高压联合受力钢岔管对旁通贴边钢岔管的受力影响计算分析

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

0 引 言

为了满足下游生态需求，要求水电站下游河道全年不能断流。对于大中型水利枢纽发电系统来说，大多采用一管多机式的发电形式。在设计初期没有考虑下游生态需求，而今需要在设计好的钢岔管旁重新开孔，补设一个高压旁通管来满足下游生态用水需求。因此，随即产生两个问题：①开孔对钢岔管受力是否有影响；②钢岔管对高压旁通管是否有影响。

钢岔管为按照设计由钢板卷曲后对缝焊接而成的空间薄壳结构，一个月牙肋钢岔管主要由各个锥台管、圆柱管以及月牙形肋板组成[1]。钢岔管在高压内水压力作用下管壳应力分布不均匀，往往在焊缝对接处会出现较大的应力集中现象。因此，采用传统的规范结构力学方法所得计算成果不精细，对整个管体的应力分布不能做出较准确的把握[2-3]。目前，采用有限元方法计算分析较为普遍，该方法可详细了解钢岔管管壁各个点的应力分布情况[4]。

本文采用上述有限元法，对3个月牙肋钢岔管及一个高压旁通管进行3组对比方案计算分析。方案一为1#、2#、3#钢岔管联合受力；方案二为1#、2#、3#钢岔管和一个高压旁通管即4#贴边钢岔管进行联合受力分析；方案三是4#贴边钢岔管单独受力。通过对比计算成果得出一些有意义结论，为今后此类工程提供借鉴。

1 工程概况

DSM水利枢纽工程是一项以灌溉、防洪为主，兼有发电等综合利用的水利工程，总库容1.27×108m3，调节库容0.99×108m3，死库容0.18×108m3；水库正常蓄水位2 300.00 m，死水位2 245.00 m，设计洪水位2 300.00 m，校核洪水位2 303.36 m，水库总库容1.27×108m3，属大(Ⅱ)型工程。

发电洞为一管四机的布置型式，设总装机容量为60 MW(4×15 MW)，具体平面布置见图1。设计引用流量82.0 m3/s，加权平均水头100.08 m。整个引水系统总长811.304 m，主要由引渠段、进口闸井段、钢筋混凝土衬砌隧洞段、钢衬隧洞段、钢衬回填管段、岔管和支管组成。

岔管及支管段：钢衬埋管段末接卜形岔管，采用月牙肋岔管形式将主管分为4根支管接入主厂房内，支管管径为2.4 m，支管轴线与厂房垂直，以下1#、2#、3#钢岔管体型是单个明管优化后的参数，这里只为了说明超压旁通管对联合受力钢岔管的影响，其余边界条件均一致。

1#岔管段管壳及肋板部位采用WDL610C钢材肋宽比0.301，分岔角64°，主管径5 400 mm，直支管管径4 700 mm，斜支管管径2 400 mm。管壁厚度为30 mm，锥管管壳及岔管管壳厚度32 mm，肋板厚度64 mm。

2#岔管段管壳及肋板部位采用WDL610C钢材，管壁厚度为30 mm，锥管管壳及岔管管壳厚度30 mm，肋板厚度60 mm，肋宽比0.323，分岔角66°，主管径4 700 mm，直支管管径3 600 mm，斜支管管径2 400 mm。

3#岔管段管壳及肋板部位采用WDL610C钢材，管壁厚度为24 mm，锥管管壳及岔管管壳厚度24 mm，肋板厚度48 mm，肋宽比0.312，分岔角67°，主管径3 600 mm，直支管管径2 400 mm，斜支管管径2 400 mm。

4#贴边岔管及补强板采用WDL610C钢材，主管管壁厚度与3#岔管管壁厚度一致为24 mm，支管管壁厚度与主管相同，支管垂直于主管分岔角90°，根据等面积法初步确定补强板宽度为290 mm。为了便于施工，初步选取主、支管补强板宽度均为300 mm，厚度为24 mm，支管管径700 mm。

2 荷载及强度条件

运行工况设计内水压力(加水锤压力)为1.63 MPa。为满足长期运行要求，根据规范规定[4]管壁均需要扣除2 mm的锈蚀磨损富裕度。试验工况根据规范规定[4]内水压力为1.25倍设计水压力，即2.04 MPa，由于试验工况用时相对较短，根据规范该工况无需扣除锈蚀磨损富裕度。

校核强度按照规范[4]中式6.1.3规定进行应力控制，即计算出的米塞斯应力应小于等于各个管节的允许应力和焊缝系数之积。本文中钢岔管采用双面焊接根据规范规定[4]，焊缝系数φ=0.95。表1为钢岔管不同部位控制标准，考虑焊缝系数通过换算得出各个部位允许应力用于校核，见表2。

表2 钢材的抗力限值

注：表2中应力单位均为MPa。

3 钢岔管控制点

岔管各个管节用数字编号表示，分别是主管侧11、12、13，支管侧21、22、23，31、32、33。管壳应力控制点选择各个管节母线的转折部位，用字母表示，分别为A、B、C、D、E、F、G、H、I、J点，中心分岔处为O点。肋板控制点腰部两个点用LB1、LB2表示，顶部两个点用LB3、LB4表示，见图2。贴边钢岔管平面结构应力特征点示意图见图2。

