3第三章压力管道总论及明钢管

第三章压力管道总论及明钢管3.1压力管道的功用和类型3.2压力管道的供水方式和水力计算3.3压力钢管的材料及强度3.4压力钢管的设施和构造3.5明钢管线路选择和布置3.6作用在钢管及墩座上的力和荷载3.7明钢管的结构分析3.8明钢管的抗外压失稳3.9镇墩和支墩结构分析黑龙江大学水利电力学院3.1压力管道的功用和类型黑龙江大学水利电力学院3.1.1压力管道的功用与特点作用：将水从水库、前池或调压室引入水轮机。特点：坡度陡内水压力大，承受水电站大部分或全部水头，承受水锤动水压力靠近厂房3.1压力管道的功用和类型黑龙江大学水利电力学院3.1.2压力管道的类型及适用条件1.按管壁材料分类(1)钢管：强度高，抗渗性能好。应用：中/高水头水电站(2)钢筋混凝土管：造价低，刚度较大、经久耐用，能承受较大外压，管壁承受拉应力能力较差。应用：水头较低的中小型水电站。(3)钢衬钢筋混凝土管：应用：水头较高的情况(4)玻璃钢管：水流摩阻系数小，重量轻。应用：水头不高、流量较小的中小型水电站。3.1压力管道的功用和类型黑龙江大学水利电力学院3.1.2压力管道的类型及适用条件1.按管壁材料分类钢管管节钢筋混凝土管3.1压力管道的功用和类型黑龙江大学水利电力学院3.1.2压力管道的类型及适用条件2.按管道布置方式分类（1）地面压力管道（明管、露天式压力管道）：露天铺设。应用：引水式地面厂房。3.1压力管道的功用和类型黑龙江大学水利电力学院3.1.2压力管道的类型及适用条件2.按管道布置方式分类（2）地下压力管道：布置在地面以下成为地下管道。应用：电站厂房布置在地下或地形地质条件不宜布置成明管时采用。地下埋管：压力管道埋入岩体中，内水压力由管壁和周围岩体分担。回填管：地面开挖沟槽，压力管道铺设在沟槽内后，再以土石回填，内水压力全部由管壁承担。3.1压力管道的功用和类型黑龙江大学水利电力学院3.1.2压力管道的类型及适用条件2.按管道布置方式分类3.1压力管道的功用和类型地下埋管施工中黑龙江大学水利电力学院3.1.2压力管道的类型及适用条件2.按管道布置方式分类（3）坝体压力管道：坝式水电站厂房紧靠坝体布置，压力管道穿过坝身成为坝体压力管道。应用：坝后式、坝内式、地下式厂房。坝内埋管：埋设于混凝土坝体内的压力管道，常采用钢管。安装与大坝施工干扰较大，且影响坝体强度。3.1压力管道的功用和类型黑龙江大学水利电力学院3.1.2压力管道的类型及适用条件3.1压力管道的功用和类型2.按管道布置方式分类坝上游面管道：管道大部分位于上游坝体坝面外，仅厂房前较短一段穿过坝身。坝内管线短，坝体应力小，对施工干扰小。管道受上游水压力的影响。适用：薄拱坝。坝下游面管道(坝后背管)：将压力钢管穿过上部混凝土坝体后布置在下游坝坡上。布置较坝内式的稍长，且管壁要承受全部内水压力，管壁厚度较大，用钢量多。适用：宽缝重力坝、支墩坝及薄拱坝的坝后式厂房。黑龙江大学水利电力学院3.1.2压力管道的类型及适用条件3.1压力管道的功用和类型2.按管道布置方式分类（3）坝体压力管道坝内埋管（倾斜式布置）黑龙江大学水利电力学院3.1.2压力管道的类型及适用条件2.按管道布置方式分类（3）坝体压力管道3.1压力管道的功用和类型平斜式布置平式布置竖直式布置坝内埋管黑龙江大学水利电力学院倾斜式布置这种布置多用于混凝土重力坝坝后式厂房管轴线近似与坝下游坡平行并尽量靠近下游坝面特点：优点：进水口位置较高，承受水压小，闸门和启闭设备造价低；管道纵轴与坝体内较大的主压应力方向平行，可以减小管道周围坝体内由坝的荷载所引起的拉应力；管道位置高，与坝体施工干扰少。缺点：管道较长，弯段多。水头损失和水击压力较大。管道与下游坝面之间的混凝土厚度较小，对坝体承受内水压力不利。3.1压力管道的功用和类型黑龙江大学水利电力学院平式和平斜式布置拱坝厚度不大，管径较大；死水位较低，进水口又必须在死水位以下情况。当进水口高程较高时，一般用斜管和水轮机相连当坝不高且进口高程布置较低时，钢管可以水平或接近水平布置，穿过坝体。特点：管线较短，弯段少，水头损失和水击压力较小，造价较低；管道在混凝土中埋得较深，可以考虑钢管和混凝土联合受力。坝体受力不好；进水口和闸门设备投资大，钢管安装和混凝土浇筑干扰较大，不利于加快大坝施工3.1压力管道的功用和类型黑龙江大学水利电力学院竖直式布置多用于坝内式厂房。对于一些比较薄的拱坝，如果要设埋管，也可采用竖直式布置。但由于孔口对坝体有削弱作用，对拱坝应力求避免采用此布置。特点：进水口水压力小，闸门和启闭设备造价低，对施工干扰小。管道弯曲大，水头损失大；坝体受力不好。3.1压力管道的功用和类型黑龙江大学水利电力学院3.1.2压力管道的类型及适用条件3.1压力管道的功用和类型2.按管道布置方式分类（3）坝体压力管道坝上游面管道黑龙江大学水利电力学院3.1.2压力管道的类型及适用条件2.按管道布置方式分类（3）坝体压力管道3.1压力管道的功用和类型坝下游面管道黑龙江大学水利电力学院3.1.2压力管道的类型及适用条件3.1压力管道的功用和类型三、坝体下游面压力管道（坝后背管）

