增加到一定程度时，加工焊接和运输都会出现困难，造价也将增加。要改善这一状况，必须采用强度等级高的钢材。,常用的钢材优缺点,高强钢优缺点,1、优点：经济上有利。钢管厚度可以减薄，用材量少，运输、加工、焊接、安装等费用可降低，总成本相对较低。另外，由于重量轻，有利于将管节焊成较长管段进行安装，可缩短工期。2、缺点：含有镍、铝等合金元素，价格高，焊接较困难。注：若采用高强钢，要有充分的论证。,钢材的容许应力,水电站钢管多按允许应力设计，允许应力常以钢材屈服强度百分比表示。，安全系数 K可参考有关规范。,对基本荷载组
14、合，对明管和钢管膜应力区，K取大值，即取小值；对特殊荷载组合，对埋藏式钢管和钢管的局部应力区，K取小值，即取大值；对于屈强比大的钢材，试用新钢材和弯管、岔管或特别重要的部位，需适当降低；另外，焊缝强度的折减系数，应根据焊缝类别和探伤要求，取为0.900.95。,第四强度理论:,其中：焊缝系数一般可取0.9-0.95,与焊缝方法、探伤标准、建筑物等级有关。,可忽略时，强度校核可近似表示作：,钢材的强度校核,钢管环向，径向和轴向应力;,钢管各方面剪应力;,压力钢管按其构造又分为无缝钢管、焊接管和箍管，其中焊接管应用最普遍。1、无缝钢管 无纵缝，横缝用焊接、法兰连接成整体，强度高，造价高，施工困难。
15、国内：D60cm；国外：D120cm。适用高水头小流量电站。,管身构造,钢管管节,2、焊接管：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，造价低。(1)纵缝：焊缝交错排列，避开两个中心轴。(2)相邻管壁厚度差2mm，内部光滑，外部成台阶状。,焊接管,3、箍管：钢管外加钢箍。应用少。直径一般不大于3.0m。当HD1000m2时，钢板厚度一般会超过40mm，对如此厚的钢板进行焊接和压卷很困难，常采用箍管，由管壁与管箍共同承担内水压强。在光滑的无缝钢管或焊接管上套管箍，可减小壁厚。钢管最小厚度：min(D/800+4)mm，或6mm防腐、防锈措施：涂料、喷镀、化学保护。加防锈厚度2m
16、m。,箍管,教材中对焊接管一些最主要的构造要求作了说明，如（最小壁厚、管径变化、焊缝要求、椭圆度、管壁防锈厚度等），进行具体设计时需查阅有关规范。,比如：对于明钢管，1.纵缝不应布置在横断面的水平轴线和垂直轴线上，与轴线的夹角应大于10o。2.管壁最小结构厚度为：,也不宜小于6mm。并且要考虑 2mm 锈蚀厚度。3.钢管安装完毕后，其椭圆度（即相互垂直的两管径的最大差值与标准管径之比）不得超过0.5%等。,主要的构造要求,3.4 明钢管线路选择和布置,明管线路选择,(1)管道线路应尽可能短而直，以降低造价，减少水头损失，降低水锤压力和改善机组运行条件。(2)选择良好的地质条件，使钢管支承在坚固
17、的地基上。避开可能滑坡和崩塌的地段，以及对个别地段采取切实可靠的防护措施。(3)尽量减少管道线路的起伏波折。管线应避免与交通线路或其他管道交叉，不可避免时设专门桥涵互相隔离并采取其他安全措施。,明管的线路选择应与水电站引水系统中其他建筑物,特别是前池或调压室还有和水电站厂房的布置统一考虑.,正向引进：钢管轴线与厂房纵轴线垂直。优点：水流平顺，水头损失小。缺点：管道破裂，高压水流对厂房和人员的威胁大。适用：中低水头电站；高水头增加防护措施,斜向引进：介于正向引进和纵向引进之间。当地形、地质、引水系统及厂房布置要求适宜时采用这种布置方式。适用：分组供水和联合供水的水电站,纵向引进：钢管轴线与厂房纵
