作用在明钢管上的力

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1、第四节作用在明钢管上的力一、力和荷载种类(一)力1.内水压力：(1)(1)正常蓄水位的静水压力；(2)(2)正常工作情况最高压力(正常蓄水位，丢弃全负荷)；(3)(3)特殊工作情况最高压力(最高发电水位，丢弃全负荷)；(4)(4)水压试验内水压力；2.钢管结构自重；3.钢管内的满水重；4.钢管充水，放水过程中，管内部分水重；5.由温度变化引起的力，对分段敷设的明钢管，即伸缩节和支墩的摩檫力；6.管道直径变化处，转弯处及作用在闷头，闸阀，伸缩节上的水压力；7.镇墩、支墩不均匀沉陷引起的力；8.风荷载；9.雪荷载；10.施工荷载；11.地震荷载；12.管道放空

2、时通气设备造成的气压差；要注意荷载的作用方向及作用的时间，在某些情况下有的荷载不可能出现。(二)荷载种类按力的作用方向可以将上述作用力归纳为轴向力、径向力和法向力。1.轴向力：水重+管重的轴向分力，摩擦力，管径变化处、转弯处、闷头、阀门、伸缩节上的水压力。2.径向力：内水压力3.法向力：水重+管重的法向分力第五节明钢管的结构分析一、钢管管壁厚度估算在进行钢管应力分析时，需要先设定管壁厚度。由于内水压力在管壁上产生的环叫应力是其主要应力。因此用锅炉公式来初拟管壁厚度，以钢材的允许应力［＜q代替oS=_PD_=JHD_根据规范要求，焊缝系数0—般取为0.9〜0

3、.95,允汴应力取钢管紂料允许应力的75%〜85%。考虑钢管运行期间的锈蚀、磨损及钢板厚度误差，6辦=6+2mm(锈蚀厚度)；在实际工程中，考虑到制造、运输、安装等条件，必须保持一定的刚度，因而需要限制管壁的最小厚度一般取为D/800+4(mm),且不宜小于6nun二、管身的应力分析⑵钢管支承在一系列支墩的直线管段在法向力的作用下，相当于一根连续梁。支墩处设有支承环，由于抗外压需要，支承环之间有时还加有刚性环(加劲环)。一般情况下，最后一跨的应力最大。根据受力特点常选四个断面进行应力分析。(1)(1)跨中断面1一1:只有弯距作用，且弯距最大，无局部应力一一

4、受力最简单；(2)(2)支承环旁管壁膜应力区边缘，断面2—2:弯距和剪力共同作用，均按®大值汁算，无局部应力一一受力比较简单；(3)(3)加劲环及其旁管壁，断面3—3:由于加劲环的约束，存在局部应力；(4)(4)支承环及其旁管壁，断面4一4:应力最复杂，存在弯距和剪力(支承反力)的作用，有局部应力.分析方法：结构力学法。坐标：轴向X、径向r、环向e(一)跨中段面(1)-(1)的管壁应力跨中段面属于膜应力IX:，其特点是弯矩最大，剪力为零么=-卢，<7=0“-”表示压应力1.径向应力A管壁内表面：管壁外表面：由于径向应力的数值比较小，所以应力il•算中可以忽

5、略2.切向(环向)应力设压力水管中心处的水头为H，而水管轴线与水平面的夹角为〃，则在管壁中任意一点(该点半径与管顶半径的夹角为幻的水头为H-rcosacos<9。推导出管壁中的切向拉力r和切向应力为：T=-rcosacos3)管顶尸：rcosa)管底P•:r(W+rcos►管壁上内水压力的分布管壁微圆弧的受力平衡式中P——内水压强；一一管壁计算厚度；H计算水头；<7—一管轴线倾角；〃一一管壁中任意一点半径与管顶半径的夹角；r一一水管半径。1.轴向应力0轴向应力5，=法向力引起的轴向弯曲应力~+轴向作用力引起的轴向应力f，2(1)(1)法向力作用引起的

6、管壁轴向应力将水重和管重的法向分力视为均布荷载，则钢管的受力与多跨连续梁类似，其变形以弯曲为主，并在管壁上产生弯曲正应力与剪应力。在相邻两镇墩之间的压力钢管放置于支墩之上，支壞相当于连续梁的中间辊轴支座，最T端的镇墩相当于固定端，上端伸缩节处可近似认为是自由端。法向力引起的弯矩和剪力在均布荷载作用下，连续梁的弯矩和剪力如图所示，二者的正负最大伉近似认为相等其值己在图屮标示出来。这样管壁横断而上任意一点的轴向应力为°x-M_~WKT18式中M一一水重和管重的法向分力作用下连续梁的弯矩，正负号和大小如图所示W连续梁（空心圆环）的断面模数，W=如果同时计入地震

7、作用，则轴向应力为1式中Me-7ir^8{-Mcos3+Mesin3)M•地震力作用下连续梁的弯矩，'COS6ZKn~一水平地震荷载系数。（2）轴向力引起的轴向应力0^在轴向力的合力ZVU乍用下，管壁中产生的轴向应力为6^2,管壁的断而积为F，贝IJ:7iD8F=ttDS“-”表示压应力。一般情况下，TA为压力，即6^2为压应力，£＞为管道直径4.剪应力由于跨中断面的剪力为0,所以该断面的&〃=0。跨中断面应力：径向应力久、切向（环向）应力么、轴向应力axl+ax2（二）支承环旁管壁膜应力区边缘（2）-（2）断面的管壁应力（2）-（2）断面虽然靠近支承环，

8、但在支承环的影响范围之外，即不考虑支承环对管壁的约束作用。为了安全