埋藏式月牙肋鋼岔管的合理布置及承載參數(shù)分析

景浩

摘 要：近年來，我國常規(guī)水電和抽水蓄能電站工程得到快速的發(fā)展，各種施工技術(shù)、設(shè)備不斷創(chuàng)新，建筑物的設(shè)計(jì)水平也在不斷的提升。埋藏式月牙肋鋼岔管是常規(guī)引水式水電工程和抽水蓄能電站中應(yīng)用廣泛的建筑物，其承載力和體型設(shè)計(jì)直接影響著整個(gè)常規(guī)水電工程和抽水蓄能電站的工程質(zhì)量和投資。而在其設(shè)計(jì)過程中，埋藏式月牙肋鋼岔管的體型設(shè)計(jì)布置和承載參數(shù)的計(jì)算又是非常重要的工作內(nèi)容，為此文章針對埋藏式月牙肋鋼岔管的合理體型設(shè)計(jì)及承載參數(shù)計(jì)算等相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行分析研究。

關(guān)鍵詞：埋藏式月牙肋鋼岔管；合理體型設(shè)計(jì)；承載參數(shù)

引言

隨著我國常規(guī)水電工程和抽水蓄能電站工程的快速發(fā)展，施工和設(shè)計(jì)水平都在不斷提升，埋藏式月牙肋鋼岔管做為一重要的建筑物，其結(jié)構(gòu)、性能與傳統(tǒng)的鋼岔管相比有著受力明確、水頭損失小和施工方便等顯著的優(yōu)勢。在埋藏式月牙肋鋼岔管的設(shè)計(jì)中，其合理的布置以及承載參數(shù)的計(jì)算和設(shè)定是關(guān)鍵，影響著月牙肋鋼管的整體設(shè)計(jì)質(zhì)量。為了保證埋藏式月牙肋鋼岔管可以滿足不同環(huán)境的需求，文章針對埋藏式月牙肋鋼岔管的合理布置及承載參數(shù)等內(nèi)容進(jìn)行分析。

1 埋藏式月牙肋鋼岔管的合理布置分析

隨著我國經(jīng)濟(jì)不斷的發(fā)展，我國能源需求量逐年攀升，使得有著綠色能源的水電工程和抽水蓄能電站工程近幾年得到大力的開發(fā)。與此同時(shí)引水管道設(shè)計(jì)也伴隨著地質(zhì)條件差、高水頭、大PD值等不利影響因素。鋼岔管作為引水式多機(jī)組電站中的關(guān)鍵設(shè)備，其綜合這幾年鋼岔管的設(shè)計(jì)工作，月牙肋鋼岔管應(yīng)用最為廣泛。在具體的設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分的考慮施工條件，例如巖層內(nèi)的水壓力等，通過對月牙肋鋼岔管的參數(shù)、結(jié)構(gòu)等的合理設(shè)計(jì)和布置，降低其安裝和生產(chǎn)制造的難度，并保障工程的施工質(zhì)量[1]。

從近幾年的水電工程和抽水蓄能電站工程的現(xiàn)狀來分析，有著PD值越來越大，圍巖條件愈來愈復(fù)雜的趨勢，從目前的圍巖承載需求分析，圍巖條件好時(shí)，管道在設(shè)計(jì)的過程中，管壁厚度會偏大。為了滿足實(shí)際工作中圍巖的承載需求，管道的管壁厚度往往會超過設(shè)計(jì)的厚度，進(jìn)而保證管道可以根據(jù)不同的圍巖條件，對其承載比進(jìn)行調(diào)整和控制。根據(jù)某工程實(shí)際，擬定了對稱Y型鋼岔管和非對稱鋼岔管的布置形式進(jìn)行比較分析，具體體型布置如圖1、圖2所示。

不同類型的鋼岔管，其布置形式不同，針對非對稱鋼岔管和對稱Y型鋼岔管的布置形式等進(jìn)行分析，結(jié)果顯示（表1）這兩種類型的鋼岔管，其管壁厚度均由整體膜應(yīng)力、局部膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力控制，非對稱鋼岔管其腰線轉(zhuǎn)折角則集中到一側(cè)（圖1），其腰線的轉(zhuǎn)折角大于對稱鋼岔管的腰線轉(zhuǎn)折角的布置[2]。非對稱鋼岔管的應(yīng)力分布不均，進(jìn)而很難充分地發(fā)揮鋼材的作用以及性能，非對稱鋼岔管的管壁厚，相對于對稱Y型鋼岔管的管壁厚度而言，增加了6mm左右，為此也增加了管道的生產(chǎn)制造、安裝的難度。

綜合分析非對稱鋼岔管和對稱Y型鋼岔管的總體布置形式、結(jié)構(gòu)，從管道生產(chǎn)制造、安裝的可行性、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性等角度考慮，對稱Y型鋼岔管的布置更為合理，屬于較優(yōu)的布置方案。

2 埋藏式月牙肋鋼岔管的承載參數(shù)分析

在實(shí)際的水電和抽水蓄能工程實(shí)踐中，埋藏式月牙肋鋼岔管在內(nèi)水壓力的作用下，鋼岔管會發(fā)生變形，其變形將縫隙填滿之后，會與混凝土接觸，然后再通過回填混凝土，將載荷傳遞給圍巖，通過圍巖與鋼岔管內(nèi)水壓力產(chǎn)生相反的彈性抗力，使得圍巖對鋼岔管的位移有抑制的作用[3]。

