《水电站》 007 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpke..wchc.com/sda
浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz 《水 电 站》 2007年7月
例题 ?某电站明钢管，在3号镇墩与4号镇墩间共8跨，采 用侧支承滚动支墩。支墩间距8.4m,管道轴线倾 角45°，钢管内径1.9m,采用16Mn钢，屈服强度 34.3350kPa。在3号镇墩以下2m处，设有套筒式 伸缩节，填料沿钢管轴线方向长度0.20m。伸缩 节断面包括水击升压在内的设计水头为106.63m。 最下一跨跨中断面最大静水头123.08m,水击压 力36.92m。计及安全系数后的外压力196.2kPa。 要求按正常运行情况（一）和放空情况对最下一跨 进行结构分析并拟定主要结构尺寸。 浙江水专国家精品课程《水电站》http:/jpke..wchc.com/sd血
浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz 例 题 ❖某电站明钢管，在3号镇墩与4号镇墩间共8跨，采 用侧支承滚动支墩。支墩间距8.4m，管道轴线倾 角45º，钢管内径1.9m，采用16Mn钢，屈服强度 34 .3350kPa。在3号镇墩以下2m处，设有套筒式 伸缩节，填料沿钢管轴线方向长度0.20m。伸缩 节断面包括水击升压在内的设计水头为106. 63m。 最下一跨跨中断面最大静水头123.08m，水击压 力36.92m。计及安全系数后的外压力196.2kPa。 要求按正常运行情况(一)和放空情况对最下一跨 进行结构分析并拟定主要结构尺寸
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一、 初定管壁厚度 由内水压力初估管壁厚度，膜应力区允许应力降低 20%,所以：[o=0.8×0.55c =0.8×0.55×343350=151074kPa) 考虑单面对接焊，焊缝系数0=0.90，故 δ=pr/plo] =9.81×(123.08+36.92)×1.9/2×0.9×151074) =0.011(m) 取计算厚度δ=12mm。考虑锈蚀等因素，管壁结构厚度 初定为8=14mm。 可以验证，该厚度满足稳定要求的光面管壁最小厚度。 浙江水专国家精品课程《水电站》htp:pkc.jwchc..com/sdz
浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz 一、初定管壁厚度 由内水压力初估管壁厚度，膜应力区允许应力降低 20%，所以：[σ]=0.8×0.55σs =0.8×0.55×343350=151074(kPa) 考虑单面对接焊，焊缝系数φ=0.90，故 δ=pr0 /φ[σ] =9.81×(123.08+36.92)×1.9/(2×0.9×151074) =0.011(m) 取计算厚度δ= 12mm。考虑锈蚀等因素，管壁结构厚度 初定为δ= 14mm。 可以验证，该厚度满足稳定要求的光面管壁最小厚度
二、核算加劲环设置条件及间距 若不设加劲环，则临界外压力P为： Pc=2E(δ/Do)3=2×2.06×108×(0.012/1.9)3 =103.8kPaP。=196.2(kPa),可见，可以不另设加劲环，以支承环兼作 加劲环。 浙江水专国家精品课程《水电站》http:pkc.wchc.com/sd山
浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz 二、核算加劲环设置条件及间距 若不设加劲环，则临界外压力Pcr为： Pcr=2Es (δ/D0 ) 3=2×2.06×108×(0.012/1.9)3 =103.8kPaP0=196.2(kPa)，可见，可以不另设加劲环，以支承环兼作 加劲环
10 之 3 2 0.5 0.3 0.2 0.05 0.03 0.02 0.01 Vr 0.10.20.30.51.0 235 10203050100 浙江水专国家精品课程《水电站》http:pkc.wchc.com/sdz
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三、钢管受力分析 1.径向力的计算 跨中断面p=-yH=-9.81×160=1569.6kPa 2.法向力的计算 (1)每米长钢管重q、。初估支承环、伸缩节等附属部件重量约 为钢管自身重量的10%，钢材容重=76.5kN/m3,钢管平 均直径D=1.90十0.014=1.914m),则 q,=1.1πD8=1.1×3.14×1.914×0.014×76.5 =7.1kN/m (2)每米长管内水重qm 4m=πr2=3.14×(1.9/2)2X9.81=27.8kN/m (3)每跨管重和水重的法向分力Q.cos=(q、+qw)Lc0s0 =(7.1+27.8)×8.4×c0s45=207.3kN。 浙江水专国家精品课程《水电站》htp:pkc.jwchc..com/sdz
浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz 三、钢管受力分析 1. 径向力的计算 跨中断面p= -γH=-9.81×160=1569.6kPa 2. 法向力的计算 (1) 每米长钢管重qs。初估支承环、伸缩节等附属部件重量约 为钢管自身重量的10%，钢材容重γs=76.5kN/m3，钢管平 均直径D=1.90十0.014=1.914(m)，则 qs=1.1πDδγs=1.1×3.14×1.914×0.014×76.5 =7.1kN/m (2) 每米长管内水重qw qw =πr 2 γ=3.14×(1.9/2)2×9.81=27.8kN/m (3) 每跨管重和水重的法向分力Qncosα= (qs+qw)Lcosα =(7.1+27.8)×8.4×cos45º=207.3kN
3.轴向力的计算 （1)钢管自重的轴向分力A, A=∑qsLsina=7.1×(6×8.4-2)×sin45°=243.0kN (2)伸缩节端部内水压力A。伸缩节内套管外径D,和内径D, 分别取1.928m和1.9m,该截面设计水头106.63m,则： A5=πD12-D22)yH/4=3.14×(1.9282-1.9)×9.81×106.63/4 =88.1kN (3)温度变化时，伸缩节止水填料的摩擦力A。取填料与管 壁的摩擦系数f=0.3,则： A=πD1bfH=3.14×1.928×0.2×0.3×9.81×106.63 =380.2kN 浙江水专国家精品课程《水电站》htpr:pkc.wchc.com/sdz
浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz 3. 轴向力的计算 （1）钢管自重的轴向分力A1 A1=∑qsLsinα=7.1×(6×8.4-2)×sin45º=243.0kN （2）伸缩节端部内水压力A5。伸缩节内套管外径D1和内径D2 分别取1.928m和1.9m，该截面设计水头106.63m，则： A5 =π(D1 2 -D2 2 )γH/4=3.14×(1.9282 -1.92 )×9.81×106.63/4 =88.1kN （3）温度变化时，伸缩节止水填料的摩擦力A6。取填料与管 壁的摩擦系数f1=0.3，则： A6=πD1b1 f1 γH=3.14×1.928×0.2×0.3×9.81×106.63 =380.2kN
(4)温度变化时，支墩对水管的摩擦力A7。共5个支墩，取支 墩与管壁的摩擦系数f为0.1，则 A7f5∑(qs+qw)Lc0s=0.1×5×(7.1+27.8)×8.4 ×c0s45=103.6kN 以上轴向力对计算跨的断面均为压力，故总轴向力 为： ∑A=A1+A5+A6+A7=814.9kN 浙江水专国家精品课程《水电站》http:jpkc.wchc.com/sd
浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz （4）温度变化时，支墩对水管的摩擦力A7。共5个支墩，取支 墩与管壁的摩擦系数f2为0.1，则 A7=f2∑(qs+qw)Lcosα=0.1×5×(7.1+27.8)×8.4 ×cos45º=103.6kN 以上轴向力对计算跨的断面均为压力，故总轴向力 为： ∑A=A1+A5+A6+A7=814.9kN
四、管壁应力分析 1.跨中断面① 正常运行情况计算点选在日=0断面的管壁外缘，此处的等效 应力最大。 ()环向应力σ1 oe1=pr/6=1569.6×0.956/0.012 =125044.8kPa (2)轴向应力σ。由轴向力引起的轴向应力σ1和由法向力引起 的轴向应力o2分别为： ox1=-∑A/2πrδ=814.9/(2×3.14×0.956×0.012) =-11305.4kPa 浙江水专国家精品课程《水电站》http:pkc,wchc.com/sdz
浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz 四、管壁应力分析 1. 跨中断面① 正常运行情况计算点选在θ=0º断面的管壁外缘，此处的等效 应力最大。 (1) 环向应力σθ1。 σθ1= pr/δ=1569.6×0.956/0.012 =125044.8kPa (2) 轴向应力σx。由轴向力引起的轴向应力σx1和由法向力引起 的轴向应力σx2分别为： σx1=-∑A/2πrδ=814.9/(2×3.14×0.956×0.012) = -11305.4kPa