水电站的压力管道.ppt
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1、水电站,武汉大学水利水电学院水电站教研室,第六节 明钢管的管身应力分析及结构设计,一、明钢管的荷载和组合,1、荷载 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。,明钢管的计算工况和荷载组合应根据工程的具体情况参照钢管设计规范采用。,2、荷载组合,电力版规范荷载分类,电力版规范荷载分类(续),电力版规范明钢管荷载组合,二、管身应力分析和结构设计,明钢管设计内容:镇墩、支墩和管身部分。分析目的:确定管壁厚度和加劲环尺寸。,二、管身应力
2、分析和结构设计,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?各控制断面应力计算点(顶、底、侧、内点、外点),应力的方向?,1、管壁厚度估算,可由允许应力求管壁厚度:,根据力的平衡:,也可由管壁厚度求应力:,考虑焊缝影响,1、管壁厚度估算,按估算厚度需另加2mm锈蚀厚度,且需满足最小结构厚度要求。,为允许应力;焊缝系数,可由规范选取。,选取柱坐标x、r、(轴向、径向、环向),2、坐标系选取,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、剪力图如图所示。,跨中1-1断面,其特点为:,跨中1-1断面特点,支撑环附近,但又不受支撑环影响的2-2断
3、面,其特点为:,支撑环影响范围的长度为:,支撑环附近2-2断面特点,支撑环3-3断面特点,支撑反力R,影响范围的长度l,支撑环3-3断面特点,1.由水重和管重产生的弯矩和剪力,2.由支撑环(加劲环)约束所产生的局部弯矩和局部剪力M和Q。,3.由支撑反力R在管壁中所产生的弯矩、剪力和轴力。,4、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,内水压力产生的环向正应力,D、管内径和管壁计算厚度,(cm);H 管顶以上的计算水头,(cm);Hp 管中心处的计算水头,(cm);管壁计算点与垂直中线构成的圆心
4、角;管轴线与水平线的倾角。,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,注意管顶和管底符号不一样。,M由多跨连续梁求出。,轴向力产生的轴向正应力,内水压力产生的径向正应力,支撑环附近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断面与1-1断面相比,仅多了一项由水重和管重的法向分力产生的剪应力,S某断面以上的管壁对中和轴的静矩;J管壁的惯性矩;r管道半径;b受剪截面宽度;管顶至计算点的圆心角。,由水重和管重的法向分力产生的剪应力,支撑环3-3断面,内水压力
5、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,支撑反力产生的环向正应力和剪应力,局部弯矩产生的轴向正应力,局部剪力产生的剪应力,支承环3-3断面,支承环处的管壁由于支承环的约束,在内水压力作用下发生局部弯曲,因此3-3断面与2-2断面相比,增加了局部弯曲应力,切向应力也因支承环的影响而改变。,支承环在管壁中引起的局部弯曲应力随离开支承环的距离而很快衰减,影响范围长度为:,(1)水重和管重的法向分力产生的轴向正应力,(3)轴向力产生的轴向正应力,(2)局部弯矩产生的轴向正应力,前面已说明,下面需求。,轴
6、向正应力(支承环3-3断面),轴向正应力:,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。,轴向正应力,(虎克定律),加劲环处在M和Q共同作用下,只产生径向位移,不生产角位移,则需满足下列条件:,处在M和Q共同作用下,该处管壁径向缩小为:,轴向正应力,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,由此可得:,沿管环向取单位长度。,则:,对加劲环:其切向应力 由支撑环直接承受的内水压力 和管壁对支撑环的剪力产生,即。,环向正应力(支承环3-3断面),支撑反力产生的环向正应力,对支承环,利用结构力学
7、中的弹性中心法,求出在支承反力的作用下支承环各断面的内力:,为了合理利用材料,b与Rk最合理的比值是使支承环上下不同的两个断面最大弯矩绝对值相等,满足这一条件的是:,(1)水重和管重的法向分力产生的剪应力,(2)支撑反力产生的剪应力,(3)局部剪力产生的剪应力,剪应力(支承环3-3断面),5、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
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