近年来，国内外开始在较高水头的大型混凝土坝后式水电站中，将压力管道布置在下游坝面上。坝型包括：重力坝、重力拱坝、拱坝、支墩坝、双支墩空心重力坝等

优点：只有进口后一小段管道穿过坝体，不削弱坝体；对大坝施工无干扰；能充分发挥钢材的强度。

缺点：管道长度较大，水头损失和水击压力较大；管道正常运行时受大气温度的影响较大。

黑龙江大学水利电力学院3.2压力管道的供水方式和水力计算黑龙江大学水利电力学院3.2.1压力管道的供水方式1.供水方式3.2压力管道的供水方式和水力计算单元供水Next联合供水分组供水黑龙江大学水利电力学院单元供水每台机组都有一根水管供水。优点：结构简单，运行方便可靠，一根故障或检修不影响其他。缺点：费材，工程量大，造价高适用：坝式电站，明管Back3.2压力管道的供水方式和水力计算黑龙江大学水利电力学院联合供水多台机组共用一根总水管。优点：机组多时水管数量少，管理方便，较经济缺点：总管发生故障或检修时，由它供水的机组都要停止，每台机组都要安设阀门以便检修该机组时不影响其他机组运行。适用：水头较高，流量较小的电站、地下厂房。Back3.2压力管道的供水方式和水力计算黑龙江大学水利电力学院分组供水由多根水管供水，每根水管同时向两台以上机组供水。特点：介于以上两种供水方式之间。适用：管道较长，机组台数较多，需限制管径过大的水电站。Back3.2压力管道的供水方式和水力计算黑龙江大学水利电力学院3.2.2压力管道直径选择D↓→用材和造价↓→流速↑→水头损失和电能损失↑D↑→用材和造价↑→流速↓→水头损失和电能损失↓经过技术经济比较之后才能确定管径。经济直径的选择3.2压力管道的供水方式和水力计算1.经验公式（彭德舒公式）式中：为通过钢管的最大流量，为电站设计水头。黑龙江大学水利电力学院式中：为水轮机额定出力（kW），为电站设计水头。2.统计公式

