失圓壓力鋼管結(jié)構(gòu)分析及處理措施

李軍華，黃 超

(中國水利水電第九工程局有限公司，貴陽，550081)

1 工程概況

某引水式電站，其引水系統(tǒng)由有壓隧洞、調(diào)壓井、壓力鋼管等建筑物組成，電站裝機容量3×16MW，電站壓力鋼管主管設(shè)計內(nèi)徑2.4m，總長度786.3m，全部采用鋼板襯砌，管外回填150#混凝土。鋼板襯砌壓力管道由上平段(長32.5m)、斜管段(長320.2m、傾角51°)、下平段(長368.93m)組成，管道鋼襯采用鋼材為A3和16Mn兩種，設(shè)計壁厚8mm～30mm，其中A3鋼主要用于上平段及斜管段上部低壓力部位，全部鋼管均為光滑管，未設(shè)管外加勁。鋼管最終實施成果見表1。

表1 鋼管最終實施成果

管道穿越地層主要為二疊系吳家坪組(P2w)灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r及硅質(zhì)巖，下平洞出口處為長興組(P2c)杰巖。壓力鋼管埋管段穿越的地層從工程地質(zhì)的角度又分為P2w1-2厚層燧石灰?guī)r、薄層灰?guī)r、厚層灰?guī)r；P2w2-1薄層硅質(zhì)灰?guī)r；P2w2-2中厚層灰?guī)r夾薄層硅質(zhì)巖；P2w3薄層硅質(zhì)灰?guī)r。其中將P2w1-2更進一步細分為六小層，管道上平洞段穿越P2w1-2層燧石灰?guī)r、薄層灰?guī)r及厚層灰?guī)r；斜管段基本排布于P2w1-2-⑥厚層灰?guī)r中，局部受斷層影響而進入了P2w2-1薄層硅質(zhì)灰?guī)r中，斜管傾角與巖層傾角基本一致。整個洞段共發(fā)現(xiàn)三條小斷層、四個較大的溶洞及數(shù)條小溶隙。斜洞段開挖中，由于受小斷層影響，曾經(jīng)出現(xiàn)洞頂塌方，地下水最高出露高程460m。

由于全部主管均為光滑管，未設(shè)管外加勁，安裝及管外回填混凝土施工過程中內(nèi)撐剛度不夠，在進行最終鋼管測量檢驗時，發(fā)現(xiàn)鋼管發(fā)生較大變形，主要為鋼管由圓形變?yōu)闄E圓形，變形較大及典型斷面變形情況見表2。

表2 鋼管失圓典型斷面

按《壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)定》(DL 5017-93)5.13條規(guī)定：“鋼管安裝后，管口圓度(指相互垂直兩直徑之差的最大值)偏差不應大于5D/1000，最大不應大于40mm，至少測量2對直徑”，實際鋼管安裝偏差不滿足規(guī)范規(guī)定，但返工將對工程效益帶來極大影響，為此對失圓后鋼管進行應力分析校核并提出處理措施，滿足工程使用要求。

2 結(jié)構(gòu)分析

現(xiàn)有理論計算公式僅適用于圓形管道，不適用于本工程的實際情況，為此采用兩種方法進行校核，一種為擬合失圓鋼管曲率半徑，然后用規(guī)范推薦的經(jīng)驗公式進行估算；另一種為按橢圓結(jié)構(gòu)進行計算。

上平段及斜管上段由于無外水壓力僅進行內(nèi)水壓力分析，而下斜段及下平段需進行內(nèi)、外水壓力分析。

2.1 擬合曲率半徑法結(jié)構(gòu)分析

2.1.1 抗內(nèi)壓能力復核

壓力鋼管抗內(nèi)壓復核計算方法及計算公式采用規(guī)范SD144-85附錄(二)中規(guī)定進行，根據(jù)規(guī)范，鋼管環(huán)向正應力計算公式為：

σθ=(Pr1+100K0△)/(δ+100K0r1/E)

式中：σθ——鋼襯環(huán)向正應力，MPa；

P——內(nèi)水壓力，MPa；

r1——管道內(nèi)徑，m，見表2；

K0——圍巖彈性抗力系數(shù)，見表1；

△——計算初始縫隙值，0.7mm；

δ——鋼板計算壁厚，mm，見表1；

E——鋼材彈性模量，2.1×105MPa。

環(huán)向正應力計算成果見表3。

表3 環(huán)向正應力計算成果

根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》(SD 144-85)表5.1.1規(guī)定，在基本荷載組合，明鋼管允許應力[σ]=0.55σs，地下埋管允許應力[σ]=0.67σs，施工焊縫系數(shù)ψ=0.9，相應鋼材允許應力見表4。

