地面式明鋼管溫度作用機(jī)理與取消伸縮節(jié)研究

周 偉，姚 雷

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州450003）

0 引言

伸縮節(jié)是壓力鋼管中為減少或消除由溫度變化或不均勻地基變形所產(chǎn)生的附加應(yīng)力而設(shè)置在兩鎮(zhèn)墩或廠壩之間的構(gòu)件［1，2］，主要包括套筒式伸縮節(jié)和波紋管伸縮節(jié)［3，4］。由于伸縮節(jié)的加工、制造和安裝難度大，造價(jià)昂貴，單價(jià)約為鋼管的4倍，運(yùn)行期的止水問(wèn)題和水頭損失嚴(yán)重等原因［5，6］，極大地限制了其應(yīng)用，近年來(lái)不少專家學(xué)者致力于研究論證取消伸縮節(jié)的可行性，以期避免伸縮節(jié)在運(yùn)行期的位移補(bǔ)償能力差、漏水問(wèn)題嚴(yán)重和維修困難等難題，同時(shí)節(jié)省大量工程投資和維修費(fèi)用，縮短工期提前發(fā)電。吳海林［7］等采用三維有限元分析建立了某大型水電站的有限元整體模型，分析評(píng)價(jià)了地震作用下保留和取消伸縮節(jié)兩種方案的自振特性，過(guò)縫結(jié)構(gòu)的安全性，表明取消伸縮節(jié)情況下管道結(jié)構(gòu)可靠，設(shè)置外包軟墊層可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的伸縮節(jié)。楊經(jīng)會(huì)等［8］采用有限元法，探討了溫度作用下地面式鋼襯鋼筋混凝土管道取消伸縮節(jié)的影響，結(jié)果表明在解決地基不均勻問(wèn)題的基礎(chǔ)上，建議取消伸縮節(jié)。此外取消伸縮節(jié)的管道形式已在國(guó)內(nèi)外水電站工程實(shí)踐中被應(yīng)用［9-11］，前蘇聯(lián)的薩揚(yáng)舒申斯克水電站采用水平錐形補(bǔ)償節(jié)代替了廠壩間的伸縮節(jié)，前蘇聯(lián)的契爾蓋水電站取消了廠壩間的伸縮節(jié)，等待拱壩及廠房段的沉陷量大部分完成以后再把壓力鋼管在分縫處焊接連接起來(lái)，我國(guó)的東江水電站壩后背管斜直段和緊水灘水電站廠壩分縫處均未設(shè)置伸縮節(jié)，運(yùn)行以來(lái)尚未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，可見(jiàn)在壓力鋼管上設(shè)置伸縮節(jié)并不是必需的，采取一定的替代措施取消鋼管上伸縮節(jié)是可行的。

截止到目前為止，對(duì)取消伸縮節(jié)的研究都缺少相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以往的研究多是針對(duì)廠壩過(guò)縫處的伸縮節(jié)取消措施，而對(duì)于明鋼管取消伸縮節(jié)的研究甚少，更未涉及到大口徑明鋼管取消伸縮的研究，因此，研究明鋼管鎮(zhèn)墩間取消伸縮節(jié)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響是適宜的和必要的。地面壓力管道暴露在空氣中很容易受到溫度等復(fù)雜的外界環(huán)境的影響，產(chǎn)生不利于結(jié)構(gòu)的變形，在以往的設(shè)計(jì)研究中，明鋼管所受的溫度作用主要是管道的合攏溫差［12，13］，此時(shí)管道各處的溫度變化是相同的，管道承受均勻的溫度作用，然而管道在實(shí)際運(yùn)行中，日照也會(huì)影響到管道的溫度場(chǎng)，尤其是在緯度較高，日照比較強(qiáng)烈的區(qū)域，管道的陽(yáng)面和陰面的溫差相對(duì)較大。研究表明［14，15］，日照引起的鋼管兩側(cè)不均勻會(huì)使鋼管結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平向彎曲變位，該變位甚至?xí)?dǎo)致鋼管脫離支座，產(chǎn)生落梁破壞，乃至支墩混凝土破壞等情況。明鋼管因日照產(chǎn)生的溫差與管徑相關(guān)，管徑越大，日照溫差越大，因此非均勻溫度場(chǎng)對(duì)大直徑明鋼管的影響更為明顯，不可忽略。

