某岔管系统及镇墩应力配筋三维有限元计算分析

何晓萌 孙其臣 孙向东 丁佳峰

在水工输水工程中，钢岔管是输水系统的重要组成部分，由于在管道分岔处，支管将圆柱主管剖切开，使得膜应力为主的柱壳结构转化为存在显著局部应力的复杂受力系统，需设置厚重肋梁联合壳体结构承载[1]。因此，岔管系统及镇墩应力配筋计算与结构安全评估一直是工程中非常重要的研究课题。

1 工程实例简介

某水电站工程压力钢管随压力变化分段设计，按07MnMoVR钢材选取；弹性模量E钢=2.06×105MPa，泊松比μ钢=0.3。镇墩混凝土标号：C25，容重γ混凝土=24 kN/m3，弹性模量 E混凝土=2.8×104MPa，泊松比 μ混凝土=0.167。采用ANSYS三维计算模型假定铅垂向上为z方向，水流方向为x方向。岔管与镇墩整体系统计算模型及岔管系统单元图如图1所示。岔管设计有2种工况：正常运行工况和水压试验工况。两种工况下内水压力及钢材允许应力见表1。

图1 岔管计算单元图

表1 两种工况下内水压力及钢材允许应力

2 1#、2#岔管应力计算结果

按明岔管分别计算正常工况和水压试验工况，1#、2#岔管段的最大Mises应力见表2。计算结果均满足07MnMoVR钢允许应力。考虑到钢材的锈蚀，在计算时钢材厚度相应地减去2 mm。

表2 1#、2#岔管段最大Mises应力

3 岔管系统及镇墩应力、配筋计算结果

本次计算只对正常运行工况进行计算，压力钢管内水压力2.805 MPa。钢管和镇墩钢筋混凝土按线弹性考虑，镇墩钢筋混凝土与钢管之间的初始环向缝隙按荷载分解的方法来解决，即总内水压力为p，其中部分内水压力pr1只作用在压力钢管上，以弥合混凝土与钢管之间的缝隙，剩余部分内水压力pr2=p-pr1继续作用在压力钢管上，由钢管、混凝土及钢筋共同承担。

镇墩自重由程序自动计入。内水压力分配：内水压力分配和钢管与混凝土之间的缝隙大小直接相关，钢管与混凝土之间的缝隙按DL/T 5141—2001《水电站压力钢管设计规范》附录B的近似公式计算δ=（3～5.5）×10-4r。

弥合缝隙钢管先承担的内水压力pr1=Eδt/r2；钢管环向切应力 σθ1=pr1r/t。

钢管与混凝土共同承担的内水压力pr2=p-pr1。

考虑镇墩安全因素，δ取中值，对不同钢管内径内水压力分配计算见表3。

表3 不同钢管内径内水压力分配计算表

根据表3不同钢管内径内水压力分配计算表，为了镇墩结构安全，选取钢管与镇墩联合承担内水压力最大值施加到整个钢岔管系统中进行计算。正常工况下，沿着水流方向，选取镇墩结构中典型的7个截面进行分析，典型截面选取位置示意图如图2所示。根据有限元计算得到的应力结果，按照SL 191—2008《水工混凝土结构设计规范》第12章“非杆件体系钢筋混凝土结构的配筋计算原则”中有关规定按应力配筋方法进行弹性应力配筋计算。

图2 镇墩结构典型截面示意图

按规范式12.2-1进行计算：

式中 K——承载力安全系数，按规范表3.2.4，取1.2；

fy——钢筋的抗拉强度设计值；

T——钢筋承担的拉应力设计值，按弹性主拉应力图形的全面积计算受拉钢筋面积。

配筋计算材料参数选取如下：混凝土材料标号C25，轴心抗拉强度设计值fc=1.27 MPa。钢筋采用Ⅲ级钢，钢筋强度设计值fy=400 MPa。承载力安全系数K取1.0。镇墩各典型截面环向拉力及配筋计算结果汇总见表4。

表4 镇墩各典型截面应力、配筋及裂缝计算汇总表（缝隙取中值）

4 正常使用极限状态验算

裂缝宽度按照SL 191—2008《水工混凝土结构设计规范》7.2.2条验算，以A-A、D-D和G-G典型截面为例，管径最大裂缝宽度计算结果见表5。

表5 最大裂缝宽度计算

以A-A截面钢管直径为5 800 mm镇墩钢筋混凝土（缝隙取中值）为例，对顶部位置进行验算，根据应力图形按轴心受拉构件进行验算。

式中 α——按轴心受拉构件取2.7；

σsk——钢筋平均应力，σsk=122.9 MPa；

Es——钢筋弹模，2.1×105MPa；

c——保护层厚度，取70 mm；

d——钢筋直径，32 mm；

ρte——纵向受拉钢筋有效配筋率，ρte=0.047。

5 结语

（1）在不考虑外面镇墩作用的情况下，1#岔管段和2#岔管段在正常运行工况和水压试验工况，岔管钢材膜应力区和局部应力区最大Mises应力均满足钢材允许应力的要求。

（2）在考虑现有规范规定的钢材与外包混凝土有缝隙的条件下，计算过程中忽略了混凝土开裂后所引起的钢管承担内水压力的增加，以及钢筋和混凝土承担的内水压力的减少，此时混凝土受到较大的拉应力，而钢材的作用没有充分发挥，配筋也较大，建议对混凝土开裂后产生的裂缝影响做进一步研究。