高壓聯(lián)合受力鋼岔管對(duì)旁通貼邊鋼岔管的受力影響計(jì)算分析

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

為了滿足下游生態(tài)需求，要求水電站下游河道全年不能斷流。對(duì)于大中型水利樞紐發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，大多采用一管多機(jī)式的發(fā)電形式。在設(shè)計(jì)初期沒(méi)有考慮下游生態(tài)需求，而今需要在設(shè)計(jì)好的鋼岔管旁重新開(kāi)孔，補(bǔ)設(shè)一個(gè)高壓旁通管來(lái)滿足下游生態(tài)用水需求。因此，隨即產(chǎn)生兩個(gè)問(wèn)題：①開(kāi)孔對(duì)鋼岔管受力是否有影響；②鋼岔管對(duì)高壓旁通管是否有影響。

鋼岔管為按照設(shè)計(jì)由鋼板卷曲后對(duì)縫焊接而成的空間薄殼結(jié)構(gòu)，一個(gè)月牙肋鋼岔管主要由各個(gè)錐臺(tái)管、圓柱管以及月牙形肋板組成[1]。鋼岔管在高壓內(nèi)水壓力作用下管殼應(yīng)力分布不均勻，往往在焊縫對(duì)接處會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，采用傳統(tǒng)的規(guī)范結(jié)構(gòu)力學(xué)方法所得計(jì)算成果不精細(xì)，對(duì)整個(gè)管體的應(yīng)力分布不能做出較準(zhǔn)確的把握[2-3]。目前，采用有限元方法計(jì)算分析較為普遍，該方法可詳細(xì)了解鋼岔管管壁各個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力分布情況[4]。

本文采用上述有限元法，對(duì)3個(gè)月牙肋鋼岔管及一個(gè)高壓旁通管進(jìn)行3組對(duì)比方案計(jì)算分析。方案一為1#、2#、3#鋼岔管聯(lián)合受力；方案二為1#、2#、3#鋼岔管和一個(gè)高壓旁通管即4#貼邊鋼岔管進(jìn)行聯(lián)合受力分析；方案三是4#貼邊鋼岔管單獨(dú)受力。通過(guò)對(duì)比計(jì)算成果得出一些有意義結(jié)論，為今后此類工程提供借鑒。

1 工程概況

DSM水利樞紐工程是一項(xiàng)以灌溉、防洪為主，兼有發(fā)電等綜合利用的水利工程，總庫(kù)容1.27×108m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容0.99×108m3，死庫(kù)容0.18×108m3；水庫(kù)正常蓄水位2 300.00 m，死水位2 245.00 m，設(shè)計(jì)洪水位2 300.00 m，校核洪水位2 303.36 m，水庫(kù)總庫(kù)容1.27×108m3，屬大(Ⅱ)型工程。

發(fā)電洞為一管四機(jī)的布置型式，設(shè)總裝機(jī)容量為60 MW(4×15 MW)，具體平面布置見(jiàn)圖1。設(shè)計(jì)引用流量82.0 m3/s，加權(quán)平均水頭100.08 m。整個(gè)引水系統(tǒng)總長(zhǎng)811.304 m，主要由引渠段、進(jìn)口閘井段、鋼筋混凝土襯砌隧洞段、鋼襯隧洞段、鋼襯回填管段、岔管和支管組成。

岔管及支管段：鋼襯埋管段末接卜形岔管，采用月牙肋岔管形式將主管分為4根支管接入主廠房?jī)?nèi)，支管管徑為2.4 m，支管軸線與廠房垂直，以下1#、2#、3#鋼岔管體型是單個(gè)明管優(yōu)化后的參數(shù)，這里只為了說(shuō)明超壓旁通管對(duì)聯(lián)合受力鋼岔管的影響，其余邊界條件均一致。

1#岔管段管殼及肋板部位采用WDL610C鋼材肋寬比0.301，分岔角64°，主管徑5 400 mm，直支管管徑4 700 mm，斜支管管徑2 400 mm。管壁厚度為30 mm，錐管管殼及岔管管殼厚度32 mm，肋板厚度64 mm。

2#岔管段管殼及肋板部位采用WDL610C鋼材，管壁厚度為30 mm，錐管管殼及岔管管殼厚度30 mm，肋板厚度60 mm，肋寬比0.323，分岔角66°，主管徑4 700 mm，直支管管徑3 600 mm，斜支管管徑2 400 mm。

3#岔管段管殼及肋板部位采用WDL610C鋼材，管壁厚度為24 mm，錐管管殼及岔管管殼厚度24 mm，肋板厚度48 mm，肋寬比0.312，分岔角67°，主管徑3 600 mm，直支管管徑2 400 mm，斜支管管徑2 400 mm。

4#貼邊岔管及補(bǔ)強(qiáng)板采用WDL610C鋼材，主管管壁厚度與3#岔管管壁厚度一致為24 mm，支管管壁厚度與主管相同，支管垂直于主管分岔角90°，根據(jù)等面積法初步確定補(bǔ)強(qiáng)板寬度為290 mm。為了便于施工，初步選取主、支管補(bǔ)強(qiáng)板寬度均為300 mm，厚度為24 mm，支管管徑700 mm。