本文基于某水電站大口徑地面式明鋼管工程實(shí)際，建立了進(jìn)水口、上下游鎮(zhèn)墩、支墩、明鋼管和下游廠房的整體三維有限元數(shù)值分析計(jì)算模型，探討了明鋼管在溫度作用下設(shè)置和不設(shè)置伸縮節(jié)的受力特性，論證了大口徑地面式明鋼管取消伸縮節(jié)的可行性，擬定了均勻溫升、均勻溫降，頂?shù)诇夭睿敳扛邷兀笥覝夭睿ㄗ髠?cè)高溫）和左右溫差（右側(cè)高溫）五種方案，系統(tǒng)地研究了溫度場(chǎng)對(duì)地面式明鋼管的受力以及支墩滑移的影響。

1 計(jì)算模型及條件

1.1 計(jì)算模型

某水電站大壩為混凝土面板堆石壩，電站設(shè)5 臺(tái)混流式機(jī)組，總裝機(jī)容量1 285 MW，引水管道采用地面式明鋼管結(jié)構(gòu)形式，每條壓力鋼管長(zhǎng)度約為366.0 m，直徑5.8 m，考慮水擊壓力后鋼管的最大內(nèi)水壓力超過(guò)262 m。明鋼管共設(shè)置16個(gè)滑動(dòng)式支座，支座間距14 m，支座兩支腿采用一側(cè)允許沿管軸向單向滑動(dòng)，一側(cè)可以雙向滑動(dòng)的型式。該水電站進(jìn)水口和鎮(zhèn)墩、支座基礎(chǔ)擬采用C20混凝土，廠房結(jié)構(gòu)采用C30混凝土，鋼管采用P460鋼材，屈服強(qiáng)度460 MPa，抗拉強(qiáng)度550 MPa，線膨脹系數(shù)αs=1.2×10-5/℃?；炷两Y(jié)構(gòu)和地基均采用實(shí)體單元SOLID185 模擬，選用無(wú)質(zhì)量地基。支承環(huán)、加勁環(huán)和鋼管管壁等采用SHELL181 單元。在支座上下滑板之間建立接觸單元模擬滑動(dòng)支座，摩擦系數(shù)取為0.1，在每個(gè)支座右側(cè)滑板設(shè)置水平向耦合約束來(lái)模擬限位措施。伸縮節(jié)采用復(fù)式波紋管形式，采用BEAM4 單元模擬，分別與伸縮節(jié)兩端管殼剛性耦合，梁?jiǎn)卧妮S向剛度等效于波紋管軸向剛度，伸縮節(jié)中間管用PIPE16單元模擬。在地基的上下游斷面、兩側(cè)面施加法向約束、底部邊界施加全約束，其他均為自由面，建立的有限元模型如圖1所示。

1.2 計(jì)算方案

為研究大口徑明鋼管取消伸縮節(jié)的可行性，本文將分別計(jì)算設(shè)置和取消伸縮節(jié)兩種情況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形。同時(shí)為了更好地?cái)⑹鲇?jì)算結(jié)果，選取了若干個(gè)管道特征斷面和上鎮(zhèn)墩進(jìn)行編號(hào)，具體編號(hào)見(jiàn)圖2所示。為深入研究管道在溫度作用下的變形機(jī)理，本文擬定均勻溫升、均勻溫降、頂高底低溫差、左高右低溫差和左低右高溫差5 組計(jì)算方案，如表1所示。參考日本水門(mén)鐵管技術(shù)基準(zhǔn)，鋼管向陽(yáng)側(cè)溫度=4+27/19*環(huán)境溫度，環(huán)境溫度取極端高溫45 ℃時(shí)，則鋼管向陽(yáng)側(cè)溫度為67.9 ℃，兩側(cè)溫差為22.9 ℃。

圖2 不同伸縮節(jié)方案及特征斷面示意圖

表1 計(jì)算方案

2 明鋼管取消伸縮節(jié)研究

2.1 鋼管受力分析

明鋼管受到溫度作用的影響很大，通常管線中設(shè)置伸縮節(jié)以減小或消除壓力鋼管中溫度變位所產(chǎn)生的附加應(yīng)力。為方便對(duì)比設(shè)置和取消伸縮節(jié)方案下鋼管應(yīng)力的分布規(guī)律，選取了圖2所示的特征斷面和特征點(diǎn)的Mises應(yīng)力值進(jìn)行分析。