3.经济流速法（用于初步设计或不太重要工程）

3.2.2压力管道直径选择3.2压力管道的供水方式和水力计算黑龙江大学水利电力学院当压力管道比较长时，水电站压力管道的直径随水头的增高而逐渐减小是经济合理的，但变径次数不宜过多，通常在镇墩处变径并设渐变段，渐变段应包括在镇墩内部。式中：Qd——压力管道的设计流量m3/s

Ve——经济流速。①明钢管和地下埋管：4~6m/s；②钢筋混凝土管：2~4m/s；③坝内埋管：水头在30~70m时，取3~6m/s，水头在70~100m时，取5~7m/s。3.2.2压力管道直径选择3.2压力管道的供水方式和水力计算黑龙江大学水利电力学院3.2.3压力管道的水力计算恒定流计算(按水力学计算)确定管道的水头损失(包括沿程和局部)，以供确定水轮机的工作水头、选择装机容量、计算电能和确定管径之用。非恒定流计算(七、八、九章内容)水锤计算(N变→Q变→H变)，确定管道中各点的动水压力和变化过程，为管道的结构设计和机组运行提供依据。也用于确定管线的:(1)正常工作情况最高压力线；(2)特殊工作情况最高压力线；(3)最低压力线。3.2压力管道的供水方式和水力计算黑龙江大学水利电力学院1.沿程摩阻水头损失：处于紊流，可按曼宁公式计算

式中：i——单位管长的摩阻水头损失

n——压力管道糙率

R——压力管道的水力半径

V——压力管道中水体的流速3.2.3压力管道的水力计算3.2压力管道的供水方式和水力计算黑龙江大学水利电力学院2.局部水头损失进口、拦污栅、门槽、渐变段、弯段、分岔管等部位，按水力学公式计算。3.2.3压力管道的水力计算3.2压力管道的供水方式和水力计算黑龙江大学水利电力学院3.3压力钢管的材料及强度3.3.1钢材性能的基本要求3.3.2允许应力和强度校核3.3.3水电站管道钢材的现状黑龙江大学水利电力学院3.3压力钢管的材料及强度3.3.1钢材性能的基本要求1.机械性能机械性能一般指钢材的屈服强度σs、抗拉强度σb

、塑性指标（断裂时的延伸率δ和断面收缩率ψ）、常规冲击韧性ak、断裂韧性值。屈服强度和抗拉强度是钢材强度的两个特征值，屈服强度是容许使用应力的上限，钢管的工作应力不许超过它。黑龙江大学水利电力学院3.3压力钢管的材料及强度3.3.1钢材性能的基本要求1.机械性能延伸率是试件破坏时的相对变形值，代表材料的塑性性能，普通碳素钢约为20%-24%。钢材的脆性破坏和时效硬化趋向及材料抗重复荷载和动荷载的性能用冲击韧性表示。冲击韧性通过试验确定，其值应不小于规范规定的值(68.7~78.5N·m/cm2)。

黑龙江大学水利电力学院3.3压力钢管的材料及强度3.3.1钢材性能的基本要求2.工艺性能钢材的工艺性能主要指辊轧、冷弯、焊接等方面的性能，应通过样品试验确定。冷弯性能对于制造钢管的钢材特别重要，因为制造钢管的基本作业是辊轧和弯曲，经过冷作业的钢板发生塑性变形，故发生冷强，继而时效硬化，钢材变脆。焊接性能指钢材焊接后的性能，应保证焊缝不开裂，也不降低焊缝及相邻母材的机械性能（如强度、延伸率、冲击韧性等）。黑龙江大学水利电力学院3.3压力钢管的材料及强度3.3.1钢材性能的基本要求3.化学成分钢材的化学成分直接影响着钢材强度、延伸率和焊接性能。当碳素钢的含碳量超过0.22%时，硬度急剧上升，塑性和冲击韧性降低，可焊性恶化。硅的存在有同样的影响，含量应限制在0.2%以内。稀有金属镍和锰能够提高钢材的机械性能。硫增加热脆性、磷增加冷脆性，硫、磷含量高使钢材变脆，强度降低。对以上各种杂质必须严格控制。黑龙江大学水利电力学院3.3压力钢管的材料及强度3.3.2允许应力和强度校核1.允许应力[σ]钢材的强度指标一般用屈服强度σs表示。钢材的容许应力[σ]一般用σs除以安全系数K获得。不同的荷载组合及不同的内力、应力特性应采用不同的容许应力。对于高强度钢材，若屈服强度与抗拉强度之比值（常称屈强比）大于0.67，应适当降低容许应力值。2.强度校核(第四强度理论)

