阁山压力管道管壁厚度及加劲环结构尺寸设计

胥 慧，王 新

(1.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080；2.黑龙江省三江工程建设项目服务中心，哈尔滨 150010)

阁山水库位于呼兰河支流诺敏河上，最大库容4.04亿m3，是一座以灌溉、城镇供水为主，兼顾防洪、发电等综合利用的大(2)型水利枢纽工程，主要建筑物有土坝、溢洪道、电站引水系统、厂房、输水灌溉洞等。引水建筑物布置由引渠、进水口、压力管道等组成。

1 工程简介

水库校核洪水位232.92m，正常蓄水位为230.00m，死水位为222.50m。水电站最大引水流量Q=48.4m3/s。

阁山水库引水系统压力管道主管中心线水平投影长度40m，进口高程213.75m，出口高程211.34m。主管直径4.5m，岔管采用梁式三分岔形式，对称布置，分岔角为90°，岔管公切球直径5m。主接管直径4.5m，1#、2#、3#支接管直径2.8m。1#、2#、3#支接管末端分别与1#、2#、3#支管衔接。1#支管中心线长度36.274m，直径2.8m，外包钢筋混凝土厚度1m；2#支管中心线长度32.4m，直径2.8m，外包钢筋混凝土厚度0.8m；3#支管水平中心线总长度37.931m，直径2.8m渐缩至2.0m，渐缩段长度6m，外包钢筋混凝土厚度0.5m。压力管道平面布置图见图1。

图1 阁山压力管道平面布置图

压力钢管管壁钢板采用Q235-C级钢，加劲环采用Q345-C级钢。

2 管壁厚度及加劲环设计

2.1 主管设计

1)一般构造：依据《水工设计手册》(第8卷)中压力管道一般构造要求规定，管壁的结构厚度取计算厚度加2mm的锈蚀厚度，但≥t，也≥6mm，以保证必需的刚度。钢管壁厚按照下式计算：

t≥D/800+4

式中，t为钢管壁厚(mm)；D为钢管直径(mm)。

经过计算，主管管壁计算厚度t最小值为9.625mm，考虑2mm锈蚀厚度，管壁结构最小厚度11.962mm。

2)内力分析原则依据《水电站压力钢管设计规范》(SL281-2003)中附录C计算，压力钢管在承担内水压力时应遵循以下原则：①坝内埋管应视为钢管、钢筋和混凝土组成的多层管共同承受内水压力，在最大内水压力作用下，钢管外围坝体混凝土不应出现贯穿性裂缝，并计及钢管与混凝土间的施工缝隙和温度缝隙影响。②若外围混凝土最小厚度在钢管半径与直径之间，联合承载应经论证后确定。③若外围混凝土最小厚度小于钢管半径，宜按钢管单独承载设计，允许应力按照规范表6.1.1坝内埋管取值。④设有软垫层的钢管可按明管设计。

压力主管外包混凝土厚度1m，小于钢管半径，因此按钢管单独承载设计，允许应力按照规范表6.1.1坝内埋管取值。

3)内力分析主要公式及参数：

a)钢管承受内压拉应力计算：

σθ1=(P-P1)r0/t≤φ[σ]

σθ3=P1r0/t3≤[σ3]

式中，P1为钢管传至钢筋砼的内水压力(N/mm2)；P为均匀内水压力(N/mm2)；r0为钢管内半径(mm)；Δ为钢管与混凝土之间的缝隙值(mm)，取0；E′为平均应变问题的钢材弹性模量(N/mm2)；t为钢管计算壁厚(mm)；r3为钢筋层外半径(mm)；t3为钢筋折算壁厚(mm)；[σ]为钢管的允许拉应力(N/mm2)；φ为焊缝系数；[σ3]为钢筋的允许拉应力(N/mm2)。

b)管壁抗外压稳定计算：

KCp0k≤pcr

式中，Pcr为抗外压稳定临界压力计算值(N/mm2)；Es为钢材弹性模量(N/mm2)；Vs为钢材的泊松比，取0.3；n为最小临界压力的波数，由n=2.74(r/l)1/2(r/t)1/4估算，取相近的整数；I为加劲环间距(mm)；r为钢管内半径(mm)；P0k为径向均布外压力标准值(N/mm2)；Kc为抗外压稳定安全系数，加劲环间管壁和加劲环取为1.8。

