【正文】 翼緣寬度的倒數(shù)，即： 根據(jù)連續(xù)條件，將式(8－11)、(8－12)、(8－14)代入，得 (815)再將代入上式，化簡后得 (816)代入式(8－13)得 (817) (818)式中 F——加勁環(huán)有效截面積，包括管壁的等效翼緣。(2) 求Δ1。(1) 求Δ2。設(shè)想將加勁環(huán)與管壁切開，根據(jù)變形相容條件可以證明，在切口處存在著均布的徑向彎矩M和剪力V，如圖8－21(b)所示。由彈性理論分析可得 (810)式中 μ——鋼材的泊松比。(三) 加勁環(huán)及其旁管壁，斷面(3)(3)的管壁應(yīng)力1．軸向應(yīng)力σx3。(管道底部)時，=0；當θ=90176。對于連續(xù)梁，跨中斷面和支承環(huán)斷面的管道彎矩，方向相反，顧可用式(97)計算彎曲應(yīng)力。一般情況下，∑A為壓力，即為壓應(yīng)力，D為管道直徑。在均布荷載作用下，三跨連續(xù)梁的彎矩和剪力見圖819，其他情況用結(jié)構(gòu)力學方法求出，或查規(guī)范計算。圖817 管壁上內(nèi)水壓力的分布 圖818 管壁微圓弧的受力平衡3．軸向應(yīng)力跨中段面的軸向應(yīng)力由兩部分組成，即法向力引起的軸向彎曲應(yīng)力和軸向作用力引起的軸向應(yīng)力。由于徑向應(yīng)力的數(shù)值比較小，所以應(yīng)力計算中可以忽略。(一) 跨中段面(1)(1)的管壁應(yīng)力跨中段面屬于膜應(yīng)力區(qū)，其特點是彎矩最大，剪力為零。在管重和水重作用下，鋼管相當于一根連續(xù)梁；在軸向力作用下鋼管可用軸向受壓構(gòu)件計算；徑向力作用只會引起鋼管的環(huán)向變形。δmin一般取為D/800+4(mm)，且不宜小于6 mm。取單位長度承受較高水頭的壓力鋼管，將其沿水平直徑切開，由力的平衡條件可以得出管壁中的環(huán)向拉應(yīng)力： (83)以鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力限值代替，并考慮焊縫的強度降低，引入焊縫系數(shù)φ，整理得： (84)上面二式中： P —— 內(nèi)水壓力；D —— 鋼管直徑；δ —— 管壁厚度；γ —— 水的比重；H —— 鋼管內(nèi)的水頭。2．“順”和“逆”分別表示發(fā)電工況順水流方向和逆水流方向。圖814 進人孔1孔蓋； 2墊圈； 3螺栓； 4接管第五節(jié) 作用在鋼管上的荷載及其組合一、荷載計算按荷載的作用方向可以將其分為軸向力、徑向力和法向力。旁通閥設(shè)在水輪機進水閥門處，與閘門處的旁通管作用相同，使閥門前后平壓后開啟，以減小啟閉力。進人孔間距一般為150m，不宜超過300m。通氣閥常布置在閥門之后。對伸縮界的基本要求是：能隨溫度變化自由伸縮，能適應(yīng)鎮(zhèn)墩和支墩的基礎(chǔ)變形而產(chǎn)生的線變位和角變位，并留有足夠余度。適于作高水頭電站的水輪機前閥門。(3) 球閥。這種閥門啟閉力小，操作方便迅速，體積小，重量輕，造價較低；但在開啟狀態(tài)時由于閥門板對水流的擾動，造成附加水頭損失和閥門內(nèi)汽蝕現(xiàn)象；在關(guān)閉狀態(tài)時，止水不嚴密，不能部分開啟。如圖9－11所示，蝴蝶閥由閥殼和閥體組成。平板閥由框架和板面構(gòu)成，閥體在門槽中的滑動方式與一般的平板閘門相似，如圖9－10所示。壩內(nèi)埋管長度較小，只須在進口處設(shè)置閘門，不設(shè)下閥門。平板閘門價格便宜，構(gòu)造簡單，便于制造，常以此代替閥門。