黑龙江大学水利电力学院3.3压力钢管的材料及强度3.3.3水电站管道钢材的现状1.我国情况我国水电站钢管现在常用的是普通低碳钢A3钢（屈服强度σs=235N/mm2）和低合金16Mn钢（屈服强度σs=345N/mm2）。其次是15MnV钢和15MnTi钢（屈服强度σs=390N/mm2）。这类镇静钢生产工艺较简单，价格不贵，加工和焊接性能好，但屈服强度低。随着钢管参数的提高，不能满足工程上的要求。黑龙江大学水利电力学院1.我国情况试用过15MnMoVCu（σs=490N/mm2）和14MnMoNbB（σs=690N/mm2

，塑性、韧性和可焊性差，热处理工艺要求复杂，未列入国家标准，没有推广使用。研制出的抗拉强度为600N/mm2级的裂纹敏感性低的CF(Crackfreesteel)钢，性能好，但价格昂贵，极少在水电站钢管中实际应用。我国目前尚无合适制造HD值很大的压力钢管用的高强度钢材。

3.3压力钢管的材料及强度3.3.3水电站管道钢材的现状CF钢的特性CF钢：Crach—freesteel，低裂纹敏感性调质高强度钢，抗拉强度590-610Mpa，屈服强度460-490Mpa。我国产品有：07MnCrMoVR;07MnNiMoVDR;09MnTiCuReDR日本产品：HT-60;HT-70;HT-80黑龙江大学水利电力学院黑龙江大学水利电力学院3.3压力钢管的材料及强度3.3.3水电站管道钢材的现状1.国外情况水电站钢管中较多使用高强度钢材。日本普遍采用抗拉强度为600~800N/mm2的HT-60、HT-70、HT-80高强度钢制造水电站钢管。美国采用同等强度等级的A517高强度钢制造水电站钢管。前苏联采用抗拉强度为700N/mm2等级的高强度钢材。