18、轴线平行。优点：减轻了对厂房人员威胁。缺点：水头损失增加，开挖量增加适用：高中水头电站,明管布置,一、明钢管敷设方式明钢管一般敷设在一系列支墩上，离地面不小于60cm，支墩仅起支承管身的作用，管身可在支墩的支座上移动；转弯处设镇墩，将水管完全固定，相当于梁的固定端。按两镇墩间是否设伸缩节，明钢管敷设方式可划分为：,明钢管敷设和支承方式,连续式,分段式,明钢管敷设方式示意图,连续式:两个镇墩之间的管段是连续的即不设伸缩节。由于水管两端受镇墩的约束，所以当温度变化时，管壁中会产生很大的温度力，对镇墩的稳定不利。除了在特殊部位，一般很少采用这种方式。,分段式:在两个镇墩之间的钢管上设置一个伸缩节。为
19、减少伸缩节内内水压力和便于安装钢管，伸缩节宜设在靠近镇墩的下游侧。当温度变化时，水管可以沿轴线方向自由伸缩，从而消除了管壁内的大部分温度应力，也减小了作用在镇墩上的作用力，同时还能适应少量的不均匀沉陷和变形。,（一）支墩1、作用：支承钢管，承受管重和水重的法向分力，相当于梁的滚动支承。温度变化时允许水管在轴向自由移动。2、类型：支墩按其支座与管身相对位移的特征分：滑动式支座（鞍式、支承环式）；滚动式支座；摇摆式支座。,明钢管的支墩和镇墩,支墩,鞍形滑动式支座：将管道直接支承在一个鞍形的混凝土支座上，包角为90o-120o。其结构简单，但管身受力不均匀，摩擦力大（支座上铺钢板，同时接触面加润滑剂
20、），适用于直径小于1m的钢管。,支承环式滑动支墩：钢管通过支承环放置在鞍形支墩上，改善了支承部分管壁的受力不均匀现象，适用于直径小于2m的钢管。,滚动式支座特点是在支承环与支承面之间设置圆柱形辊轴，摩擦系数小，常用于垂直荷载较小而管径大于米的钢管。,摆动式支座在支承环和支承面之间设一个可以摆动的短柱，其下端与支承板铰接，上端以圆弧面与支承环的上托板接触，钢管变形时，短柱前后摆动，摩擦力很小，用于管径大于米的钢管。,（二）镇墩 1、作用：将钢管固定在山坡上，主要承受因管道转弯而产生的轴向不平衡力，不允许管道在镇墩处发生任何位移。镇墩是依靠自重来维持稳定。2、布置：在水管转弯处，直线段不超过150
21、m。若超过可在其间加设镇墩；若管道纵坡较缓，也可不加镇墩，而将伸缩节置于该管道中部，以减少管身与支墩间摩擦力引起的钢管轴力。,支承环,镇墩,支墩,伸缩节,加劲环,3、类型：镇墩依靠本身重量固定钢管，一般用混凝土浇制，按钢管在镇墩上的固定方式，分为封闭式和开敞式两种形式。,将弯管段用锚拴锚在管道下部的混凝土墩上，镇墩处管道受力不均匀，但易于管道检修。应用较少。,将弯管段整个埋在混凝土中，在镇墩表面布置温度筋，钢管周围设环向钢筋和一定数量的锚筋。固定管道效果较好，结构简单，镇墩处管道受力均匀。应用广泛。,封闭式,开敞式,环向钢筋和锚筋,锚拴,3.5 镇墩结构分析,内水压力正常蓄水位的静水压力；正常
22、工作情况最高水位（正常蓄水位、丢弃全负荷）特殊工作情况最高水位（最高发电水位、丢弃全负荷）水压试验内水压力(2)钢管结构自重。(3)钢管内满水位。(4)钢管充水、放水过程中，管内部分水重。(5)温度变化引起的力，即伸缩节和支墩的摩擦力。,作用在钢管及墩座上的力和荷载的种类,(6)管道直径变化处、转弯处及作用在闷头、闸阀、伸缩节上的水压力。(7)镇墩、支墩不均匀沉陷引起的力。(8)风荷载。(9)雪荷载。(10)施工荷载。(11)地震荷载。(12)管道放空时通气设备造成的气压差。,计算工况与荷载组合,荷载组合包括基本荷载组合和特殊荷载组合。1、基本荷载组合 正常运行情况一：+（2）+（3）+（5）
23、+（6）+（7）(2)正常运行情况二：+（2）+（3）+（5）+（6）+（7）+（8）或（9）(3)放空工况：（12）,2、特殊荷载组合(1)特殊运行情况：+（2）+（3）+（5）+（6）+（7）(2)水压试验情况：+（2）+（3）+（5）(3)施工情况：（2）+（5）+（8）或（9）+（10）(4)充水情况：（2）+（4）(5)地震情况：+（2）+（3）+（5）+（6）+（7）+（11）,在进行钢管应力分析时，由于实际情况很复杂，可能有不同情况出现，各作用力并不是在任何情况下同时出现。应根据管道的满水、放空、温升、温降等情况，找出最不利的荷载组合，进行设计。,作用在钢管及墩座上力和荷载,管轴