2 荷載及強(qiáng)度條件

運(yùn)行工況設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力(加水錘壓力)為1.63 MPa。為滿足長(zhǎng)期運(yùn)行要求，根據(jù)規(guī)范規(guī)定[4]管壁均需要扣除2 mm的銹蝕磨損富裕度。試驗(yàn)工況根據(jù)規(guī)范規(guī)定[4]內(nèi)水壓力為1.25倍設(shè)計(jì)水壓力，即2.04 MPa，由于試驗(yàn)工況用時(shí)相對(duì)較短，根據(jù)規(guī)范該工況無(wú)需扣除銹蝕磨損富裕度。

校核強(qiáng)度按照規(guī)范[4]中式6.1.3規(guī)定進(jìn)行應(yīng)力控制，即計(jì)算出的米塞斯應(yīng)力應(yīng)小于等于各個(gè)管節(jié)的允許應(yīng)力和焊縫系數(shù)之積。本文中鋼岔管采用雙面焊接根據(jù)規(guī)范規(guī)定[4]，焊縫系數(shù)φ=0.95。表1為鋼岔管不同部位控制標(biāo)準(zhǔn)，考慮焊縫系數(shù)通過(guò)換算得出各個(gè)部位允許應(yīng)力用于校核，見(jiàn)表2。

表2 鋼材的抗力限值

注：表2中應(yīng)力單位均為MPa。

3 鋼岔管控制點(diǎn)

岔管各個(gè)管節(jié)用數(shù)字編號(hào)表示，分別是主管側(cè)11、12、13，支管側(cè)21、22、23，31、32、33。管殼應(yīng)力控制點(diǎn)選擇各個(gè)管節(jié)母線的轉(zhuǎn)折部位，用字母表示，分別為A、B、C、D、E、F、G、H、I、J點(diǎn)，中心分岔處為O點(diǎn)。肋板控制點(diǎn)腰部?jī)蓚€(gè)點(diǎn)用LB1、LB2表示，頂部?jī)蓚€(gè)點(diǎn)用LB3、LB4表示，見(jiàn)圖2。貼邊鋼岔管平面結(jié)構(gòu)應(yīng)力特征點(diǎn)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 二節(jié)錐板岔管及肋板平面結(jié)構(gòu)、貼邊鋼岔管平面結(jié)構(gòu)應(yīng)力特征點(diǎn)示意圖

4 有限元計(jì)算分析

根據(jù)[1-3,5-6]可知，鋼岔管網(wǎng)格最大尺寸為公切球半徑的0.002 5倍左右。邊界約束長(zhǎng)度取為公切球直徑1.5倍[1-3,5-6]。由于管壁存在一定厚度，在內(nèi)水壓力變形時(shí)，不光是沿著殼體法相變形，也會(huì)存在沿著殼體切線的變形，因此單元類型選取可以考慮橫向剪切應(yīng)變的8節(jié)點(diǎn)40自由度的曲面殼單元[1-3,5-6]。將鋼岔管殼體結(jié)構(gòu)劃分為相應(yīng)網(wǎng)格密度的四邊形網(wǎng)格[7-9]，具體網(wǎng)格劃分方式見(jiàn)如下3個(gè)方案：

方案一：1#、2#、3#聯(lián)合受力

計(jì)算模型包括岔管整體和肋板的幾何模型及有限元模型圖。岔管管殼及肋板均采用四邊形曲面殼單元，1#鋼岔管結(jié)點(diǎn)總數(shù)2 656，單元總數(shù)2 518。肋板結(jié)點(diǎn)總數(shù)294，單元總數(shù)264。2#鋼岔管結(jié)點(diǎn)總數(shù)2 546，單元總數(shù)2 458。肋板結(jié)點(diǎn)總數(shù)253，單元總數(shù)224。3#鋼岔管結(jié)點(diǎn)總數(shù)2 356，單元總數(shù)2 283。肋板結(jié)點(diǎn)總數(shù)213，單元總數(shù)208。離散后平面圖見(jiàn)圖3。

圖3 1#、2#、3#鋼岔管整體網(wǎng)格模型

方案二：1#、2#、3#、4#聯(lián)合受力

計(jì)算模型包括岔管整體和肋板的幾何模型及有限元模型圖。岔管管殼及肋板均采用四邊形曲面殼單元，1#鋼岔管結(jié)點(diǎn)總數(shù)2 656，單元總數(shù)2 518。肋板結(jié)點(diǎn)總數(shù)294，單元總數(shù)264。2#鋼岔管結(jié)點(diǎn)總數(shù)2 546，單元總數(shù)2 458。肋板結(jié)點(diǎn)總數(shù)253，單元總數(shù)224。3#鋼岔管結(jié)點(diǎn)總數(shù)2 356，單元總數(shù)2 283。肋板結(jié)點(diǎn)總數(shù)213，單元總數(shù)208。4#鋼岔管結(jié)點(diǎn)總數(shù)624，單元總數(shù)586。離散后平面圖見(jiàn)圖4。

