何曉萌 孫其臣 孫向東 丁佳峰

在水工輸水工程中，鋼岔管是輸水系統(tǒng)的重要組成部分，由于在管道分岔處，支管將圓柱主管剖切開，使得膜應力為主的柱殼結構轉化為存在顯著局部應力的復雜受力系統(tǒng)，需設置厚重肋梁聯(lián)合殼體結構承載[1]。因此，岔管系統(tǒng)及鎮(zhèn)墩應力配筋計算與結構安全評估一直是工程中非常重要的研究課題。

1 工程實例簡介

某水電站工程壓力鋼管隨壓力變化分段設計，按07MnMoVR鋼材選取；彈性模量E鋼=2.06×105MPa，泊松比μ鋼=0.3。鎮(zhèn)墩混凝土標號：C25，容重γ混凝土=24 kN/m3，彈性模量 E混凝土=2.8×104MPa，泊松比 μ混凝土=0.167。采用ANSYS三維計算模型假定鉛垂向上為z方向，水流方向為x方向。岔管與鎮(zhèn)墩整體系統(tǒng)計算模型及岔管系統(tǒng)單元圖如圖1所示。岔管設計有2種工況：正常運行工況和水壓試驗工況。兩種工況下內水壓力及鋼材允許應力見表1。

圖1 岔管計算單元圖

表1 兩種工況下內水壓力及鋼材允許應力

2 1#、2#岔管應力計算結果

按明岔管分別計算正常工況和水壓試驗工況，1#、2#岔管段的最大Mises應力見表2。計算結果均滿足07MnMoVR鋼允許應力?？紤]到鋼材的銹蝕，在計算時鋼材厚度相應地減去2 mm。

表2 1#、2#岔管段最大Mises應力

3 岔管系統(tǒng)及鎮(zhèn)墩應力、配筋計算結果

本次計算只對正常運行工況進行計算，壓力鋼管內水壓力2.805 MPa。鋼管和鎮(zhèn)墩鋼筋混凝土按線彈性考慮，鎮(zhèn)墩鋼筋混凝土與鋼管之間的初始環(huán)向縫隙按荷載分解的方法來解決，即總內水壓力為p，其中部分內水壓力pr1只作用在壓力鋼管上，以彌合混凝土與鋼管之間的縫隙，剩余部分內水壓力pr2=p-pr1繼續(xù)作用在壓力鋼管上，由鋼管、混凝土及鋼筋共同承擔。

鎮(zhèn)墩自重由程序自動計入。內水壓力分配：內水壓力分配和鋼管與混凝土之間的縫隙大小直接相關，鋼管與混凝土之間的縫隙按DL/T 5141—2001《水電站壓力鋼管設計規(guī)范》附錄B的近似公式計算δ=（3～5.5）×10-4r。

彌合縫隙鋼管先承擔的內水壓力pr1=Eδt/r2；鋼管環(huán)向切應力 σθ1=pr1r/t。

鋼管與混凝土共同承擔的內水壓力pr2=p-pr1。

考慮鎮(zhèn)墩安全因素，δ取中值，對不同鋼管內徑內水壓力分配計算見表3。

表3 不同鋼管內徑內水壓力分配計算表

根據(jù)表3不同鋼管內徑內水壓力分配計算表，為了鎮(zhèn)墩結構安全，選取鋼管與鎮(zhèn)墩聯(lián)合承擔內水壓力最大值施加到整個鋼岔管系統(tǒng)中進行計算。正常工況下，沿著水流方向，選取鎮(zhèn)墩結構中典型的7個截面進行分析，典型截面選取位置示意圖如圖2所示。根據(jù)有限元計算得到的應力結果，按照SL 191—2008《水工混凝土結構設計規(guī)范》第12章“非桿件體系鋼筋混凝土結構的配筋計算原則”中有關規(guī)定按應力配筋方法進行彈性應力配筋計算。

圖2 鎮(zhèn)墩結構典型截面示意圖

按規(guī)范式12.2-1進行計算：

式中 K——承載力安全系數(shù)，按規(guī)范表3.2.4，取1.2；

fy——鋼筋的抗拉強度設計值；

T——鋼筋承擔的拉應力設計值，按彈性主拉應力圖形的全面積計算受拉鋼筋面積。

配筋計算材料參數(shù)選取如下：混凝土材料標號C25，軸心抗拉強度設計值fc=1.27 MPa。鋼筋采用Ⅲ級鋼，鋼筋強度設計值fy=400 MPa。承載力安全系數(shù)K取1.0。鎮(zhèn)墩各典型截面環(huán)向拉力及配筋計算結果匯總見表4。

表4 鎮(zhèn)墩各典型截面應力、配筋及裂縫計算匯總表（縫隙取中值）

4 正常使用極限狀態(tài)驗算

裂縫寬度按照SL 191—2008《水工混凝土結構設計規(guī)范》7.2.2條驗算，以A-A、D-D和G-G典型截面為例，管徑最大裂縫寬度計算結果見表5。

表5 最大裂縫寬度計算

以A-A截面鋼管直徑為5 800 mm鎮(zhèn)墩鋼筋混凝土（縫隙取中值）為例，對頂部位置進行驗算，根據(jù)應力圖形按軸心受拉構件進行驗算。

式中 α——按軸心受拉構件取2.7；

σsk——鋼筋平均應力，σsk=122.9 MPa；

Es——鋼筋彈模，2.1×105MPa；

c——保護層厚度，取70 mm；

d——鋼筋直徑，32 mm；

ρte——縱向受拉鋼筋有效配筋率，ρte=0.047。

5 結語

（1）在不考慮外面鎮(zhèn)墩作用的情況下，1#岔管段和2#岔管段在正常運行工況和水壓試驗工況，岔管鋼材膜應力區(qū)和局部應力區(qū)最大Mises應力均滿足鋼材允許應力的要求。

（2）在考慮現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定的鋼材與外包混凝土有縫隙的條件下，計算過程中忽略了混凝土開裂后所引起的鋼管承擔內水壓力的增加，以及鋼筋和混凝土承擔的內水壓力的減少，此時混凝土受到較大的拉應力，而鋼材的作用沒有充分發(fā)揮，配筋也較大，建議對混凝土開裂后產(chǎn)生的裂縫影響做進一步研究。