24、线方向上的力,垂直于管轴线方向上的力,径向水压力,水管自重的轴向分力,作用在阀门上的内水压力,水管转弯处的内水压力,水管直径变化处的内水压力,伸缩节端部的水压力,温度变化时伸缩节填料的摩擦力,温度变化时水管与支墩的摩擦力,水在水管转弯处的离心力,管轴线方向上的力,每米长水管重量；管段计算长度；管轴线与水平线之间的夹角；,（一）水管自重的轴向分力,（二）作用在阀门上的内水压力,P：内水压强；阀门全开时，该力不存在,（三）弯管处的内水压力,（四）水管直径变化处的内水压力,D01，D02：渐缩管最大和最小内径。,（五）伸缩节端部的内水压力,D1，D2：套筒式伸缩节内套管外径和内径。,1：伸缩节止水填
25、料与钢管的摩擦系数；,b：填料沿管轴线长度。,注意：温升温降作用力方向不一样。,（六）温度变化时伸缩节填料的摩擦力,q：每米管长管与水重。,f:管壁与支座的摩擦系数。,注意：温升温降作用力方向不一样。,（七）温度变化时支座对钢管的摩擦力,：管中平均流速；R：离心力;A8:离心力在管轴线方向的分力。,（八）水在水管转弯处的离心力,将作用在明管及镇墩墩座上管轴线方向的力全部画在镇墩轴线处。然后根据大小和方向进行求和。求出：,管轴向作用力符号：+：钢管下行方向；：钢管上行方向。,钢管自重分力,钢管内水重分力,每米管长管内水重,每米管长钢管自重,垂直于管轴线方向上的力,径向水压力,H：水头，算到计算截
26、面管道中心。,前面介绍了作用于管身、镇墩、支墩上的作用力及其计算公式。风荷载、雪荷载、地震荷载及土压力等并未列出，可参照有关规范。这里不作介绍。,3.6 镇墩和支墩结构设计,根据管道的满水、放空、温升、温降等情况，找出最不利的荷载组合，进行设计。镇墩的设计包括：1、抗滑稳定计算；2、地基应力校核；支墩的结构设计内容与镇墩分析相似。,设计内容,一、作用力分析：镇墩承受明管传递来的轴向力、剪力、弯矩等荷载，其中轴向力 为主要外荷载。镇墩必须以其自重来平衡外荷载，以满足抗滑动和抗倾覆稳定和地基承载能力的要求。,镇墩结构分析,将前面求出的轴向力总和沿 x 轴和 y 轴方向进行投影，求出。,设 x 轴水
27、平顺水方向为正，y轴垂直向下为正，水管轴线交点为坐标原点。,二、拟定镇墩尺寸，求重力及中心位置1、镇墩尺寸要求：镇墩尺寸要求将钢管的拐弯段完全包住。为使钢管受力均匀，而镇墩上游面垂直管轴，管道的外包混凝土厚度不宜小于管径的0.40.8倍。为维护、检修方便，管道底距地面不宜小于0.6m。在地基上的镇墩底面常做成水平。,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下1m，对岩基不少于0.5m。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。按以上六点要求拟定镇墩尺寸，求出镇墩的重心位置以及重量G。,三、求合力R以及偏心距利用图解法或数解法求 G 和 的合力作用点位置
28、及偏心距e。如下图所示。,合力R及其作用点示意图,：抗滑稳定安全系数；：镇墩与地基间摩擦系数；：抗滑稳定安全系数允许值。规定值见课本表3-5或下表。,抗滑稳定计算公式：,四、镇墩抗滑稳定计算,抗滑稳定安全系数,根据偏心受压公式，进行地基应力校核。,为地基允许承载能力。,要求镇墩底部均为压应力,并要求镇墩底部避免出现拉应力。,五、镇墩地基应力校核,支墩结构分析,支墩承受管重和管内水重的法向分力、钢管与支座之间的摩擦力。支墩结构分析原则、内容与镇墩相似，主要如下：一、作用力分析二、求出作用力在水平方向和垂直方向的分力三、抗滑、抗倾覆稳定及地基承载力校核,一、作用力分析,作用在支墩上的力，如图有：1