分析鋼管軸向應(yīng)力圖3可知，無(wú)論是溫升還是溫降工況，由于伸縮節(jié)的存在，允許鋼管有較大程度的軸向變形，對(duì)減少管道軸向溫度應(yīng)力起到了明顯作用。在設(shè)置伸縮節(jié)的情況下，溫升情況A-1方案上平段（特征斷面編號(hào)1～4）主要受進(jìn)水口推力和泊松效應(yīng)影響，鋼管軸向主要以受壓為主，但壓應(yīng)力很??；斜直段（特征斷面編號(hào)5～19）主要受重力、泊松效應(yīng)影響，軸向主要以受壓為主。當(dāng)取消伸縮節(jié)后，B-1 方案管線由于溫升產(chǎn)生了明顯的軸向壓應(yīng)力，且上平段進(jìn)水口上游水推力的作用增強(qiáng)，上平段和斜直段鋼管的軸向壓應(yīng)力有較大幅度增加。設(shè)置伸縮節(jié)時(shí)，溫降情況A-2 方案和溫升情況A-1 方案鋼管軸向應(yīng)力差別并不大，取消伸縮節(jié)B-2 方案，溫降作用在管線中引起了較大軸向拉應(yīng)力，與不設(shè)置伸縮節(jié)情況A-2 方案相比，軸向拉應(yīng)力大幅增加。

圖3 鋼管軸向應(yīng)力（單位：MPa）

分析鋼管Mises 應(yīng)力圖4 可知，在取消伸縮節(jié)情況下，溫升情況時(shí)，鋼管軸向有較大壓力，鋼管Mises 應(yīng)力與伸縮節(jié)方案相比，數(shù)值略大或差別不大；在溫降情況下，鋼管軸向拉應(yīng)力比伸縮節(jié)方案明顯增大，鋼管Mises 應(yīng)力比伸縮節(jié)方案小。各方案整體呈現(xiàn)隨著水壓力增大鋼管Mises 應(yīng)力不斷增大的趨勢(shì)。無(wú)論是何種方案，在溫升和溫降作用下，鋼管Mises 應(yīng)力值均小于鋼材允許應(yīng)力值，在不考慮失穩(wěn)情況下可認(rèn)為結(jié)構(gòu)安全可靠，從鋼管受力角度出發(fā)認(rèn)為取消伸縮節(jié)是可行的。

圖4 鋼管Mises應(yīng)力（單位：MPa）

2.2 支座滑移分析

在結(jié)構(gòu)自重及內(nèi)水壓力作用下，管道結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為豎直向下沉降和向下游變形。在內(nèi)水壓力和溫度作用下，鋼管變形主要表現(xiàn)為沿徑向向外膨脹和軸向變位。在各類荷載綜合作用下，鋼管沿支座也產(chǎn)生了一定的滑移，支座上下滑板的相對(duì)滑動(dòng)位移見(jiàn)圖5，表中L（Left）表示支座的左側(cè)支腿，R（Right）表示右側(cè)支腿（面向下游）。約定支座位移和作用力的提取基于局部坐標(biāo)進(jìn)行，局部坐標(biāo)系X軸與管軸向一致且指向下游為正，Z軸與整體笛卡爾坐標(biāo)系中Z軸一致，Y軸垂直于支座滑板指向外側(cè)為正。

分析圖5 可知，除伸縮節(jié)附近支座由于管道約束較弱而具有較大滑移外，不同方案下支座側(cè)向（Z向）滑動(dòng)距離差異不大，是否設(shè)置伸縮節(jié)對(duì)支承環(huán)側(cè)向相對(duì)滑移的影響并不明顯。而順?biāo)飨蚧疲╔向）受伸縮節(jié)設(shè)置和溫度場(chǎng)作用影響明顯，對(duì)方案A-1和A-2，由于鋼管設(shè)置了伸縮節(jié)，在溫度作用下鋼管沿管軸線產(chǎn)生了明顯的滑動(dòng)，越靠近伸縮節(jié)滑移量越大，在伸縮節(jié)下游側(cè)第一個(gè)支座位移最大。方案B-1和B-2由于鋼管未設(shè)置伸縮節(jié)，進(jìn)水口和上鎮(zhèn)墩限制了管道的軸向變位故上平段表現(xiàn)為X向的微小滑動(dòng)，斜直段在靠近上下鎮(zhèn)墩約束較強(qiáng)的區(qū)域，支座上下滑板相對(duì)位移較小。取消伸縮節(jié)可以有效的減少支座沿軸向的相對(duì)滑移，因此從該角度出發(fā)取消伸縮節(jié)對(duì)工程是有利的。

圖5 各方案支座滑板相對(duì)滑移圖（單位：mm）

3 明鋼管溫度作用機(jī)理研究

從以上的分析可知，該工程取消伸縮節(jié)方案是基本可行的，然而結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行中并不是始終處在均勻的溫度場(chǎng)下，當(dāng)管道放空時(shí)由于日照的影響，管道向陽(yáng)面和陰面將產(chǎn)生溫差。為進(jìn)一步探究取消伸縮節(jié)方案整體結(jié)構(gòu)在不同溫度場(chǎng)下的受力變形情況，本文擬定了頂?shù)诇夭睿敳扛邷兀⒆蟾哂业蜏夭詈妥蟮陀腋邷夭钊N方案進(jìn)一步進(jìn)行明鋼管的溫度作用機(jī)理研究。