表4 不同荷載組合相應鋼材的允許應力

2.1.2 抗外壓穩(wěn)定計算

壓力鋼管均為光面管，未設(shè)置任何外加強構(gòu)件，根據(jù)規(guī)范附錄(二)下第三條(一)款的規(guī)定，抗外壓穩(wěn)定可按照經(jīng)驗公式估算和阿姆斯圖茲公式計算。

經(jīng)驗公式：Pcr=620(t/r)1.7σs0.25

式中：t/r——鋼管壁厚與管內(nèi)徑之比；

σs——鋼材屈服強度。

阿姆斯圖茲公式：

E′——考慮平面應變的材料彈模；

E——鋼材彈性模量；

ηiu——鋼管與混凝土間縫隙與鋼管半徑之比；

σN——管殼屈曲部分環(huán)向平均應力；

σs0——考慮平面應變的材料屈服強度；

r/t——鋼管半徑與管壁厚度之比；

μ——材料泊松比。

抗外壓穩(wěn)定計算成果見表5。

表5 抗外壓穩(wěn)定計算成果

2.2 橢圓鋼管結(jié)構(gòu)分析

取單位長鋼管按橢圓結(jié)構(gòu)進行分析，對稱結(jié)構(gòu)承受對稱荷載，可取1/4橢圓進行計算，假定管周承受均勻水壓力q(MPa)。

圖1 橢圓對稱荷載水壓力分析

橢圓長軸為a，短軸為b，對稱結(jié)構(gòu)在對稱荷載下反對稱力為零，因此A、B兩處僅存在軸力及變矩，忽略微小影響，可認為兩處彎矩近似相等。

NA=1/2q·b

NB=1/2q·a

M1=NB·(1/2·a)=1/4·q·a2

A點處彎矩平衡：M1+M2+MA+MB=0

其中：M1——NB對A點的彎矩；

M2——均布水壓力對A點的彎矩；

MA——A點彎矩；

MB——B點彎矩。

MA=MB=-1/2(M1+M2)

在內(nèi)水壓力下，鋼管與周邊混凝土間存在縫隙，鋼管會變形趨于圓形，受力結(jié)構(gòu)調(diào)整為圓形結(jié)構(gòu)，滿足設(shè)計要求，鋼管與周邊混凝土間無縫隙，周邊混凝土與鋼管聯(lián)合受力，也能滿足使用要求。因此，對橢圓結(jié)構(gòu)主要進行外水壓力分析。橢圓軸線點彎曲應力計算成果見表6。

表6 橢圓軸線點彎曲應力計算成果

軸線間各點彎矩、應力均小于軸線點處，不再計算。

2.3 數(shù)據(jù)成果分析

從以上兩種方法計算結(jié)果看，采用擬合曲率半徑法計算，半徑增大約20%～30%，在相同內(nèi)、外水壓力下，鋼管應力增加不大，仍基本能滿足規(guī)范要求；按橢圓結(jié)構(gòu)計算，在很小的外水壓力下，薄壁鋼管內(nèi)產(chǎn)生較大彎矩從而產(chǎn)生較大應力，使鋼管失穩(wěn)破壞。

圓形鋼管失圓度過大，將改變原有設(shè)計結(jié)構(gòu)，在均勻水壓力下，圓形為合理曲線，曲線內(nèi)無彎矩，但圓形失圓變?yōu)闄E圓后，在均勻水壓力下在鋼管壁內(nèi)產(chǎn)生彎矩，而薄壁鋼管彎矩抵抗矩很小，在外水壓力下極可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。因此，按橢圓結(jié)構(gòu)進行計算分析更接近鋼管實際受力形態(tài)，所得結(jié)果也更可信。為保證工程的安全運行，必須對失圓段尤其是斜段及下平段鋼管進行處理。

3 處理措施

壓力鋼管失圓主要是因為削弱了鋼管對外水壓力的承載能力，處理措施主要包括降低外水壓力及對變形段鋼管進行加固。

(1)平行壓力鋼管下平段開挖排水洞，降低壓力管道附近地下水位，從而降低外水壓力；

(2)引水洞放空時，注意放水速度并及時補氣，防止在壓力管道內(nèi)形成負壓；

(3)對失圓壓力鋼管段仔細檢查，對鋼襯與混凝土脫空部位進行接觸灌漿，使鋼襯與混凝土結(jié)合良好；

(4)對失圓較大的鋼管段在橢圓軸線處增加錨筋，即在鋼管管壁上開孔，安設(shè)錨筋錨入周邊混凝土內(nèi)，再將錨筋與鋼襯牢固焊接最后修平鋼管內(nèi)表面。