考虑不同壁厚影响的埋藏式压力钢管联合受力分析

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1、考虑不同壁厚影响的埋藏式压力钢管联合受力分析　　【摘要】以某大型水电站工程为背景，基于ANSYS软件建立了引水隧洞压力钢管三维有限元模型。研究多种壁厚情况下对压力钢管联合受力的影响，可得出结论：钢管壁厚的变化对钢管、围岩位移及围岩的应力基本无影响，对钢管的应力影响较大。对于埋藏式压力钢管而言，围岩参与联合承载的作用不能忽视。　　【关键词】埋藏式；压力钢管；壁厚影响；联合受力　　[文章编号]1619-2737（2016）05-18-275　　【Abstract】Inalargehydropowerprojectastheback

2、ground，basedonANSYSsoftwaretobuildathree-dimensionalsteelpressurediversiontunnelfiniteelementmodel.Studyunderavarietyofcircumstancestoawallthicknessofthepenstockaffectedjointforce，itcanbeconcluded：changesinpipewallthicknessofthepipehadnoinfluenceonstress，surrounding

3、rockdisplacementandthesurroundingrock，stresssteelpipegreaterimpact.Forthepenstock，thejointparticipationofsurroundingrockhostingrolecannotbeignored.　　【Keywords】Buried；Penstock；Thicknessinfluences；Jointforce　　1.引言5　　（1）压力管道是从水库或引水道末端的压力前池或调压室，将发电所需用水在有压的状态下引入水轮机的输水管[1

4、]。其布置靠近厂房，同时承受较大的水压力，一旦失事将危及厂房安全，因此其安全性和经济性受到特别的重视[2，3]。压力管道的壁厚是影响工程安全和造价的一个很重要的因素，选择合理的管道壁厚至关重要[4]。不能随意增大管道壁厚，壁厚增大，管系产生的热应力也会增大，反而会增加管系的不安全因素[5]。由于国内使用的管道标准繁多，各种管道壁厚系列和计算、选取方法在被大量使用，在实际设计过程中往往被混淆。在实际工程设计中也往往存在，认为管子越厚越好的错误观念，随意扩大管道壁厚的行为，这样不但使工程建设成本增加，也给管道带来不安全因素。　　（

5、2）本论文选取四个不同的钢管壁厚，通过有限元模型计算钢管的内力和位移，对比分析不同壁厚的经济性和安全性，为工程中钢管壁厚的选取提供借鉴。　　2.数值模型和方案　　某大型水电站的引水发电系统布置在左岸，引水洞沿线均处于微风化～新鲜岩体内。压力钢管位于调压塔以下80m处，主管长度约120m，直径6m；压力钢管最大内水压力约130m，外水压力约50m。正常运行工况为1.30MPa水压力。取50m长的钢管和边长为60米的围岩为研究对象建立有限元模型，模型左右两侧、前后端面以及底部全部采用法向链杆约束，模型顶面取至地表，按自由面考虑。钢

6、管及围岩参数见表1。为研究不同壁厚对围岩及钢管变形和应力的影响，取四种不同管径分别对应一种工况施加相同荷载研究对比分析。各工况所对应壁厚见表2。5　　3.围岩和钢管应力及位移分布分析　　钢管和围岩在工况一情况下的位移及应力云图如图1所示。围岩的沉降位移变形由底部向顶部逐渐递增，顶部位移最大，为0.62mm，左右两侧位移变形呈对称分布。钢管的沉降位移变形规律相似，最大位移变形是0.48mm。围岩在紧贴钢管的上下面出现了应力集中现象，应力最大为2.08MPa；围岩的应力向上、向下逐渐递减，总体上围岩的下部应力比上部大；沿Z轴（管径

7、方向）的应力分布是一致的。钢管的最大应力出现在钢管两端的上下两侧，最大应力为78MPa；管身段应力分布较均匀，应力大约为2.11MPa，钢管左右两侧应力呈对称分布。　　4.围岩和钢管应力及位移特征点分析　　为研究各工况下，壁厚参数的影响，取特征点进行分析，如5图2所示。在围岩与钢管的接触面（中间圆环）上取八个点，标号分别为A～H。图3～5是根据图1绘制的各工况下钢管及围岩位移、应力曲线。可以看出，钢管及围岩在A处的位移最大，在C处的位移最小；图中四条曲线大致重合，因此，钢管壁厚的变化对钢管及围岩位移影响不大，基本无影响。由图4

8、可知：各工况下，钢管都可以正常工作，最大应力没有超过钢管的屈服强度；图中四条曲线的变化趋势基本一致且曲线不重合，而且随着管壁的增厚，钢管的应力逐渐降低，尤其当管壁为10mm时，应力明显增大。由图5可知，围岩在A处、C处应力最大，在B处、D处应力最小；四种工况下围岩的最大应力大