方形鋼岔管結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

曹 新，王 歡，沈 明

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

某水電站位于西藏自治區(qū)山南地區(qū)桑日縣境內(nèi)，是YLZBJ中游桑日縣至加查縣峽谷段的第二級電站。水電站為二等工程，工程規(guī)模為大(2)型，電站樞紐建筑物主要由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)及魚道建筑物等組成。水電站裝機(jī)容量660 MW，水庫總庫容約為0.55億m3。水電站采用混凝土重力壩和壩后式廠房方案布置，最大壩高117.0 m，壩頂總長385 m。引水系統(tǒng)為單機(jī)單管布置，由壩式進(jìn)水口和壩后淺埋管組成，共4條引水管道。

1 方形鋼岔管特點(diǎn)和設(shè)計參數(shù)

結(jié)合水電站進(jìn)水口及沖沙底孔布置，每個進(jìn)水口下部布置排沙廊道，4條排沙廊道支管逐漸匯流入排沙廊道總管。支管段和主管段布置在廠房壩段進(jìn)水口流道下部實(shí)體混凝土(混凝土力學(xué)參數(shù)見表1)內(nèi)，結(jié)合生態(tài)流量管，平面上采用“五合一”布置型式[1]，設(shè)有4個鋼岔管，見圖1。

圖1 排沙廊道平面布置圖

表1 混凝土力學(xué)參數(shù)表

排沙廊道鋼岔管的支管和主管均為方形斷面3.2 m×3.2 m(寬×高)，支管和主管交匯處布置半徑15 m的轉(zhuǎn)彎，鋼襯外部布置加勁環(huán)。

鋼岔管材質(zhì)采用Q345R鋼材，厚度22 mm。鋼材的抗力限值按照式(1)計算：

(1)

根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》[2]，排沙廊道鋼管的結(jié)構(gòu)安全級別為Ⅱ級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0為1.0；運(yùn)行工況屬持久狀況，按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計，設(shè)計狀況系數(shù)ψ為1.0；γd結(jié)構(gòu)系數(shù)按壩內(nèi)埋管聯(lián)合承載取為1.25；f為設(shè)計強(qiáng)度值。鋼材力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 鋼材力學(xué)參數(shù)表

2 荷載組合

根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[3]，結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)采用下式計算：

(2)

式中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，排沙廊道級別為2級，安全級別為Ⅱ級，γ0=1.0；ψ為設(shè)計狀況系數(shù)，對于持久狀況、短暫狀況、偶然狀況，分別取1.0、0.95及0.85；S為承載能力極限狀態(tài)的作用效應(yīng)組合的設(shè)計值。

S=γGSGk+γQ1SQ1k+γQ2SQ2k

(3)

式中：SGk為永久作用效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值；SQ1k為一般可變作用效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值；SQ2k為可控制的可變作用效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值；γG、γQ1、γQ2為永久作用、一般可變作用、可控制的可變作用分項系數(shù)，分別取值分別為：1.05、1.2、1.1。

3 方形鋼岔管有限元分析

3.1 計算范圍

方形鋼岔管結(jié)構(gòu)計算范圍為鋼管主管入彎段到彎段支管出彎段，以及主管直段支管入彎段，岔管部位采用墊層保護(hù)，見圖2。鋼岔管是復(fù)雜的空間薄殼鋼結(jié)構(gòu)，利用有限元分析軟件[4-6]，可以較好地反應(yīng)鋼襯與外部混凝土的聯(lián)合作用，以及加勁環(huán)對鋼襯的作用。

圖2 排沙廊道鋼岔管布置圖

3.2 模型構(gòu)建

鋼岔管有限元模型構(gòu)建包括針正常運(yùn)行工況(內(nèi)壓工況)和檢修工況(外壓工況)[7-10]，正常運(yùn)行水頭64.4 m，檢修情況下外部水頭20 m。內(nèi)壓工況下由鋼襯與混凝土聯(lián)合承載，不考慮加勁環(huán)的作用，同時，對鋼襯與混凝土之間考慮縫隙、墊層段以及出口段混凝土埋深較淺三種情況進(jìn)行分析，計算模型見圖3、圖4。

圖3 排沙廊道整體計算模型(內(nèi)壓工況)

圖4 鋼岔管模型(內(nèi)壓工況)

外壓工況鋼岔管外力由鋼襯單獨(dú)承載，考慮加勁環(huán)的作用，計算模型見圖5。

圖5 鋼岔管計算模型(外壓工況)

4 結(jié)果分析

對排沙廊道和鋼岔管進(jìn)行了有限元計算，將計算成果以最大主應(yīng)力、Mises應(yīng)力、變形分布形式表示。

4.1 正常運(yùn)行工況

1)聯(lián)合承載?？紤]鋼岔管鋼襯與混凝土聯(lián)合承載的情況下，鋼襯最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在分岔部位尖角處，為12.4 MPa，小于鋼材抗力限值232 MPa；混凝土最大主應(yīng)力出現(xiàn)在分岔部位尖角處，為1.78 MPa，大于混凝土的允許抗拉強(qiáng)度1.27 MPa，對此部位需進(jìn)行加強(qiáng)處理。鋼襯最大變形為0.8 mm。

