范 永，張建輝，劉文斌，宋立民

（中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長春130021）

蓋下壩水電站月牙肋鋼岔管設(shè)計(jì)

范 永，張建輝，劉文斌，宋立民

（中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長春130021）

蓋下壩水電站非對(duì)稱月牙肋鋼岔管規(guī)模較大，是工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。岔管體形和鋼材厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)采用三維有限元方法計(jì)算，對(duì)鋼岔管應(yīng)力變形進(jìn)行了深入研究。計(jì)算與實(shí)際運(yùn)行成果表明：岔管設(shè)計(jì)體形良好，結(jié)構(gòu)安全。

蓋下壩水電站；月牙肋鋼岔管；三維有限元計(jì)算；重慶市

1　工程簡介

蓋下壩水電站位于重慶市云陽縣和奉節(jié)縣境內(nèi)的長江一級(jí)支流長灘河中上游河段，距下游長江入口處的故陵鎮(zhèn)約45km，距云陽縣城約90 km。該工程是以發(fā)電為主，為當(dāng)?shù)芈糜钨Y源開發(fā)，水產(chǎn)養(yǎng)殖等提供了有利條件。水庫正常蓄水位392m，死水位352m，水庫總庫容3.54×108m3。電站裝機(jī)容量為132MW。

樞紐工程由混凝土雙曲拱壩及左岸引水發(fā)電系統(tǒng)組成，混凝土雙曲拱壩最大壩高160m。引水系統(tǒng)布置在長灘河左岸山體內(nèi)，由進(jìn)水口，引水隧洞，調(diào)壓井及壓力管道組成，引水隧洞內(nèi)徑5.6m，總長約7.0km，調(diào)壓井為阻抗式，壓力鋼管內(nèi)徑5.0m，在岔管前縮小為4.5m，各個(gè)支管內(nèi)徑2.3 m，主管經(jīng)1號(hào)岔管和2號(hào)岔管與支管相接，岔管采用卜型月牙肋鋼岔管。

2　鋼岔管的布置

經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，工程1號(hào)，2號(hào)鋼岔管均采用內(nèi)加強(qiáng)月牙肋岔管，其中1號(hào)岔管主管內(nèi)徑4.5 m，支管內(nèi)徑分別為3.5m和2.3m，最大公切球內(nèi)徑5.642m；2號(hào)岔管主管內(nèi)徑3.5m，支管內(nèi)徑均為2.3m，最大公切球內(nèi)徑4.094m，與類似工程相比，此工程鋼岔管具有如下技術(shù)特點(diǎn)：

1）規(guī)模大，工程1號(hào)，2號(hào)鋼岔管運(yùn)行期設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力為2.6MPa（含水擊壓力），岔管PD值分別為1467m2和1064m2，規(guī)模位居同類型工程前列。

2）布置新穎，根據(jù)據(jù)引水隧洞和發(fā)電廠房布置，受地形地質(zhì)條件所限，1號(hào)，2號(hào)鋼岔管均采用非對(duì)稱“Y”型布置形式，其主，支管的布置突破了梳齒形布置，采用正向分流的布置型式。其水頭損失和管殼，肋板的受力特性均與對(duì)稱布置的同類型岔管有所不同。

3　鋼岔管的體形設(shè)計(jì)

考慮到岔管臨近廠房，結(jié)合地質(zhì)條件，岔管按明管設(shè)計(jì)，根據(jù)規(guī)范推薦公式及有關(guān)構(gòu)造要求初步擬定岔管體形尺寸和管壁厚度，然后對(duì)岔管初擬體形進(jìn)行三維有限元應(yīng)力變形計(jì)算分析，確定岔管體形參數(shù)和材質(zhì)等。

3.1岔管體形初步擬定

根據(jù)規(guī)范要求，通過相似工程類比，初擬岔管體形設(shè)計(jì)各參數(shù)如下：

初擬1號(hào)岔管分岔角（圖1中管節(jié)5，9軸線的夾角）為84°，斜支管（9，10，11，12）軸線與水平線的夾角為60°，管壁厚34mm。岔管為4-4-4布置（即主管，直支管，斜支管各用4個(gè)管節(jié)過渡），岔管平面結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

初擬2號(hào)岔管分岔角（管節(jié)4，7軸線的夾角）為60°，管節(jié)6，9軸線的夾角為60°，管壁厚度為36mm。因管徑較1號(hào)岔管小，初步確定采用3-3-3布置，即主管，直支管，斜支管各用3個(gè)管節(jié)過渡。

圖11　號(hào)岔管初擬結(jié)構(gòu)平面圖

3.2岔管的三維有限元計(jì)算

采用SDFEA程序計(jì)算，該程序基于正交曲線坐標(biāo)系下的有限元理論開發(fā)，其等參曲殼單元描述管殼不同于通用程序的板殼單元，是國內(nèi)最早的專用于工程中板殼組合結(jié)構(gòu)的有限元分析程序之一。

3.2．1計(jì)算邊界條件

為減少邊界約束對(duì)鋼岔管主體部分的影響，主直管和支直管長度分別取該處鋼管半徑的兩倍以上，因結(jié)構(gòu)上下對(duì)稱，取岔管上半部分進(jìn)行計(jì)算，上下結(jié)構(gòu)的分界面施加對(duì)稱約束。

在運(yùn)行工況下，管內(nèi)壁承受2.6MPa內(nèi)水壓力；各管節(jié)厚度及梁厚度均扣除2mm的銹蝕磨損裕度。假定3個(gè)直管管口，因管道和回填混凝土的限制，無軸向位移。