29、、作用于支墩上的钢管自重分力及水重分力：2、钢管与支墩间的摩擦力A73、支墩自重,支墩受力示意图,二、求出作用力在水平方向和垂直方向的分力,以支墩顶面中点为坐标原点，取水平轴 x 顺水流为正，竖轴 y 向下为正，求出各力叠加后的水平分力和竖直分力如下：,三、抗滑、抗倾覆稳定及地基承载力校核,1、抗滑稳定计算：,：允许抗滑稳定系数。,2、抗倾覆稳定,抗倾覆力矩总和；,倾覆力矩总和。,允许抗倾覆稳定系数；设计工况取值1.5，校核工况取值1.2。,计算时根据对稳定最不利的情况用A7的正号或负号,3.7 明钢管闸门、阀门和附件,1、闸门及阀门压力管道进口设快速闸门(事故门)(在前池、调压室、水库等位置
30、)。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(事故阀门)，其型式有蝴蝶阀、球阀。,闸门和阀门,闸门,蝴蝶阀,球阀,(1)蝴蝶阀(Butterfly Valve)优点：启闭力小，操作方便迅速，体积小,重量轻，造价低。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。动水中关闭，在静水中开启。,蝴蝶阀关,蝴蝶阀开,(2)球阀：球形外壳+可旋转的圆筒形阀体+附件。优点：开启状态时没有水头损失，止水严密，能承受高压。缺点：结构复杂，尺寸和重量大，造价高。适用：高水头电站。,球阀,球阀关,球阀开,附件包括伸缩节、通气阀和排水管、进人孔等。,明钢管附件,伸缩节：是在两段钢
31、管间设置的柔性联结结构，其允许钢管在一定范围内自由伸缩、相对错动和转动，从而减小了钢管的轴向应力、剪应力和弯曲应力，使钢管的受力状态得以改善。通过设置伸缩节，钢管可轴向伸缩，消除大部分温度应力，且可适应少量不均匀沉陷。常在上镇墩的下游侧。,伸缩节的型式较多，常见的几种见下图。,(a)单向滑动套筒式伸缩节,(b)双向滑动套筒式伸缩节,只能有轴向位移。结构简单，制造、安装、运行及检修均较方便。,结构较复杂，可以有轴向位移，也可以有稍微的径向位移。适用于地质条件差的情况或者有径向位移的伸缩沉降缝处的钢管部位。,止水均靠止水填料,(c)波纹管伸缩节,波纹管伸缩节是完全封闭式的伸缩节，由一个或几个波纹管
32、及结构件组成，用来吸收由于热胀冷缩、基础沉陷、振动等原因引起的管道相对变位。它不存在常规套筒式伸缩节的止水材料，因此不会漏水，也无需在运行期间更换止水材料。这是波纹管式伸缩节优于传统的套筒式伸缩节最显著的优势。,3、通气阀 作用：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。位置：阀门之后 4、进人孔作用：检修钢管、修理和涂装；位置：镇墩上游侧；尺寸：直径大于45cm圆孔或45cm50cm椭圆孔。间距：不大于200m设一个。,5、旁通阀及排水设备旁通阀：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。排水管：在检修水管时用于排出管中的积水和泥沙。位置：设
33、置在钢管的最低处。,(1)内水压力(包括静水压力、动水压力、水重等)。(2)钢管自重。(3)温度变化引起的力。(4)镇墩和支墩不均匀沉陷引起的力。(5)风荷载和雪荷载。(6)施工荷载。(7)地震荷载。(8)管道放空时通气设备造成的气压。,3.7 明钢管的管身应力分析及结构设计,荷载及组合,荷载组合,每种荷载都有其不同的作用分载系数。风荷载、雪荷载、地震荷载等需查阅水工建筑物荷载设计规范。钢管结构设计应根据承载能力极限状态的要求，对不同设计状况下可能同时出现的作用，进行相应的作用效应组合，对明钢管要求的组合见规范。,结构设计状况：持久状况、短暂状况、偶然状况。三种设计状况均应进行承载能力极限状态