c)加劲环抗外压稳定计算：

式中：AR为加劲环有效截面面积，mm2；h为加劲环高度，mm；a为加劲环厚度，mm；r为钢管内半径，mm。

钢管是一种薄壳结构，能承受较大的内水压力，但抵抗外压的能力较低。在外压作用下，管壁易于失去稳定，屈曲成波形，过早地失去承载能力。钢管承担的外压分别为外水压力、灌浆压力、流态混凝土的压力、安装运输过程中的其他荷载。其中外水压力产生的压力为运行期长期作用的荷载，在放空条件下为控制性的荷载，其余为施工期临时荷载，两者不叠加，通常取长期荷载和施工期临时荷载的大值作为结构设计的控制荷载。对于施工期荷载控制造成结构厚度增加较大时，可采用临时的支撑作为抗外压措施。

放空工况下，管壁及加劲受到径向均布外压力为外水压力，依据规范取0.2N/mm2。施工期工况管壁及加劲受到径向均布外压力包括灌浆压力和未凝固混凝土压力，分别取0.2N/mm2和0.025N/mm2。

4)内力分析结果：针对放空工况和施工期工况进行管壁抗外压稳定计算，选取管壁计算厚度分别取10mm、11mm、12mm对比，公式中涉及到的参数详见表1。

不同管壁厚度抗外压稳定计算结果详见表2。

通过计算比较，管壁厚度10mm在两种工况下均不满足要求，11mm 施工期不满足要求，12mm两种工况均满足要求，并且施工期临时荷载作为结构设计的控制荷载，选取管壁计算厚度12mm加上2mm锈蚀厚度，最终确定管壁结构厚度为14mm。管壁计算厚度12mm对应不同计算工况下应力计算结果见表3。

表1 设计主要参数值

表2 不同管壁厚度抗外压稳定计算对比 N/mm2

管壁厚度(mm)放空工况施工期工况KCP0kPcrKCP0kPcr100.3600.2830.4050.283110.3600.3760.4050.376120.3600.4210.4050.421

表3 管壁计算厚度12mm对应不同计算工况下应力计算结果 N/mm2

计算工况钢管承受内压拉应力管壁抗外压稳定加劲环抗外压稳定钢管环向拉应力σθ1钢管允许拉应力φ[σ]钢筋环向拉应力σθ3钢管允许拉应力[σ3]径向均布外压力标准值p0k抗外压稳定临界压力计算值pcr径向均布外压力标准值p0k抗外压稳定临界压力计算值pcr正常运行55.99141.7153.90310////管道放空////0.360.420.360.44施工期////0.410.420.410.44特殊运行60.29141.7158.06310////

管壁计算厚度12mm在三种工况下均满足设计要求，因此管壁厚度选择合理。

同理，计算支管管壁厚度为10mm，考虑两个不同管壁厚度焊接要求以及支管末端为明管因素，因此支管管壁厚度取同样厚度14mm。主管及支管管壁厚度及加劲环尺寸详见表4。

表4 压力钢管管壁结构厚度及加劲环尺寸统计表

续表4 压力钢管管壁结构厚度及加劲环尺寸统计表

2.2 岔管设计

依据《水电站压力钢管设计规范》(SL281-2003)，膜应力区的管壁厚度公式和局部应力区的管壁厚度计算公式如下：

膜应力区的管壁厚度：

局部应力区的管壁厚度：

式中，P为内水压力(N/mm2)；r为该节钢管最大内半径(mm)；α为该节钢管半锥顶角(°)；φ为焊缝系数；K1为岔管膜应力区应力计算系数，取1.0-1.1；K2为岔管局部应力区应力集中系数，取1.5-2.0；[σ]1为钢管的膜应力区允许应力值(N/mm2)；[σ]2为钢管的局部应力区允许应力值(N/mm2)；

岔管管壁厚度计算参数及结果详见表5。

表5 岔管管壁厚度计算结果

经计算在最高水位工况下，局部应力区管壁厚度为14.92mm，考虑2mm锈蚀厚度，管壁结构最小厚度16.92mm，最终确定岔管处管壁结构厚度18mm，加劲环间距1.2m，高度120mm，厚度16mm，满足抗外压稳定。

3 结 语

文章针对阁山引水压力管道实际工程，结合钢管能承受较大的内水压力，但抵抗外压的能力较低的特性，对比不同管壁厚度抗外压稳定计算，得出经济合理管壁厚度以及加劲环结构尺寸。