贴边岔管设计探究范文

《西北水电杂志》2015年第二期

1.贴边岔管结构分析计算方法

1.1圆环法圆环法也是中、小型贴边岔管设计中一种应用较广的方法，其计算简图如下图所示。圆环法计算原则是把补强板当作一圆环加劲结构，竖向荷载pr为主管坡口处的不平衡力，横向荷载则为主管管壁对补强板变形产生的约束力。在确定管壁破口处应力时，需要先明确管壁破口处最大弯矩和最大拉力。管壁破口处最大弯矩和最大应力可依据下列公式计算。用圆环法计算时，补强板尺寸采用经面积补偿法计算后确定的补强板尺寸。即补强板宽为300mm，补强板厚与主管壁厚一致，均为26mm，补强板材质与主管同。经计算，补强后管壁破口处的最大应力为172.2MPa，小于钢材极限抗力限值187.5MPa，说明初步拟定的补强板尺寸是比较合理的。

1.2人孔补强法为了便于对压力钢管进行检修及维护，在较长的压力钢管上经常会留有进人孔。在进人孔颈管与主管衔接处，也会在主管破口处采用补强板进行补强。人孔补强法主要是参照钢管进人孔设计方法，人孔补强法适用于下列条件的孔口。（1）钢管内径D1500mm，开孔允许的最大直径d为：d1/2D；同时d不允许超过500mm。（2）钢管内径D>1500mm时，开孔允许的最大直径d为：d1/3D；同时d不允许超过1000mm。本文所例水电站主管内径D=6200mm，开孔处直径d=400mm，d1/3D，进水管轴线与钢管主管轴线垂直，也可用进人孔设计方法进行计算。补强板焊接在孔周管壳外缘，板面弯曲，曲率同钢管外壳，内缘与颈管外壁焊接。当补强板采用厚度与管壁相同时补强板外径2D由下式决定。其余符号意义同前式。取补强板壁厚和主管壁厚一致均为26mm，经计算，补强板外径2D约为677mm，小于用面积补偿法和圆环法计算确定的补强板外径2D（1000mm）。所以，补强板尺寸最终同面积补偿法和圆环法计算确定补强板尺寸。经计算，上面（9）式不等式左边数值为16061，右边数值为10608，左边大于右边，满足不等式。可见补强板尺寸选取是合适的。

2.有限元计算

针对上述结构分析法确定的补强板厚度及宽度，用有限元进行复核验算。计算模型长度为主管直径的1.5倍（以岔管中心为起点向上游或者向下游计算），边界条件采用全约束（即水平竖向位移和转角），网格划分采用四边形结构化网格，为提高计算精度，在岔管补强处对网格进行了局部加密。计算模型网格划分及应力云图如图3、图4所示。从应力云图知，岔管贴边补强处最大主应力为169.1MPa，小于钢材极限抗力限值187.5MPa，说明通过结构析方法所选取的补强板厚度和宽度是合适的。

3.结语

在我国已建水电站中，岔管使用贴边岔管的水电站较多，但有关贴边岔管设计计算方法的文章却较少，尤其是不需要应用有限元法计算的有关中、小型贴边岔管设计计算方法的文章更少。本文结合具体工程实例，针对中、小型贴边岔管设计，采用多种结构分析方法进行对比计算，得出以下结论：（1）目前，针对中、小型工程，我国《水电站压力钢管设计规范》主要介绍了面积补偿法和圆环法两种贴边岔管结构分析计算方法，本文参考压力钢管进人孔设计方法，介绍了人孔补强法计算方法。（2）本文所例工程贴边岔主管直径D=6.2m，取水管直径d=0.4m，岔管处设计水头为120m（含水击压力）。由于该取水管垂直于主管布置，分岔角为90°。主管、取水管管材及补强板板材均为Q345R钢，主管管壁厚度t=26mm，支管管壁厚度2t=8mm。经计算，补强板厚度与主管管壁厚度相同，即tt1=26mm，补强板宽为300mm。（3）从以上几种结构分析计算方法计算结果和有限元计算结果可以看出，在取上述补强板宽度和厚度的情况下，主管破口处应力、贴边外缘最大主应力、主管膜应力、贴边补强处最大主应力均接近但小于钢材极限抗力值，说明通过结构分析法确定的补强板结构尺寸取值是比较合理的。（4）对中、小型工程，在设计贴边岔管时，采用结构分析法确定补强板的厚度及宽度是可行的。

作者：吴均单位：新疆水利水电勘测设计研究院