34、设计。持久状况还应进行正常使用极限状态设计，短暂状况可根据需要进行正常使用极限状态设计。承载能力极限状态：指钢管结构或构件，或达到最大承载能力、或丧失弹性稳定、或出现不适合于继续承载的变形。正常使用极限状态：钢管结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。,结构设计状态,按照设计规范要求，明钢管要求进行承载能力极限状态验算，其内容包括：主要结构构件的承载能力计算，管壁和加劲环的抗外压稳定计算。如有必要应进行镇墩和支墩抗倾、抗滑及抗浮验算；如有抗震要求，还应进行抗震承载能力计算。,承载能力极限状态验算内容,在进行管道结构计算时，要注意以下几个问题：坐标系如何选取？每一管段有哪些几个控制断面？
35、各控制断面应力计算点（顶、底、侧、内点、外点），应力的方向？,管身应力分析和结构设计,管壁厚度估算,选取坐标系,选取计算断面,计算管身应力,校核钢管强度,分析步骤,锅炉公式,柱坐标系,第四强度理论,分析步骤,1、管壁厚度估算,0.75：因未考虑其他荷载，降低 0.25；按上式估算厚度需另加2mm防锈厚度，且需满足：,为允许应力；焊缝系数，考虑焊缝强度降低。,可由应力求壁厚：,根据力的平衡：,(锅炉公式),明管要求：,最小厚度：,选取柱坐标x、r、（轴向、径向、环向）,2、坐标系选取,按荷载的作用方向可以将其分为轴向力、径向力和环向力。,3、计算断面的选取,压力钢管象一个多跨连续梁一样，其弯矩图
36、、剪力图如图所示。,计算断面：1、跨中断面1-1，2、支承环旁管壁膜应力区边缘，断面2-2；3、加劲环及其旁管壁，断面3-3。4、支承环及其旁管壁，断面4-4。,跨中断面11:,支承环附近，但又不受支承环影响的 2-2 断面：,只有弯距作用，且弯距最大,无局部应力受力最简单；,弯距和剪力共同作用，均按最大值计算，无局部应力受力比较简单；,4、断面受力情况,加劲环及其旁管壁断面33：,支承环及其旁管壁断面44：,由于加劲环的约束，存在局部应力；,应力最复杂，存在弯距和剪力(支承反力)的作用，还有局部应力和附加应力。,5、管身应力计算：跨中断面 1-1,内水压力产生的环向正应力,水重和管重的法向分
37、力产生的轴向正应力,轴向力产生的轴向正应力,内水压力产生的径向正应力,1、内水压力产生的环向正应力 设压力水管中心处的水头为H，而水管轴线与水平面的夹角为，则在管壁中任意一点(该点半径与管顶半径的夹角为)的水头为,压力管道水压力分布及管壁微圆弧的受力平衡图,推导出管壁中的切向拉力T 和切向应力,P内水压强；管轴线倾角；计算厚度；H计算水头；环向任意点与管顶半径的夹角,2轴向应力=水重和管重法向力引起的轴向应力+轴向作用力引起的轴向应力,法向力引起的弯矩和剪力,将钢管视为一根连续的空心梁，支承在镇墩和一系列的支墩上。下端的镇墩作为固定端，上端伸缩节处作为自由端，法向力相当于均布荷载作用在连续梁上
38、，如上图所示。跨中管壁的方向各点应力为：,(1)水重和管重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；W连续梁(空心圆环)的断面模数，,(2)轴向力引起的轴向应力,在轴向力的合力A作用下，管壁中产生的轴向应力为，管壁的断面积为F，则,A上图中作用在钢管上所有的轴向力总和；F横断面面积。,3径向应力 在水管内表面承受内水压力，作用于径向的应力 等于该处的内水压强。即：管壁内表面:，“-”表示压应力。管壁外表面：,这个力较小，一般计算中可以忽略。另外，由于跨中1-1断面无剪力，所以 x=0。,支承环附近 2-2 断面,内水压力产生的环向正应力,水重和管重的法向分力产生的