短柱下端與支承板鉸接，上端以圓弧面與支承環(huán)的承板接觸。2．滾動支墩。這種支墩結(jié)構(gòu)簡單，但管身受力不均勻，摩擦力大。鋼管發(fā)生軸向伸縮時，沿支座頂面滑動。這種鎮(zhèn)墩在我國很少采用。鎮(zhèn)墩表層需布置溫度筋，鋼管周圍設(shè)置環(huán)向筋和一定數(shù)量錨筋。鎮(zhèn)墩一般由混凝土澆制而成，混凝土強度等級一般不低于C15。靠近伸縮節(jié)的一跨，支墩間距可縮短一些。第四節(jié) 敷設(shè)方式及附件一、明鋼管的敷設(shè)方式和支承方式由于明鋼管一般長度都很大，所以常分段敷設(shè)，即在直線段每隔120~150m或在鋼管軸線轉(zhuǎn)彎處(包括平面轉(zhuǎn)彎和立面轉(zhuǎn)彎)設(shè)置鎮(zhèn)墩，以固定鋼管，防止鋼管發(fā)生位移。(1) 縱縫：焊縫交錯排列，避開兩個中心軸(2) 相鄰管壁厚度差≯2mm，內(nèi)部光滑，外部成臺階狀。 國內(nèi)：D≤60cm；國外：D≤120cm。加工性能輥軋、冷彎、焊接、切割，要求焊接性能好，冷加工的塑性變形小，加工后無殘余應(yīng)力，焊縫和熱影響區(qū)不產(chǎn)生裂紋。A3鋼機械性能適用于壓力管道，但容許應(yīng)力低。支座支承板可采用與管材、支承環(huán)相同的材料。鋼管主要受力構(gòu)件(包括管壁、支承環(huán)、岔管加強構(gòu)件等)可采用下列鋼種：Q235—C、D級碳素結(jié)構(gòu)鋼，Q345—C、D級及Q390—C、D級低合金結(jié)構(gòu)鋼；20R、16MnR、15MnNbR、15MnVR等壓力容器鋼；07MnCrMoVR、07MnNiCrMoVDR等高強度壓力容器鋼。在可行性研究和初步設(shè)計階段，也可以用下面的經(jīng)驗公式法或經(jīng)濟流速方法確定壓力鋼管的直徑。因此，管道直徑的確定不僅是一個技術(shù)問題，還是一個經(jīng)濟問題，應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟比較確定。進水口應(yīng)選擇在相對優(yōu)良的地段。沿管線一般要設(shè)置交通道路，并有照明設(shè)施。(3) 盡量減小管道線路的上下起伏和波折，避免出現(xiàn)負壓；如果需要在平面上轉(zhuǎn)彎時，轉(zhuǎn)彎半徑可采用2~3倍管道直徑D；盡量避免與其它管道或交通道路交叉。因此，地面壓力管道一般敷設(shè)在陡峻的山脊上。如圖83(e)，其管道的軸線與電站廠房的縱軸線斜交。2. 縱向引近：如圖83(c)和(d)，管道的軸線與電站廠房的縱軸線平行。二、明管布置管道與主廠房的關(guān)系主要取決于整個廠區(qū)樞紐布置中各建筑物的布置情況，常采用的明鋼管引近廠房的方式有三種：1. 正向引近。即設(shè)多根主管，每根主管向數(shù)臺機組供水，在進入機組前的每根支管上設(shè)快速閥門，如圖82(c)。其特點是單管規(guī)模大，分岔管多，容易布置，但造價較低，此外一旦主管道檢修或發(fā)生事故，需全廠停機。另外，單元供水的管道易于制作，無岔管，但管道在平面上所占尺寸大，造價高。第二節(jié) 壓力管道的線路選擇及尺寸擬定一、供水方式壓力管道向多臺機組供水的方式有三種，即單元供水、聯(lián)合供水、分組供水。在內(nèi)水壓力作用下，剛襯與鋼筋混凝土聯(lián)合受力，從而可以減小鋼板的厚度，適用于HD較高的情況。(二) 鋼筋混凝土管鋼筋混凝土管具有造價低、剛度較大、經(jīng)久耐用等優(yōu)點，通常用于內(nèi)壓不高的中小型水電站。(3) 箍管。其直徑較小，適用于高水頭小流量的情況。