圖4 1#、2#、3#、4#鋼岔管整體網(wǎng)格模型

方案三：4#單獨(dú)受力

計(jì)算模型包括4#鋼岔管結(jié)點(diǎn)總數(shù)624，單元總數(shù)586，離散后平面圖見(jiàn)圖5。

5 成果分析

方案一、方案二、方案三中的1#、2#、3#、4#鋼岔管各個(gè)控制點(diǎn)的應(yīng)力見(jiàn)表3，主要列出運(yùn)行工況鋼岔管腰線轉(zhuǎn)折角、分岔部位、表面自限區(qū)域，以及肋板各控制點(diǎn)應(yīng)力值進(jìn)行比較。

圖5 4#鋼岔管整體網(wǎng)格模型

控制點(diǎn)ABCDEFGHIJO//KLB11#2#3#4#方案一269263268145161155139136210177350259方案二269264269145162155139136211178351259方案一243244214152132148152114182133371186方案二248249218155135151155116186136378190方案一250251283152140141149119179119322245方案二253254286154141142150120181120324247方案二1933936224463710612199109110-方案三1723532206403088102839396-1#、2#、3#允許應(yīng)力3253253253253253253253253253254663144#允許應(yīng)力263203203263203203203203203203203-

注：表3中應(yīng)力單位均為MPa，且考慮銹蝕厚度，由于頁(yè)面限制只保留應(yīng)力整數(shù)部分；O是月牙肋鋼岔管的應(yīng)力，K是貼邊鋼岔管的應(yīng)力，表3中只列出鋼岔管肋板最大應(yīng)力值LB1。

表3只對(duì)關(guān)鍵區(qū)域最大值進(jìn)行比較，其它區(qū)域值要遠(yuǎn)小于相對(duì)應(yīng)的允許應(yīng)力。對(duì)比方案一與方案二計(jì)算成果可知，1#、2#、3#鋼岔管采用聯(lián)合整體受力計(jì)算較1#、2#、3#、4#鋼岔管受力計(jì)算成果相比，在2#與3#鋼岔管之間設(shè)置了貼邊鋼岔管，通過(guò)整體受力計(jì)算可知2#與3#鋼岔管之間增加一個(gè)直徑為0.7 m的超壓旁通貼邊鋼岔管后，1#、2#、3#鋼岔管管壁整體應(yīng)力均大于之前不設(shè)置開(kāi)孔方案時(shí)的應(yīng)力，但由于4#超壓旁通貼邊鋼岔管離1#鋼岔管較遠(yuǎn)，影響最小，對(duì)2#、3#鋼岔管管壁應(yīng)力影響較大；從表3中數(shù)據(jù)可以得出，由于2#鋼岔管管徑較3#鋼岔管管徑大，因此4#岔管對(duì)2#鋼岔管的影響要大于對(duì)3#鋼岔管的影響。超壓旁通貼邊鋼岔管開(kāi)孔尺寸較小，對(duì)1#、2#、3#鋼岔管整體受力應(yīng)力影響較小。

方案二中4#鋼岔管整體受力分析結(jié)果與方案三中4#鋼岔管單體受力分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可得，方案三中4#鋼岔管單體受力時(shí)管壁各個(gè)控制點(diǎn)的應(yīng)力均小于4#鋼岔管整體受力時(shí)管壁上的應(yīng)力，應(yīng)力變化最大為A點(diǎn)、D點(diǎn)與K點(diǎn)，增幅均大于10%，表明1#、2#、3#管的整體受力變形影響到4#貼邊鋼岔管的變形。以上整體受力管殼與肋板應(yīng)力及貼邊鋼岔管的應(yīng)力均滿足規(guī)范中運(yùn)行應(yīng)力要求。為了減少篇幅，本文只列出1#、2#、3#、4#鋼岔管整體受力應(yīng)力云圖，見(jiàn)圖6、圖7、圖8。

圖6 方案一：1#、2#、3#整體受力應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖7 方案二：1#、2#、3#、4#整體受力應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖8 方案三：4#鋼岔管單體受力應(yīng)力云圖(單位：Pa)

6 結(jié) 論

1) 在此類小間距鋼岔管之間接超壓旁通管時(shí)，整體受力要比單體受力計(jì)算結(jié)果更大。因此，為了安全起見(jiàn)，對(duì)于鋼岔管建議采用聯(lián)合受力的方式計(jì)算分析管壁各個(gè)控制點(diǎn)應(yīng)力是否滿足設(shè)計(jì)要求。

2) 鋼岔管作為發(fā)電洞與發(fā)電廠房之間的連接紐帶，安全運(yùn)行與發(fā)電廠房及操作人員的安危息息相關(guān)。因此，選擇合適的計(jì)算分析方式對(duì)整個(gè)水電站的安全運(yùn)行至關(guān)重要。通過(guò)整體受力有限元法可以方便快捷地分析三維鋼岔管體型的整體應(yīng)力，便于得到鋼岔管最優(yōu)體型，以期為水利工程鋼岔管設(shè)計(jì)提供參考借鑒。