图2 二节锥板岔管及肋板平面结构、贴边钢岔管平面结构应力特征点示意图

4 有限元计算分析

根据[1-3,5-6]可知，钢岔管网格最大尺寸为公切球半径的0.002 5倍左右。边界约束长度取为公切球直径1.5倍[1-3,5-6]。由于管壁存在一定厚度，在内水压力变形时，不光是沿着壳体法相变形，也会存在沿着壳体切线的变形，因此单元类型选取可以考虑横向剪切应变的8节点40自由度的曲面壳单元[1-3,5-6]。将钢岔管壳体结构划分为相应网格密度的四边形网格[7-9]，具体网格划分方式见如下3个方案：

方案一：1#、2#、3#联合受力

计算模型包括岔管整体和肋板的几何模型及有限元模型图。岔管管壳及肋板均采用四边形曲面壳单元，1#钢岔管结点总数2 656，单元总数2 518。肋板结点总数294，单元总数264。2#钢岔管结点总数2 546，单元总数2 458。肋板结点总数253，单元总数224。3#钢岔管结点总数2 356，单元总数2 283。肋板结点总数213，单元总数208。离散后平面图见图3。

图3 1#、2#、3#钢岔管整体网格模型

方案二：1#、2#、3#、4#联合受力

计算模型包括岔管整体和肋板的几何模型及有限元模型图。岔管管壳及肋板均采用四边形曲面壳单元，1#钢岔管结点总数2 656，单元总数2 518。肋板结点总数294，单元总数264。2#钢岔管结点总数2 546，单元总数2 458。肋板结点总数253，单元总数224。3#钢岔管结点总数2 356，单元总数2 283。肋板结点总数213，单元总数208。4#钢岔管结点总数624，单元总数586。离散后平面图见图4。

图4 1#、2#、3#、4#钢岔管整体网格模型

方案三：4#单独受力

计算模型包括4#钢岔管结点总数624，单元总数586，离散后平面图见图5。

5 成果分析

方案一、方案二、方案三中的1#、2#、3#、4#钢岔管各个控制点的应力见表3，主要列出运行工况钢岔管腰线转折角、分岔部位、表面自限区域，以及肋板各控制点应力值进行比较。

图5 4#钢岔管整体网格模型

控制点ABCDEFGHIJO//KLB11#2#3#4#方案一269263268145161155139136210177350259方案二269264269145162155139136211178351259方案一243244214152132148152114182133371186方案二248249218155135151155116186136378190方案一250251283152140141149119179119322245方案二253254286154141142150120181120324247方案二1933936224463710612199109110-方案三1723532206403088102839396-1#、2#、3#允许应力3253253253253253253253253253254663144#允许应力263203203263203203203203203203203-

注：表3中应力单位均为MPa，且考虑锈蚀厚度，由于页面限制只保留应力整数部分；O是月牙肋钢岔管的应力，K是贴边钢岔管的应力，表3中只列出钢岔管肋板最大应力值LB1。

表3只对关键区域最大值进行比较，其它区域值要远小于相对应的允许应力。对比方案一与方案二计算成果可知，1#、2#、3#钢岔管采用联合整体受力计算较1#、2#、3#、4#钢岔管受力计算成果相比，在2#与3#钢岔管之间设置了贴边钢岔管，通过整体受力计算可知2#与3#钢岔管之间增加一个直径为0.7 m的超压旁通贴边钢岔管后，1#、2#、3#钢岔管管壁整体应力均大于之前不设置开孔方案时的应力，但由于4#超压旁通贴边钢岔管离1#钢岔管较远，影响最小，对2#、3#钢岔管管壁应力影响较大；从表3中数据可以得出，由于2#钢岔管管径较3#钢岔管管径大，因此4#岔管对2#钢岔管的影响要大于对3#钢岔管的影响。超压旁通贴边钢岔管开孔尺寸较小，对1#、2#、3#钢岔管整体受力应力影响较小。

方案二中4#钢岔管整体受力分析结果与方案三中4#钢岔管单体受力分析结果进行对比可得，方案三中4#钢岔管单体受力时管壁各个控制点的应力均小于4#钢岔管整体受力时管壁上的应力，应力变化最大为A点、D点与K点，增幅均大于10%，表明1#、2#、3#管的整体受力变形影响到4#贴边钢岔管的变形。以上整体受力管壳与肋板应力及贴边钢岔管的应力均满足规范中运行应力要求。为了减少篇幅，本文只列出1#、2#、3#、4#钢岔管整体受力应力云图，见图6、图7、图8。

图6 方案一：1#、2#、3#整体受力应力云图(单位：Pa)

图7 方案二：1#、2#、3#、4#整体受力应力云图(单位：Pa)

图8 方案三：4#钢岔管单体受力应力云图(单位：Pa)

6 结 论

1) 在此类小间距钢岔管之间接超压旁通管时，整体受力要比单体受力计算结果更大。因此，为了安全起见，对于钢岔管建议采用联合受力的方式计算分析管壁各个控制点应力是否满足设计要求。

2) 钢岔管作为发电洞与发电厂房之间的连接纽带，安全运行与发电厂房及操作人员的安危息息相关。因此，选择合适的计算分析方式对整个水电站的安全运行至关重要。通过整体受力有限元法可以方便快捷地分析三维钢岔管体型的整体应力，便于得到钢岔管最优体型，以期为水利工程钢岔管设计提供参考借鉴。