針對埋藏式月牙肋鋼岔管的承載參數(shù)進(jìn)行分析，鋼岔管的體型參數(shù)為：假設(shè)管壁厚度為t0，按照應(yīng)力分類分析法，根據(jù)膜應(yīng)力、局部應(yīng)力的分布和安全性需求，管壁厚度的計(jì)算公式可以為：

在公式（1）中P為內(nèi)水壓力；r為該節(jié)段鋼岔管最大的內(nèi)半徑；α為該節(jié)段鋼岔管的半錐頂角；？漬為焊縫系數(shù)；[σ]1、[σ]2則分別是鋼岔管按整體膜應(yīng)力計(jì)的抗力限值、局部膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力計(jì)的抗力限值；K1、K2則分別是鋼岔管整體膜應(yīng)力計(jì)應(yīng)力系數(shù)、局部應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力集中計(jì)算系數(shù)。

埋藏式月牙肋鋼岔管的肋板尺寸參數(shù)，按照圖3的平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以將肋板中面、主岔面、支岔面相交曲線上各點(diǎn)的坐標(biāo)值得出，結(jié)果公式如下：

在公式（3）中C為管壁厚度裕量；Bt為肋中央斷面寬度；[σ]1為允許應(yīng)力；V則是主岔錐面作用于肋板中央截面上的垂直分力。

在實(shí)際工作中，按照規(guī)范中的設(shè)計(jì)方法，采用cad平面方式設(shè)計(jì)往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工作量很大。埋藏式月牙肋鋼岔管的設(shè)計(jì)，具體就是體型合理選擇和承載參數(shù)的設(shè)計(jì)，可以按照實(shí)際的工作需求，使用諸如CATIA、Rhino等三維建模軟件，對其進(jìn)行承載參數(shù)三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，將其相關(guān)的參數(shù)帶入公式，計(jì)算出埋藏式月牙肋鋼岔管的承載參數(shù)[4]。這樣可以大大縮短設(shè)計(jì)周期，提高圖紙的精度，總結(jié)其設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

通過對設(shè)計(jì)過的鋼岔管總結(jié)得知，埋藏式月牙肋鋼岔管在圍巖條件好的情況下，其管壁參數(shù)較大，在圍巖條件較差時(shí)，在聯(lián)合承載的作用下，可以確定官管壁的厚度參數(shù)，滿足使用要求。在實(shí)際的生產(chǎn)制造中，埋藏式月牙肋鋼岔管與圍巖聯(lián)合承載，可以約束鋼岔管的變形，可以使得鋼岔管各個(gè)部分的應(yīng)力，尤其是腰線轉(zhuǎn)折角的應(yīng)力，呈現(xiàn)均勻化變化，此時(shí)的圍巖抗力系數(shù)會出現(xiàn)稍微的增加，使得鋼岔管的管壁厚度減小，在生產(chǎn)制造中，可以節(jié)省鋼料，降低生產(chǎn)制造難度，增強(qiáng)安裝安全性。對于較大直徑和PD值的鋼岔管，在圍巖條件較差時(shí)，對稱Y型鋼岔管的管壁設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、安裝等難度較低，生產(chǎn)制造中使用的鋼量也相對較少，此時(shí)對稱Y型鋼岔管的優(yōu)勢非常的突出。在圍巖條件相對較好時(shí)，非對稱鋼岔管的管壁厚度，會隨著圍巖抗力系數(shù)的增加，而逐漸地接近對稱Y型鋼岔管，但是從整體的生產(chǎn)制造、安裝、使用等情況進(jìn)行分析，對稱Y型鋼岔管的使用范圍更為廣泛[5]。

在實(shí)際的生產(chǎn)和工作中，鋼岔管的布置形式和承載參數(shù)受到各種因素的影響，為了保證鋼岔管在水電和抽水蓄能工程中可以廣泛的應(yīng)用，我們可以通過運(yùn)用三維軟件、三維有限元分析軟件等輔助手段，對鋼岔管的布置形式、承載參數(shù)等進(jìn)行計(jì)算和復(fù)核，設(shè)計(jì)生產(chǎn)出安全性高、性能高的鋼岔管，并將其廣泛地應(yīng)用到水電和抽水蓄能工程施工建設(shè)中。

3 結(jié)束語

埋藏式月牙肋鋼岔管的合理體型布置選擇，以及良好的承載參數(shù)取值，將影響著整個(gè)工程的施工質(zhì)量和后期安全運(yùn)行，所以在鋼管設(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合圍巖的具體條件，具體問題具體分析，采取CATIA三維體型設(shè)計(jì)軟件和三維有限元軟件等設(shè)計(jì)手段進(jìn)行設(shè)計(jì)和復(fù)核，可以迅速、精確地設(shè)計(jì)體型，確定岔管的承載參數(shù)，滿足工程實(shí)際的需要。

參考文獻(xiàn)

[1]李捷，冉建西，徐燕.水電站工程埋藏式鋼岔管壁厚分析探討[J].水利建設(shè)與管理，2011（6）：28-30+19.

[2]王維娜，李捷.對月牙肋鋼岔管有限元計(jì)算的分析與建議[J].水利水電工程設(shè)計(jì)，2014（4）：3-5.

[3]張偉，齊一鶴，劉姝麟，等.月牙肋岔管三維參數(shù)化設(shè)計(jì)方法研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015（4）：1019-1028.

[4]周彩榮，伍鶴皋，石長征.埋藏式月牙肋鋼岔管布置形式選擇和承載特性研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2014（4）：208-213.

[5]劉姝麟.月牙肋岔管的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)與安全評估[D].廣西大學(xué)，2014.