在水壓試驗(yàn)工況下，依規(guī)范規(guī)定水壓試驗(yàn)壓力為1.25倍設(shè)計(jì)壓力，即岔管管內(nèi)壁承受3.25 MPa內(nèi)水壓力；兩支管管口施加軸向結(jié)點(diǎn)力，其軸向結(jié)點(diǎn)力的合力與半個(gè)封頭上所受壓力總和相等，主直管管口施加軸向約束。結(jié)構(gòu)厚度不扣除銹蝕磨損裕度。

3.2．2岔管結(jié)構(gòu)離散

1）1號(hào)岔管結(jié)構(gòu)離散。對(duì)1號(hào)岔管結(jié)構(gòu)離散劃分有限元單元，共產(chǎn)生1721個(gè)單元，4445個(gè)單元結(jié)點(diǎn)。

2）2號(hào)岔管結(jié)構(gòu)離散。對(duì)2號(hào)岔管結(jié)構(gòu)離散劃分有限元單元，共產(chǎn)生1354個(gè)單元，3562個(gè)單元結(jié)點(diǎn)。

3.2．3岔管的應(yīng)力計(jì)算

采用SDFEA程序計(jì)算岔管的應(yīng)力，按照以下思路進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整。

1）調(diào)整岔管各管節(jié)錐頂角和公切球半徑：岔管相鄰管節(jié)母線的轉(zhuǎn)折角大小直接影響到相鄰管節(jié)連接部位的應(yīng)力集中程度，而調(diào)整各管節(jié)錐頂角可以改變這些轉(zhuǎn)折角的大小，從而改變各管節(jié)連接部位的應(yīng)力集中程度，這是改善岔管應(yīng)力分布最為有效的方式。調(diào)整公切球半徑是為了使相鄰管節(jié)母線的長度均勻化，并滿足管節(jié)最小長度要求，這對(duì)管壁應(yīng)力也有影響，一般增大公切球半徑會(huì)增大管壁應(yīng)力，反之則減小管壁應(yīng)力。通過各管節(jié)錐頂角和公切球半徑的調(diào)整可以得到應(yīng)力分布相對(duì)均勻的結(jié)構(gòu)。

2）調(diào)整管壁厚度：調(diào)整管壁厚度的目的是為了獲得滿足材料允許應(yīng)力要求的管壁厚度，以及如果選用不同的鋼材其所對(duì)應(yīng)的管壁厚度。

3）調(diào)整肋板厚度和肋寬比：調(diào)整肋板厚度和肋寬比是為了獲得在一定的肋寬比下滿足材料允許應(yīng)力的肋板厚度，以及如果選用不同的鋼材其所對(duì)應(yīng)的肋板厚度。

3.3岔管的體形參數(shù)

經(jīng)方案比較計(jì)算，最終確定工程岔管1號(hào)，2號(hào)岔管及其肋板均采用Q390C鋼材。

1）1號(hào)岔管體形參數(shù)。1號(hào)岔管分岔角為84°，斜支管軸線與水平線的夾角為60°，岔管為4-4-4布置，岔管平面結(jié)構(gòu)布置如圖2所示（圖中體形參數(shù)參見表1）。1號(hào)岔管管壁厚42mm，肋板厚80 mm，肋寬比為0.25。

2）2號(hào)岔管體形參數(shù)。2號(hào)岔管分岔角為60°，管節(jié)6，9軸線的夾角為60°，采用3-3-3布置即主管，直支管，斜支管各用3個(gè)管節(jié)過渡），2號(hào)岔管管壁厚度為34mm，肋板厚度為80mm，肋寬比為0.35。

4　結(jié)語

通過對(duì)蓋下壩水電站岔管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元計(jì)算分析，對(duì)大型明鋼岔管設(shè)計(jì)作如下幾點(diǎn)總結(jié)：

1）現(xiàn)行的水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范的岔管計(jì)算方法采用結(jié)構(gòu)力學(xué)分析法。此方法為中小型工程設(shè)計(jì)提供了可靠的理論支持，對(duì)于大型和重要的水電站，宜采用有限元分析方法設(shè)計(jì)鋼岔管，它可以更精確地求得管殼及肋板局部部位的應(yīng)力大小及應(yīng)力分布情況，這為比較精確的岔管設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

表11　號(hào)岔管管殼結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)

2）明岔管在內(nèi)水壓力作用下，其變形特點(diǎn)是岔管頂?shù)紫蛲馕灰?，兩?cè)向內(nèi)位移。這種不均勻的變形使得各個(gè)管節(jié)的腰線轉(zhuǎn)折處有較大的局部應(yīng)力和肋板內(nèi)緣應(yīng)力大，所以岔管的各個(gè)腰線轉(zhuǎn)折處和肋板內(nèi)緣是設(shè)計(jì)必須關(guān)注的控制部位，在第二主曲率半徑大的腰線轉(zhuǎn)折部位取較小的折角有利于降低該處的應(yīng)力集中程度。

3）岔管檔部由于受肋板加強(qiáng)約束作用影響，剛度增加，應(yīng)力較之岔管腰部母線轉(zhuǎn)折處并不高，并不是結(jié)構(gòu)的薄弱處，因而該處可不作為岔管結(jié)構(gòu)的應(yīng)力控制部位。

4）同樣因受到肋板的加強(qiáng)約束作用影響，岔管頂點(diǎn)處的膜應(yīng)力并不高，但岔管頂點(diǎn)附近區(qū)域存在較高的局部峰值應(yīng)力，屬于彎曲應(yīng)力，并具有自限性。比起腰線轉(zhuǎn)折處和肋板腰部內(nèi)緣處，該處不是岔管設(shè)計(jì)的關(guān)鍵應(yīng)力控制部位，但由于其峰值應(yīng)力較高，岔管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要關(guān)注該部位應(yīng)力的變化情況。

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2015-03-21