黑龙江大学水利电力学院什么是明钢管？暴露在空气中的压力钢管。在中小型引水式水电站中应用广泛。3.4压力钢管的设施和构造黑龙江大学水利电力学院1.接缝与接头(1)无缝钢管在工厂压轧成无纵缝的管节，运到现场后用横向焊缝或法兰将管节连成整体。适用：高水头，小流量的水电站。3.4压力钢管的设施和构造3.4压力钢管的设施和构造黑龙江大学水利电力学院1.接缝与接头(2)焊接钢管由辊卷成圆弧形的钢板，用纵缝和横缝焊接而成。纵缝：焊缝交错排列，避开两个中心轴纵缝与水平轴线和垂直轴线的夹角应大于15°3.4压力钢管的设施和构造3.4压力钢管的设施和构造黑龙江大学水利电力学院1.接缝与接头(3)箍管在无缝钢管或焊接钢管外套上无缝钢环（钢箍）而成。特点：管壁和钢箍共同承受内水压力，以减小管壁厚度。适用：水头极高的电站。3.4压力钢管的设施和构造3.4压力钢管的设施和构造黑龙江大学水利电力学院2.弯管和渐缩管（1）弯管：钢管在水平或竖直方向内改变方向时，需要装置弯管以保持水流顺畅。每一折线段两端径向线的夹角以5~7度为宜。夹角越小，水流条件越好。弯管的曲率半径不宜小于3倍管径。弯管首尾应为半节，使相邻管节在接缝处的相贯线形状相同。3.4压力钢管的设施和构造3.4压力钢管的设施和构造黑龙江大学水利电力学院3.4压力钢管的设施和构造3.4压力钢管的设施和构造2.弯管和渐缩管（1）弯管黑龙江大学水利电力学院2.弯管和渐缩管（2）渐缩管：不同直径钢管段连接时需设置渐缩管。渐缩管的收缩角不宜过大，宜采用：θ=10°~16°渐缩管与相邻管段之间常以横向焊缝连接。当渐缩管与弯管位置相近时，宜合并成渐缩弯管。分段式钢管的弯管和渐缩管均须埋于镇墩中。3.4压力钢管的设施和构造3.4压力钢管的设施和构造黑龙江大学水利电力学院2.弯管和渐缩管（2）渐缩管3.4压力钢管的设施和构造3.4压力钢管的设施和构造黑龙江大学水利电力学院3.加劲环为提高抗外压稳定，或为加强钢管制作、安装时的刚度，在管外设置的环状结构。加劲环常用矩形、T形或槽形的型钢制作。3.4压力钢管的设施和构造3.4压力钢管的设施和构造黑龙江大学水利电力学院4.支承环：钢管与支座之间起支承、加固作用的环状结构。作用：防止支墩直接接触管壁，加强支承处钢管的强度和刚度。支承环沿管周箍设，断面可为工字形、T形、矩形、槽形等。3.4压力钢管的设施和构造3.4压力钢管的设施和构造黑龙江大学水利电力学院5.分岔管当水电站采用联合供水或分组供水时，钢管进入厂房之前必须设置分岔管。对称分岔：钢管为正向进水时多用之。非对称分岔：侧向和斜向进水时多用之。3.4压力钢管的设施和构造3.4压力钢管的设施和构造黑龙江大学水利电力学院6.闸门及阀门压力管道进口设快速闸门(事故门)——在前池、调压室、水库等位置。对于联合供水或分组供水的管道，在水轮机进口前应设快速阀门(事故阀)，紧急切断水流，防止机组产生飞逸。对于单元供水的电站，当水头高于120m或管道较长时，经技术经济比较，也可设置主阀。其型式有蝴蝶阀、球阀，小型水电站有时用平板阀3.4压力钢管的设施和构造3.4压力钢管的设施和构造黑龙江大学水利电力学院6.闸门及阀门（1）蝴蝶阀(ButterflyValve)优点：启闭力小，操作方便迅速，体积小,重量轻，造价低。缺点：开启状态时，阀体对水流有扰动，水头损失较大；关闭状态止水不严。动水中关闭，在静水中开启3.4压力钢管的设施和构造3.4压力钢管的设施和构造黑龙江大学水利电力学院蝴蝶阀关开黑龙江大学水利电力学院6.闸门及阀门（2）球阀：球形外壳+可旋转的圆筒形阀体+附件优点：开启状态时没有水头损失，止水严密，能承受高压。缺点：结构复杂，尺寸和重量大，造价高。适用：高水头电站。世界上最大的球阀3.4压力钢管的设施和构造3.4压力钢管的设施和构造黑龙江大学水利电力学院球阀关开黑龙江大学水利电力学院6.闸门及阀门（3）闸阀：阀体在门槽中的滑动方式与一般的平板闸门相似。特点：安装和维修比较简单，止水严密，运行可靠；但启闭力大，动作缓慢，封水环易被磨损，也容易产生空蚀现象。适用：只适用于直径较小的压力钢管。3.4压力钢管的设施和构造3.4压力钢管的设施和构造黑龙江大学水利电力学院7.附件（1）伸缩节功用：消除温度应力，且适应少量的不均匀沉陷位置：常在上镇墩的下游侧两镇墩之间一般要求布置伸缩节，伸缩节间距不宜超过150m。3.4压力钢管的设施和构造3.4压力钢管的设施和构造黑龙江大学水利电力学院伸缩节(a)套筒式伸缩节(b)波纹密封套筒式伸缩节(c)压盖式限拉伸缩节(d)波纹管伸缩节黑龙江大学水利电力学院7.附件（2）通气孔和通气阀作用：当阀门紧急关闭时，向管内充气，以消除管中负压；水管充水时，排出管中空气。即：放空时补气，充水时排气。位置：阀门之后当进水口较深时，可采用通气阀，在正常运行时保持关闭状态，发生负压时开启，自动补气，充水时自动排气。3.4压力钢管的设施和构造3.4压力钢管的设施和构造黑龙江大学水利电力学院3.4压力钢管的设施和构造3.4压力钢管的设施和构造7.附件（2）通气孔和通气阀黑龙江大学水利电力学院7.附件（3）进人孔和进水阀当明钢管很长时，为便于观察和检修管道内部，常在镇墩上游侧管道上设置进人孔。为便于检修钢管时将管内积水排出，通常在压力钢管的最低点设置排水阀。3.4压力钢管的设施和构造3.4压力钢管的设施和构造进人孔黑龙江大学水利电力学院7.附件（4）钢管的保护装置和防腐蚀措施保护装置：在钢管破裂后管内流速增大时能迅速发出信号关闭闸门，防止事故扩大。防腐蚀措施：金属热喷涂、涂料保护、电化学保护和涂料联合防腐蚀。3.4压力钢管的设施和构造3.4压力钢管的设施和构造黑龙江大学水利电力学院3.5明钢管线路选择和布置3.5明钢管线路选择和布置3.5.1明管线路选择3.5.2明管布置3.5.3明钢管敷设和支承方式黑龙江大学水利电力学院3.5.1明管线路选择压力管道路线选择应符合水电站枢纽总体布置要求，并考虑地形、地质、水力学、施工及运行等条件，经技术经济比较之后确定。原则：1.尽可能短而直；2.选择良好的地形、地质条件；3.应满足运行安全要求；4.尽量减少管道线路的起伏波折；4.应满足施工要求。3.5明钢管线路选择和布置黑龙江大学水利电力学院1.压力管道的引近方式(a)、(b)正向引进