二、分類壓力管道可按照布置型式和所用的材料分類，見表81。所以壓力管道具有特殊的重要性，對其材料、設(shè)計方法和加工工藝等都有特殊要求。其特點是集中了水電站大部分或全部的水頭，另外坡度較陡，內(nèi)水壓力大，還承受動水壓力的沖擊(水錘壓力)，且靠近廠房，一旦破壞會嚴重威脅廠房的安全。HD值最高的常見于抽水蓄能電站，已超過5 000m2。 圖81 焊縫布置圖(一) 鋼管鋼管按其自身的結(jié)構(gòu)又可分為：(1) 無縫鋼管。焊接鋼管由彎成圓弧形的鋼板焊接而成，焊縫結(jié)構(gòu)如圖81所示，一般相鄰兩節(jié)管道的縱縫應(yīng)錯開一定角度，以避免焊縫薄弱點在同一直線上。鋼管所使用的鋼材應(yīng)根據(jù)鋼管結(jié)構(gòu)型式、鋼管規(guī)模、使用溫度、鋼材性能、制作安裝工藝要求以及經(jīng)濟合理等因素參照設(shè)計規(guī)范選定。(三) 鋼襯鋼筋混凝土管鋼襯鋼筋混凝土管是在鋼筋混凝土管內(nèi)襯鋼板。這些類型的管道目前在大中型水電站中較少采用，但在小型水電站中有時還能見到。其特點是：結(jié)構(gòu)簡單(無岔管)，工作可靠，靈活性好，當某根管道檢修或發(fā)生事故時，只影響一臺機組工作，其它機組照常工作。即一根主管向多臺機組供水，在廠房前分岔，在進入機組前的每根支管上設(shè)快速閥門，如圖82(b)。3. 分組供水(多管多機)。圖82 壓力水管的供水方式(a) 單元供水 (b) 聯(lián)合供水 (c) 分組供水o—有時可以不設(shè)的閥門； —必須設(shè)置的閥門或閘門鋼管首部的快速閘門(閥)和事故閘門(閥)必須在中央控制室和現(xiàn)場設(shè)置操作裝置，并要求有可靠的電源為其供電。適用于中、低水頭電站。3. 斜向引近。明鋼管線路選擇的一般原則為：(1) 管道路線應(yīng)盡可能短而直，以降低造價，減少水頭損失，降低水錘壓力，改善機組運行條件。如果無法滿足要求，要有切實可行的防護措施，若不能避開村鎮(zhèn)居民區(qū)，要考慮工程對環(huán)境的影響。與水渠、道路、輸電線、通信線路等交叉時，要設(shè)置必要的交叉建筑物和防護設(shè)施。埋管軸線要盡量與巖層構(gòu)造面垂直，并避開活動斷層、滑坡、地下水壓力和勇水量很大的地帶，以避免鋼襯在外水壓力作用下失穩(wěn)，同時應(yīng)注意施工的便利。管道的直徑越小，管道的用材和造價越低，但管道中的流速也就越高，水頭損失和發(fā)電量損失也越大。通?？梢愿鶕?jù)已有工程經(jīng)驗和計算公式確定幾種直徑，再分別進行造價和電量計算，再考慮技術(shù)方面的因素后，選擇最優(yōu)直徑。選定經(jīng)濟流速Ve后，根據(jù)水管引用流量Q用下面的公式確定管道直徑： (82)第三節(jié) 明鋼管的鋼管的材料和管身構(gòu)造一、鋼管的材料鋼管所用鋼材應(yīng)根據(jù)鋼管結(jié)構(gòu)型式、鋼管規(guī)模、使用溫度、鋼材性能、制作安裝工藝要求以及經(jīng)濟合理等因素選定。明管支座輥輪可采用下列鋼種：Q235—A、B、C級鋼；Q345—A、B、C級鋼；345優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼；ZG230450、ZG270500、ZG310570等鑄件。要求強度高、塑性好(沖擊、低溫、加工)可焊性能好。若采用高強鋼，要有充分的論證。