39、轴向正应力,轴向力产生的轴向正应力,内水压力产生的径向正应力,水重和管重的法向分力产生的剪应力,2-2 断面虽然靠近支承环，但在支承环的影响范围之外，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断面相等。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V。根据材料力学，在垂直于管道轴线的横断面上剪应力的计算公式为,V管重和水重的法向分力作用下连续梁的剪力；SR计算点以上管壁环形截面积对重心轴的静矩，b受剪截面宽度，；J截面惯性矩，。当=0(管道顶部)和=180(管道底部)时，=0；当=90(管道侧面中点)时，达到最大值，,2-2 断面受力示意图
40、,加劲环 3-3 断面,内水压力产生的环向正应力,水重和管重的法向分力产生的轴向正应力,轴向力产生的轴向正应力,内水压力产生的径向正应力,水重和管重的法向分力产生的剪应力,局部剪力产生的环向正应力,局部弯矩产生的轴向正应力,局部剪力产生的剪应力,中面,内外缘,加劲环断面3-3：加劲环处的管壁由于加劲环的约束，在内水压力及环重作用下径向变形受限，发生局部弯曲，因此 3-3 断面与 2-2 断面相比，增加了局部弯曲应力，环向应力也因支承环的影响而改变。加劲环在管壁中引起的局部弯曲应力随离开加劲环的距离而很快衰减，影响范围长度为：,对于影响范围以外的管壁，不受加劲环的影响，也就不存在局部应力，我们称
41、之为膜应力区；对于影响范围以内的管壁我们称之为局部应力区。,水重和管重的法向分力产生的轴向正应力,轴向力产生的轴向正应力,局部弯矩产生的轴向正应力,1）轴向正应力有：,前面已说明，下面需求。,在内水压力作用下，管壁和加劲环均向外变形，由上图可见：,（几何方程）,（虎克定律）,求解，需先求出加劲环处的局部弯矩和局部剪力。,（虎克定律）,加劲环处在 M 和 V 共同作用下，只产生径向位移，不产生角位移，则需满足下列条件：,处在 M 和 V共同作用下，该处管壁径向缩小为：,联立求解，即可解出。,其中：,上述共有5个方程，有5个未知数即,加劲环有效截面积，包括管壁等效冀缘。,由此可得：,=0.3，则：
42、,对加劲环，其静截面除承受径向的均匀内水压力Pa外，还承受外侧径向剪力2V。总的切向拉应力为：,2）环向正应力：,3）剪应力,剪力V在加劲环旁管壁内产生剪应力，作用方向指向管中心：,在管壁中面,在管壁内外缘,因为其值较小，且管壁综合应力的控制点在管壁内外缘，故 可忽略不计。,4）剪应力,由管重和水重在管壁中引起的剪应力：,断面3-3的轴向应力，和剪应力 的计算均与2-2断面相同。,支承环与加劲环从形式上看都是一个焊套在管壁外缘的钢环，因此相对于 3-3 断面，断面 4-4 的支承环由于承担管重和水重法向力Q 而在支墩处引起的支承反力 R，从而在支承环内产生了附加应力。随着支承形式和结构的不同，
43、应力状态也不相同。支承环的支承方式 分为侧支承和下支承两种形式。,支承环 4-4 断面,下图中点划线为支承环有效截面重心轴，它与圆心距离为半径R，支承反力为。当采用侧支承时，设支承反力离支承环重心轴距离为b。根据分析，在设计时取 b=0.04R，可使环上最大正弯矩与最大负弯矩接近相等，则钢材性能得到最充分的发挥。对下支承取=3090o。,1 支承环支承方式,支承环支承方式,2 支承环所承受的荷载(1)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为，因此沿管壁圆周单位长度上作用在支承环上的剪力为(2)支墩两侧的反力0.5Q，钢管一般都是倾斜布置，支承反力为；(3)支承
44、环自重，但相对较小，可以不计。,3支承环内力计算支承环的内力计算常采用结构力学中的弹性中心方法进行。因为钢管断面是一个对称圆环，是一个三次超静定结构，可用弹性中心法计算支承环上各点的内力。要进行支承环截面的内力计算，实际上是要计算一个封闭圆环各断面上的弯矩MR、剪力TR和轴力NR。,支承环计算简图,侧支承,下支承,图中弯矩画在受拉一边，正的MR表示支承环外侧受拉，正的NR表示拉力，正的TR方向如。,b=0.04R时支承环内力图,计算出支承反力产生的弯矩MR、轴力NR和剪力TR后，它们所产生的应力分别为,ZR计算点与重心轴的距离；JR支承环有效截面对重心轴的惯性矩；WR支承环有效截面对重心轴的面
