姚廣亮,陳小云,伍鶴皋,石長征

(1.廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510635；2.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072)

鋼岔管的應用更多是用于水量的分流或者要求一根鋼管需要供應多臺機組時設置，針對分水岔管的分析研究較多[1-2]，對結(jié)合車輛掉頭岔、檢修進人岔、通風岔等多功能大口徑高壓的岔管群研究比較少。本文以某引調(diào)水工程為背景，利用ANSYS軟件建立鋼岔管群三維模型，進行整體受力分析[3-6]，最后得到較合理的鋼管壁厚和加強方案，以供同類工程參考。

1 工程概況

某引調(diào)水工程位于我國南方地區(qū)，輸水線路總長超100 km，采用深埋盾構隧洞方式進行輸水，輸水隧洞內(nèi)徑達2.9～8.2 m。該工程運行管理規(guī)定每年定期進行停水檢修。由于輸水線路長，檢修維護工作量大，人工步行檢查和維護效率低，難以在較短的檢修停水期內(nèi)完成巡檢和維護工作，需要采用機動車輛作為交通工具，因此需要在盾構工作井內(nèi)設置檢修鋼岔管作為檢修車輛進出或掉頭通道。

該工程全線共超30座永久工作井，以其中的某一座滲漏排水井為例，井內(nèi)設車輛掉頭支管、進人支管及通風支管。主管內(nèi)徑為5.25 m，掉頭支管內(nèi)徑為5.25 m，垂直于主管水平布置，并設置三梁加強，加強梁截面高度為1.4 m，梁截面厚度為80 mm；進人管內(nèi)徑為1.40 m，垂直于主管水平布置，其管中心線與主管中心線相距約0.435 m，設置貼邊鋼板加強，貼邊寬度為0.4 m，鋼板厚度為20 mm；通風支管內(nèi)徑為1.20 m，垂直于主管豎向布置，其軸線與主管豎向軸線重合，設置貼邊鋼板加強，貼邊寬度為0.4 m，鋼板厚度為20 mm。鋼岔管群布置形式見圖1所示。

圖1 多功能鋼岔管布置示意

鋼岔管設計壓力達到1.1 MPa，PD為528 m2，屬于較高PD值岔管。與水電站高壓岔管相比，本工程鋼岔管PD值雖然相對較小，但岔管處于盾構工作井中，外包混凝土厚度最薄處僅0.5 m，無法依靠外包混凝土分擔內(nèi)水壓力，需要岔管自身承擔巨大的內(nèi)水壓力，對岔管本身結(jié)構強度和剛度要求較高。另外本工程鋼岔管承擔停水檢修期通車任務，岔管的支管末端設置有可開啟鋼制堵板(即“悶頭”)作為檢修車輛的掉頭。由于岔管設計壓力高，為避免堵板滲漏損壞工作井內(nèi)設備，對堵板的密封性能要求很高，進而對支管的變形控制要求也很高。目前，雖然有解析公式可以計算岔管應力，但計算結(jié)果不夠精確，有必要采用有限元分析方法對檢修三通岔管進行結(jié)構應力和變形進行分析，并對岔管壁厚、三梁高度和壁厚、主管和支管交角等參數(shù)進行優(yōu)化，以滿足堵板密封變形控制要求。

2 有限元模型計算

2.1 材料基本參數(shù)

岔管擬采用Q355C鋼材，容重?s=7.85×10-5N/mm3，鋼材彈性模量Es=2.06×105N/mm2，泊松比νs=0.30，線膨脹系數(shù)αs=1.2×10-5℃。根據(jù)文獻[7]，Q355C鋼材的拉伸性能見表1所示。

表1 Q355C鋼材的拉伸性能

根據(jù)文獻[8]的規(guī)定，岔管鋼材允許應力見表2。本工程鋼管除個別位置焊縫外，均采用雙面焊接，故焊縫系數(shù)ψ取為0.95。對于板厚為16～63 mm鋼板，由于其屈強比大于0.7，所以其屈服強度取為0.7倍抗拉強度，即為329MPa，據(jù)此計算鋼岔管允許應力。

表2 岔管鋼材的允許應力

2.2 計算荷載及組合

鋼岔管計算分正常運行工況、水壓試驗工況和停水檢修工況。正常運行工況考慮靜水壓力+水擊壓力，荷載值為1.1 MPa；水壓試驗工況內(nèi)水壓力按正常運行工況內(nèi)水壓力的1.25倍[8-9]，考慮1.375 MPa；停水檢修工況不考慮內(nèi)水壓力，而外水壓力取0.1 MPa。

2.3 計算模型

按照水電站壓力鋼管設計規(guī)范的規(guī)定，計算模型在主管兩端部取固端全約束；為了減小約束端的局部應力影響，主管段軸線長度從分岔點向上游、下游分別為11.25 m、11.25 m。車輛掉頭岔悶頭矢高1.05 m，岔管計算參數(shù)見表3所示。鋼岔管管殼網(wǎng)格全部采用ANSYS中shell 181殼單元。有限元模型建立在笛卡爾直角坐標系坐標(X，Y，Z)下，XOY面為水平面，豎直方向為Z軸，向上為正，坐標系成右手螺旋，在正常運行工況下，有限元模型節(jié)點總數(shù)為10 359個，單元總數(shù)為10 250個，LG04#工作井三岔管的有限元模型計算網(wǎng)格如圖2所示。