表82 鋼材的允許應(yīng)力應(yīng)力區(qū)域膜應(yīng)力區(qū)局部應(yīng)力區(qū)荷載組合基本特殊基本特殊產(chǎn)生應(yīng)力的內(nèi)力軸力軸力軸力和彎矩軸力軸力和彎矩允許應(yīng)力明鋼管地下埋管壩內(nèi)埋管按明管校核情況四、管身構(gòu)造無縫鋼管：無縱縫，橫縫用焊接、法蘭連接成整體，強度高，造價高，施工困難。適用于各種直徑、水頭，造成價低。加防銹厚度2mm。鎮(zhèn)墩之間的管段用一系列等間距的支墩支承，支墩的間距由鋼管應(yīng)力分析，并考慮鋼管的安裝條件、地基條件和支墩型式，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較確定。圖84 明鋼管的敷設(shè)(一) 鎮(zhèn)墩鎮(zhèn)墩的作用是靠本身的重量固定鋼管，承受因水管改變方向而產(chǎn)生的軸向不平衡力，防止水管產(chǎn)生位移。1．封閉式：如圖85所示，鋼管被埋在封閉的混凝土體中。鎮(zhèn)墩處的管壁受力不均勻，錨環(huán)施工復(fù)雜，其優(yōu)點是便于檢查維修。按支墩上的支座與管身相對位移的特征，有以下幾種型式： 圖85 封閉式鎮(zhèn)墩 圖86 開敞式鎮(zhèn)墩1．滑動支墩。為了減少管壁與支座之間的摩擦力，在支座上鋪設(shè)鋼板并在接觸面上加潤滑劑。適用于管徑1～3m的鋼管。如圖89所示，在支承環(huán)與支承面之間設(shè)置一擺動短柱。圖87滑動式支墩(a) 鞍式； (b) 支承環(huán)式圖88滾動式支墩 圖89擺動式支墩二、鋼管上的閘門和附件(一) 閘門及閥門在壓力水管的進口處一般都設(shè)置平板閘門，以便在壓力管道發(fā)生事故或檢修時用以切斷水流。在分組供水和聯(lián)合供水時，為避免一臺機組檢修影響其他機組的正常運行，或在調(diào)速器、導(dǎo)水葉發(fā)生故障時緊急切斷水流，防止機組產(chǎn)生飛逸，在每臺機組前都應(yīng)設(shè)置閥門，通常稱為下閥門。(1) 平板閥。(2) 蝴蝶閥。蝴蝶閥的操作有電動和液壓兩種，前者用于小型，后者用于大型。蝴蝶閥可在動水中關(guān)閉，但必須用旁通管平壓后在靜水中開啟。球閥的優(yōu)點是在開啟狀態(tài)時實際上沒有水頭損失，止水嚴密，結(jié)構(gòu)上能承受高壓；缺點是尺寸和重量大，造價高。露天式壓力鋼管受到溫度變化或水溫變化的影響時，為了使管身能沿軸線自由伸縮，以消除溫度應(yīng)力，且適應(yīng)少量的不均勻沉陷，常在上鎮(zhèn)墩的下游側(cè)設(shè)置伸縮節(jié)。(a)(b) (c)(d)圖9－13 伸縮節(jié)(a)套筒式伸縮節(jié) (b)壓蓋式限拉伸縮節(jié) (c)波紋管伸縮節(jié) (d)波紋密封套筒式伸縮節(jié)(2) 通氣閥。為了檢修方便，在鋼管鎮(zhèn)墩的上游側(cè)通常設(shè)置進人孔。(4) 旁通閥。嚴寒地區(qū)的明鋼管，應(yīng)有防止鋼管本身及其附件結(jié)冰的保溫措施。表83 明鋼管荷載計算公式序號作用力方向作 用 力 名 稱計 算 公 式指向受力部位上段下段管壁支墩鎮(zhèn)墩徑向內(nèi)水壓力強度P√√垂直管軸鋼管自重的分力Qs√√√管內(nèi)水重的分力Qw√√√平行管軸鋼管自重的分力A1順順√√關(guān)閉的閥門及悶頭上的力A2順或逆順或逆√√漸縮管上的內(nèi)水壓力A3順順√√伸縮節(jié)端部的內(nèi)水壓力A4順逆√√彎管上內(nèi)水壓力的分力A5順逆√√彎管上水流離心力的分力A6順逆√√溫度作用溫變時伸縮節(jié)止水填料的摩擦力A7順逆逆順√√溫變時支座墊板與鋼管間或支座上下墊板間的摩擦力A8順逆逆順√√逆順順逆√情 況溫升溫降溫升溫降注：1．“上段”和“下段”分別指