鄂北地区水资源配置工程倒虹吸连通管三维有限元分析.pdf

年第 期 水电与新能源 第 卷.:././.收稿日期:作者简介:刘贤才男正高职高级工程师主要从事水利工程勘察设计工作通讯作者:石长征女副教授博士主要从事压力管道研究基金项目:国家自然科学基金资助项目()鄂北地区水资源配置工程倒虹吸连通管三维有限元分析刘贤才沈立群石长征(.湖北省水利水电规划勘测设计院湖北 武汉.武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室湖北 武汉)摘要:为了提高引调水工程的运行安全鄂北地区水资源配置工程孟楼 七方倒虹吸采用了 根主管并排布置主管之间采用连通管相连形成 型和十字型钢岔管结构 结合该工程的结构型式采用三维有限元方法对钢岔管结构进行强度设计和安全性复核确定了各部位结构尺寸 研究结果表明采用外置的三梁或十字型加强梁分别对 型和十字型钢岔管进行加固是较优的设计方案关键词:引调水工程 型钢岔管十字型钢岔管加强梁体形设计有限元法中图分类号:.文献标志码:文章编号:()(.):.:为缓解地区之间的水资源供需矛盾除了加大节水力度和污水处理还必须通过引调水工程实现水资源的优化配置以推动区域间协调发展 世界上很多国家自 世纪初就开始大规模修建引调水工程从丰水区向缺水区进行调水 鄂北地区水资源配置工程孟楼 七方倒虹吸连通管段由 根主管并排布置采用填埋式铺设主管之间采用连通管相连以提高引调水工程的运行安全 连通管与主管在平面上呈现正交其中连通管与两侧主管相交形成了 个 型钢岔管连通管与中间主管相交形成了 个十字型钢岔管 主管与连通管过水断面直径均为.内衬厚度 实际钢管内径.管下设混凝土支座 对于这么复杂的钢岔管结构很难采用解析方法进行设计一般均采用了有限元方法进行分析 因此本文通过三维有限元分析对岔管结构进行了强度设计和安全性复核 复核内容包括:对 型、十字型钢岔管按钢管单独承载进行计算确定钢岔管体形和各部位结构尺寸对最终推荐方案进行水压试验工况下的有限元计算校核钢材是否满足允许应力要求水 电 与 新 能 源 年第 期 基本资料.材料参数钢岔管管壁和肋板拟采用 钢材钢材弹性模量 .泊松比 .钢材屈服强度按 规范进行取值根据水电站压力钢管设计规范()的规定钢材允许应力按下式计算:式中:为钢材计算屈服强度 为焊缝系数取为.为允许应力系数按规范中表.进行取值 钢材的允许应力列于表 表 钢材允许应力厚度/屈服强度/工 况管壳部位/膜应力区局部应力区加强梁 正常运行.水压试验.正常运行.水压试验.计算荷载及荷载组合)荷载种类 岔管结构计算荷载种类及其分项系数见表 表 岔管荷载种类及其分项系数荷载代号荷载分类及名称荷载设计值/荷载分项系数()()()内水压力正常运行情况最高静水压力.静水:.正常运行情况最高内压(静水压力 水击压力).静水:.水锤:.水压试验内水压力.()接触灌浆压力.()管道放空造成的气压差 外水压力.)荷载组合 根据水电站压力钢管设计规范()的规定按承载能力极限状况设计的作用效用组合与计算情况见表 表 按承载能力极限状况设计的作用效用组合与计算情况设计状况荷载效应组合组合类别组合项次计算情况持久状况短暂状况基本组合()正常运行情况()水压试验情况()、()灌浆、放空检修情况 钢岔管三维有限元分析.钢岔管体形初步设计根据输水系统的总体布置本工程 型岔管和十字型岔管体形如图 其中钢岔管进出口内径和连通管直径均为.最大设计内水压力为.根据水电站压力钢管设计规范的规定对于梁式岔管的锥管和圆柱管可按照公式()、()估算管壁厚度取大值在此基础上增加 的锈蚀厚度:/()()/()()根据式()取 .初步估算得到岔管管壁厚度为.()根据式()取.初步估算得到岔管管壁厚度为.()两者取大值为 考虑锈蚀厚度 初步钢岔管厚度取 最终经有限元复核管壁厚度取 腰梁与 梁尺寸如图、所示考虑到钢岔管的相互影响具体设计三维效果示意图如图 其中黄色部分为主管段红色部分为连通管段均为直管 型岔管成对称分布蓝色部分为腰梁紫色部分为两个 梁 型岔管腰梁和 梁在岔管顶部相接十字型岔管由四个 梁组成各个 梁在岔管顶部相接鄂北地区水资源配置工程倒虹吸连通管三维有限元分析 年 月图 钢岔管初步体形示意图图 腰梁参数示意图图 梁参数示意图图 三梁岔管三维示意图.