表3 岔管計算參數(shù)

a 側(cè)視示意

b 俯視示意

3 正常運行工況分析

本節(jié)采用有限元法，對岔管方案進行正常運行工況計算，內(nèi)水壓力為1.1 MPa。根據(jù)計算結(jié)果，整理了岔管管殼的Von Mises應力，以及岔管的位移云圖(如圖3～圖5所示)。應力以拉為正，壓為負。另外，將圖6所示各關鍵點的內(nèi)、中、外表面的Mises應力值分別列于表4中。分析表4和圖3～圖4可知，工作井掉頭岔中面應力極值均小于鋼材的局部應力允許值209 MPa，其外面與內(nèi)面應力極值均小于鋼材的局部膜應力+彎曲應力允許值250 MPa，滿足允許應力的要求。掉頭岔悶頭部位整體膜應力和局部應力也分別低于鋼材相應的允許應力156 MPa和250 MPa，說明掉頭岔悶頭的矢高尺寸和壁厚均能滿足結(jié)構強度要求。鋼岔管最大合位移為8.34 mm，出現(xiàn)在主管頂部靠近三梁附近區(qū)域。從表4中各關鍵點應力均能滿足正常運行工況下的允許應力要求。

a 外表面

b 內(nèi)表面

c 中面圖3 三岔管正常運行工況Mises應力云示意(單位：MPa)

a 外表面

b 內(nèi)表面

c 中面圖4 正常運行工況三梁Mises應力云示意(單位：MPa)

圖5 正常運行工況管殼合位移云示意(單位：m)

圖6 三岔管關鍵點位置示意

表4 正常運行工況下岔管計算結(jié)果MPa

4 水壓試驗工況分析

對鋼岔管進行水壓試驗，可削減構件應力峰值、鈍化缺陷處應力和對設計、材料、施工質(zhì)量進行檢驗的有效方法[10-11]。本節(jié)采用有限元法，對岔管方案進行水壓試驗工況計算，內(nèi)水壓力為1.375 MPa。水壓試驗布置如圖7所示，關鍵點如圖8所示。按照壓力鋼管設計規(guī)范的規(guī)定，主管兩端部為橢球悶頭，悶頭矢高為1.05 m，經(jīng)過試算悶頭厚度取30 mm。一端悶頭中心點取固端全約束，另一端取X方向和Z方向位移約束。鋼岔管管殼網(wǎng)格全部采用ANSYS中shell 181殼單元(計算結(jié)果見表5所示)。

圖7 三岔管水壓試驗布置示意

圖8 三岔管關鍵點位置示意

表5 水壓試驗工況下岔管計算結(jié)果 MPa

由表5可知，主管和掉頭岔岔管的中面應力極值均小于鋼材的局部應力允許值255 MPa，其外表面與內(nèi)表面應力極值均小于鋼材的局部膜應力+彎曲應力允許值318 MPa，滿足允許應力的要求。掉頭岔悶頭部位整體膜應力和局部應力也分別低于鋼材相應的允許應力為223 MPa和318 MPa，說明掉頭岔的悶頭壁厚均能滿足結(jié)構強度要求。主管悶頭部位整體膜應力和局部應力也分別低于鋼材相應的允許應力223 MPa和318 MPa，說明主管悶頭的矢高尺寸和壁厚30 mm可以滿足結(jié)構強度要求。

5 檢修工況分析

鋼岔管檢修時，鋼管內(nèi)無水壓。根據(jù)鋼管規(guī)范的要求，應對鋼岔管應校核抗外壓穩(wěn)定。提高鋼管抗外壓穩(wěn)定常用措施為增加管壁厚度、設計加勁環(huán)、外包鋼筋混凝土等。對直鋼管(圓樁管)抗外壓穩(wěn)定規(guī)范有計算公式[12-13]，但迄今為止，鋼岔管尚無相應的抗外壓穩(wěn)定計算公式。一般仍近似按圓柱管(取岔管分岔處最大直徑)校核其抗外壓穩(wěn)定。各岔管臨界外壓力根據(jù)《水電站壓力鋼管設計規(guī)范》(SL281-2020)中推薦的埋藏式鋼管光面管臨界外壓力公式計算。

(1)

式(1)中t采用計算厚度(即計算時扣除4 mm銹蝕厚度)，鋼材屈服強度取329 MPa，經(jīng)計算，鋼岔管外包鋼筋混凝土后，按埋管計算光面管計算臨界壓力為1.04 MPa，相應抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)為10.4，均大于2.0，滿足規(guī)范抗外壓穩(wěn)定要求。

6 結(jié)語

本文對多功能大口徑高壓岔管結(jié)構進行三維有限元計算分析，得到了鋼岔管的體型和受力特性，可以得出如下結(jié)論：

1) 經(jīng)過正常運行工況、水壓試驗工況下掉頭岔、進人岔、通風岔等通過三梁加強或貼邊補強后，各部位整體膜應力、局部應力均小于鋼材相應的應力允許值，說明所設計的岔管體形、管壁厚度以及加強梁尺寸是可行的，可以滿足工程要求。

2) 檢修工況下，由于鋼岔管外(水)壓力相對較小，鋼(岔)管外包鋼筋混凝土后，不需要設置加勁環(huán)就能滿足抗外壓穩(wěn)定要求。

許多工程實踐表明，鋼岔管是輸水系統(tǒng)中非常關鍵的部位，其施工工藝和質(zhì)量直接影響到工程進度和安全，應該從材料采購、制作安裝、焊縫檢測等工序入手，加強各個環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量管理，比如加強對原材料鋼板的檢測，要求其滿足相關的質(zhì)量標準；對鋼岔管焊接質(zhì)量和焊縫檢測嚴格要求，避免產(chǎn)生焊接裂紋，在條件允許的情況下，建議進行水壓試驗，以進一步檢驗焊縫質(zhì)量，消減焊接殘余應力，確保鋼岔管質(zhì)量。