3.1 溫度作用下鋼管受力分析

在管道放空時(shí)，考慮溫度梯度情況下，鋼管各部位的Mises應(yīng)力最大值整理結(jié)果見(jiàn)圖6所示。鋼管在不均勻溫度情況下，由于沒(méi)有內(nèi)水壓力作用，管道Mises 應(yīng)力水平不高，小于允許應(yīng)力值。但不均勻溫度作用使得管道相對(duì)于均勻溫度作用在軸向方向產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力值，壓應(yīng)力整體在100 MPa左右，雖小于管道軸向受壓局部屈曲允許壓應(yīng)力119.8 MPa，但裕度不大，因此不均勻溫度作用使得管道偏不安全，在以后的分析中應(yīng)將溫度的不均勻性考慮進(jìn)來(lái)。同時(shí)對(duì)于取消伸縮節(jié)的明鋼管，除了校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之外，還需要關(guān)注管道的軸向穩(wěn)定問(wèn)題。

圖6 管道各部位最大Mises應(yīng)力（單位：MPa）

圖7 管道各部位最大軸向應(yīng)力（單位：MPa）

3.2 溫度作用下支座滑移分析

在不同的溫度場(chǎng)作用下，支座Y向滑移均為很小的正值，鋼管具有往上拱的趨勢(shì)，也即存在鋼管與支承環(huán)與底板分離的趨勢(shì)。各支座水流向和側(cè)向相對(duì)滑移如圖8所示。在頂部高溫、左高右低、左低右高兩側(cè)溫度梯度作用下，鋼管變形主要表現(xiàn)為沿管軸線膨脹，因此在X向和Z向均有較大的位移。在鋼管兩側(cè)溫差等荷載的作用下，管道中部具有左側(cè)（面向下游）偏移的趨勢(shì)，表現(xiàn)為支座左支腿Z向的負(fù)向滑移更大，但由于右側(cè)支腿被約束，即使存在較大的兩側(cè)溫差，管道側(cè)向位移并不大，不會(huì)出現(xiàn)鋼管支撐環(huán)從支座底板脫落的危險(xiǎn)。可見(jiàn)不同溫度場(chǎng)作用下，對(duì)支座的滑移影響較大，使得支座處于更不利的狀態(tài)下，因此在進(jìn)行鋼管的分析校核時(shí)，應(yīng)考慮非均勻溫度的影響。

圖8 不同溫度作用下各支座相對(duì)滑移（單位：mm）

4 結(jié)論

本文基于某工程大口徑地面式明鋼管，研究鋼管結(jié)構(gòu)在不同溫度場(chǎng)作用下的受力變形規(guī)律，同時(shí)論證了地面式明鋼管取消伸縮節(jié)的可行性，可以得出以下結(jié)論。

（1）從鋼管受力、鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定和支座滑動(dòng)角度分析，在取消伸縮節(jié)后，在不同溫度作用下，鋼管的Mises 應(yīng)力比設(shè)置伸縮節(jié)時(shí)有增有減。取消伸縮節(jié)后，鋼管軸向約束增強(qiáng)，鋼管軸向滑移減小，對(duì)支座受力和設(shè)計(jì)有利。在設(shè)計(jì)合理的條件下，地面式明鋼管也是可以取消伸縮節(jié)的。

（2）取消伸縮節(jié)后，溫度作用對(duì)管道結(jié)構(gòu)的影響不容忽視，鋼管軸向溫度壓應(yīng)力將有大幅增大。尤其是鋼管放空時(shí)非均勻溫度作用對(duì)管道軸向應(yīng)力的影響更大，鋼管局部區(qū)域最大軸向壓應(yīng)力已經(jīng)逼近鋼管軸向受壓屈曲穩(wěn)定的允許壓應(yīng)力。因此對(duì)于取消伸縮節(jié)的明鋼管，除了關(guān)注其強(qiáng)度之外，鋼管軸向受壓屈曲穩(wěn)定問(wèn)題也不容忽視。

（3）目前關(guān)于地面式明鋼管取消伸縮節(jié)的研究尚少，鋼管軸向受壓屈曲穩(wěn)定的研究也很少，其分析方法還不夠成熟，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中若有需要取消伸縮節(jié)，應(yīng)進(jìn)行深入研究?！?/p>