2)縫隙?？紤]鋼岔管與混凝土之前存在縫隙的情況下，鋼襯最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在鋼襯頂部折角處，為20.8 MPa，遠(yuǎn)小于鋼襯抗力限值；鋼襯最大變形出現(xiàn)在底邊中部，為2.3 mm。在考慮縫隙情況下，鋼襯的Mises應(yīng)力和變形均有所增大，但仍滿足結(jié)構(gòu)要求。

3)墊層段。在鋼岔管設(shè)置墊層的位置，鋼襯最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在鋼襯頂部折角處，為135 MPa，小于鋼襯抗力限值；鋼襯最大變形位于鋼襯底邊中部，為2.3 mm；外部混凝土最大主應(yīng)力為0.82 MPa，小于混凝土抗拉強(qiáng)度允許抗拉強(qiáng)度1.27 MPa。

4)出口段。在鋼岔管出口段混凝土埋深較淺的位置，鋼襯最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在鋼襯頂部折角處，為16.2 MPa，小于鋼襯抗力限值；最大變形位于鋼襯底邊中部，為0.18 mm；外部混凝土最大主應(yīng)力為3.2 MPa，大于混凝土允許抗拉強(qiáng)度，此處需采取加強(qiáng)措施。

4.2 檢修工況

檢修工況下，鋼岔管外力由鋼襯單獨(dú)承擔(dān)，考慮外部加勁環(huán)布置，加勁環(huán)間距1 m，環(huán)高30 cm，厚度22 mm，加勁環(huán)外端不設(shè)加勁環(huán)錨固。計算結(jié)果顯示，岔管尖角處鋼襯最大Mises應(yīng)力和最大跨度處的加勁環(huán)頂部加勁環(huán)最大Mises應(yīng)力均超過鋼材抗力限值232 MPa。

根據(jù)計算結(jié)果，僅依靠加勁環(huán)的作用，鋼岔管加勁環(huán)在最大跨度處不滿足要求，同時在岔管尖角處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，所以對加勁環(huán)外側(cè)加錨筋來進(jìn)行加強(qiáng)，加勁環(huán)每條邊上按0.8 m間距布置錨筋，并對加勁環(huán)布置加以調(diào)整，使兩側(cè)支管加勁環(huán)同時經(jīng)過尖角處直邊。調(diào)整過后計算結(jié)果，鋼襯最大Mises應(yīng)力為148 MPa，加勁環(huán)最大Mises應(yīng)力為162 MPa，小于鋼材抗力限值232 MPa，滿足要求。

通過對加勁環(huán)布置的調(diào)整和增加錨筋，鋼岔管鋼襯強(qiáng)度還有一定裕度，對加勁環(huán)布置進(jìn)行優(yōu)化，將加勁環(huán)高度調(diào)整至20 cm，最終計算結(jié)果見圖6、圖7。

圖6 鋼襯Mises應(yīng)力分布(單位：Pa)

圖7 加勁環(huán)Mises應(yīng)力分布(單位：Pa)

鋼襯最大Mises應(yīng)力位于分岔段的支管頂部，為148 MPa，加勁環(huán)最大Mises應(yīng)力位于分岔段的加勁環(huán)上，為162 MPa，鋼襯及加勁環(huán)最大Mises應(yīng)力均小于鋼材抗力限值232 MPa。

5 結(jié) 語

對于某水電站排沙廊道方形鋼岔管，利用有限元分析軟件，對在內(nèi)壓工況下的聯(lián)合承載、裂縫等情況和外壓工況下加勁環(huán)布置進(jìn)行計算，得到以下結(jié)論：

1)在正常運(yùn)行工況下，考慮鋼岔管和外部混凝土聯(lián)合承載，鋼岔管鋼襯強(qiáng)度滿足安全穩(wěn)定要求，但是外部混凝土需要對岔管部位進(jìn)行配筋加強(qiáng)；

2)在考慮鋼岔管和混凝土之間存在裂隙的情況下，鋼襯的Mises應(yīng)力和變形均有所增大，在施工過程中，應(yīng)使鋼岔管與外部混凝土緊密結(jié)合；

3)在鋼岔管出口段混凝土埋深較淺的位置，外部混凝土有最大主應(yīng)力；

4)在檢修工況下，可對鋼岔管的加勁環(huán)布置進(jìn)行優(yōu)化，加勁環(huán)外部增加錨筋，可以增強(qiáng)鋼岔管的抗外壓能力，同時可以減小加勁環(huán)的高度，減少工程成本。