45、积矩；SR支承环有效截面上，计算点以外部分对重心轴的静矩；a支承环腹板厚度；F支承环有效截面积，包括管壁等效翼缘,断面4-4各应力的方向和分布,综合支承环 4-4 断面各应力方向和分布，如下图所示：,6、钢管强度校核,钢管的工作处于三维应力状态，强度校核的方法是求出计算应力并与容许应力作比较，而不是直接采用某一方向的应力与容许应力作比较。钢管的强度校核，目前多采用第四强度理论，其强度条件为：,式中 为焊缝系数，取0.9-0.95.由于 一般较小，故上式可简化为：,按第四强度理论公式校核，如不满足要求，需重新调整壁厚或支墩间距，直到满足要求为止。,失稳概念：结构体型在荷载作用下失去稳定平衡称失稳
46、。,临界压力：钢管失去稳定平衡的最小外压值称临界压力。,外压稳定：要求钢管可能的最大外压小于临界压力，并有一定的安全裕量（K=2）。,3.8 明钢管抗外压稳定校核,明管失稳,明管失稳的原因机组运行过程中由于负荷变化产生负水击，而使管道内产生负压；管道放空时通气孔失灵，而在管道内产生真空。管道内部产生真空或负压时，管壁在外部的大气压力下可能丧失稳定，管壁被压瘪。,光面管抗外压稳定计算,为了安全起见，引入安全系数K，要求：PcrKP。取K=2.0，明管外压设计值最大P=0.1MPa，钢材的弹性模量E=2105 MPa,略去 2，则得到光滑钢管段不失稳的条件为。,当外压力P增加到临界压力Pcr时，钢
47、管管壁就丧失稳定。,若光面管不满足抗外压稳定要求，则可以加厚钢管壁厚或在钢管外设置加劲环。,当管径太大时管壁太厚无法加工，因此可采用在管壁上增加加劲环以提高管壁刚度的措施。,加劲管抗外压稳定计算,发生多波形所需的外压值较发生双波形屈曲的外压值大。当加劲环间距很小，其间管壁完全随加劲环变形，管壁的临界压力即加劲环临界压力；当加劲环间距很大，远离加劲环的管壁受不到加劲环作用,其临界压力与不设加劲环的光滑管相同。,多波形,(1)加劲环之间的管壁外压稳定性计算,屈曲波数：,用上式计算时应采用Pcr为最小值时的n值，需用试算法。初估时先用屈曲波数计算n，取整数，再用n+1、n、n-1代入分别求Pcr，所
48、得的最小值即临界荷载。,(2)加劲环断面的外压稳定两个要求加劲环断面本身不失稳加劲环断面的压应力小于材料的允许值。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L，其他参数用加劲环有效断面计算。,J-计算断面对其自身中和轴的惯性矩；,Rk-加劲环有效截面中心的半径；,K为安全系数，取K=2.0,明钢管抗外压失稳设计步骤总结：,1、根据已定的光滑管管壁厚度计算其临界压力，如满足要求即按光滑管设计；2、如不满足稳定要求，可设置加劲环,此时先根据钢管应具有的临界压力值，按加劲环间管壁计算公式选定加劲环间距，然后根据加劲环抗外压稳定和横截面压应力小于允许值两条要求，计算出加劲环尺寸。,3.1 压
49、力管道的功用和类型3.2 压力管道的供水方式与水力计算3.3 钢管的材料、容许应力和管身构造3.4 明钢管线路选择和布置3.5 镇墩设计3.6 明钢管闸门、阀门和附件3.7 明钢管的管身应力分析及结构设计3.8 明钢管的抗外压失稳计算3.9 小结,3.9 小结,1压力水管的类型及其适用条件是什么？2水电站压力水管的供水方式主要有哪几种方式？它们优缺点和适用条件如何？3地面明钢管的支墩型式有哪几种类型？4地面明钢管上镇墩的作用是什么？镇墩的型式有哪几类？5为什么压力水管上要设伸缩节？设在什么位置？为什么？6地面明钢管设计时应选择哪几个控制断面？用图表示各控制断面的位置？受力特点如何？,水电站思考题,