计算方案根据图 所示输水钢岔管体形和加强梁形式及尺寸本节采用有限元法按钢岔管单独承载方案在正常运行和水压试验工况下进行三维有限元计算 具体的计算方案列于表 表 计算方案计算方案内水压力/.管壁厚度/腰梁高/梁顶部高/梁腰部高/腰梁、梁厚度/注:计算时岔管管壁厚度应扣除 的锈蚀厚度水 电 与 新 能 源 年第 期.计算模型根据表 拟定的方案建立了有限元计算模型钢岔管管壳和加强梁网格剖分全部采用 中 板壳单元 有限元模型建立在笛卡尔直角坐标系坐标()下 面为水平面竖直方向为 轴向上为正坐标系成右手螺旋坐标原点位于最右侧 形岔管主管与连通管公切球的球心处 轴与进口水流向一致下游为正 其中钢岔管 计算方案有限元模型计算网格如图 所示图 方案网格图.计算成果分析)正常运行工况计算 根据水电站压力钢管设计规范()的规定钢岔管的计算应力应满足以下条件:()()根据各方案的计算结果将钢岔管不同区域的最大应力整理列于表 由于篇幅关系本文仅整理了 方案钢岔管管壳中面及加强梁的 应力及位移云图如图 所示表 方案 各区域最大应力部位应力种类计算应力允许应力管壳膜应力.中面局部膜应力.表面局部膜应力.梁 型岔管十字型岔管局部膜应力、弯曲应力.由表 可知方案 在正常运行工况下各区域的最大应力值均小于相应的允许应力其中方案 加强梁厚度最大所需截面高度最小方案 加强梁厚度最小所需截面高度最大方案 梁腰部截面高度只有.腰梁高.无论是厚度还是截面高度均比较合理结构上也是安全的同时工程难度低因此本文推荐采用 方案图 正常运行工况岔管管壳 应力(单位:)图 正常运行工况 型岔管加强梁 应力(单位:)鄂北地区水资源配置工程倒虹吸连通管三维有限元分析 年 月图 正常运行工况十字型岔管加强梁 应力(单位:)图 正常运行工况岔管总位移(单位:)从 方案的计算结果(图 )来看钢岔管各区域的最大应力值均小于相应的允许应力 岔管管壳中面最大 应力为.出现在十字型岔管的腰部附近管壳表面最大应力为.均小于钢材的局部膜应力允许值.型和十字型岔管加强梁最大 应力分别为.、.均小于相应允许应力允许值.)水压试验工况计算 根据推荐方案的水压试验工况计算结果整理了钢岔管不同区域的最大应力整理列于表 表 钢岔管水压试验工况应力值部位应力种类计算应力允许应力管壳膜应力.中面局部膜应力.表面局部膜应力.梁 型岔管十字型岔管局部膜应力、弯曲应力.由表 的计算结果可知水压试验工况下钢岔管各区域的最大应力值均小于相应的允许应力 岔管管壳中面最大 应力为.出现在十字型岔管的腰部附近管壳表面最大应力为.均小于钢材的局部膜应力的允许值.型和十字型钢岔管加强梁最大 应力分别为.、.均小于相应允许应力允许值.这说明 方案的岔管管壁厚度和加强梁尺寸可以满足水压试验的要求 结 语本文对鄂北地区水资源配置工程夹河套分水口输水钢岔管按明管单独承载进行了三维有限元计算分析得到了钢岔管的受力特性主要结论如下:)输水岔管采用梁式岔管 型岔管加强梁由腰梁与两个 梁组成十字型岔管加强梁由四个 梁组成 通过对钢岔管的体形优化设计得到加强梁的最佳厚度为 在此基础上确定的加强梁截面高度尺寸比较合理降低了工程的难度)钢岔管水压试验是针对岔管部位整个输水管道进行的计算结果均表明本文所提出的设计方案能够满足水压试验工况的要求)岔管处存在不平衡水压力的作用应设置镇墩镇墩混凝土一般按构造要求进行配筋本文建议本工程镇墩钢筋宜不小于 层 参考文献:.:./():陆海明 邹鹰 丰华丽.国内外典型引调水工程生态环境影响分析及启示.水利规划与设计():曹新 王欢 沈明.方形钢岔管结构应力分析.水电与新能源 ():刘冬梅.水电站压力钢岔管制作与安装过程控制.水电与新能源 ():黄巍.引调水工程钢岔管及外包混凝土复合结构承载特性研究.武汉:武汉大学 胡馨之 伍鹤皋 石长征 等.肋板形状对月牙肋钢岔管应力影响的研究.水力发电 ():/水利水电工程压力钢管设计规范