(c)、(d)侧向引进

(e)斜向引进

Next3.5.2明管布置3.5明钢管线路选择和布置黑龙江大学水利电力学院正向引近管道的轴线与厂房的纵轴线垂直。优点：水流平顺、水头损失小，开挖量小、交通方便。缺点：钢管发生事故时直接危机厂房安全。适用：中、低水头电站。Back3.5明钢管线路选择和布置黑龙江大学水利电力学院侧向引近管道的轴线与厂房的纵轴线平行。优点：避免水流直冲厂房。缺点：水头损失增加，管材用量增加，开挖工程量较大。适用：高、中水头电站。Back3.5明钢管线路选择和布置黑龙江大学水利电力学院斜向引近管道的轴线与厂房的纵轴线斜交。特点：介于上述两者之间适用：分组供水和联合供水。Back3.5明钢管线路选择和布置黑龙江大学水利电力学院3.5.2明管布置3.5明钢管线路选择和布置2.管道高程应保证管内在运行情况下不出现负压。布置管线时，应使钢管顶部至少在最低压力线以下2m。钢管底与地面净距不得小于0.6m，以便于检修。黑龙江大学水利电力学院明钢管一般敷设在一系列支墩上，离地面不小于60cm转弯处设镇墩，将水管完全固定，相当于梁的固定端。水管受力明确，在自重和水重作用下，相当于一个多跨连续梁。3.5.3明钢管敷设和支承方式3.5明钢管线路选择和布置黑龙江大学水利电力学院1.敷设方式（1）连续式明钢管管身在两镇墩之间是连续的，中间不设伸缩节。工程中一般较少用之。3.5.3明钢管敷设和支承方式3.5明钢管线路选择和布置黑龙江大学水利电力学院1.敷设方式（2）分段式在两镇墩之间设置伸缩节将钢管管身分段。钢管轴线弯转处设镇墩，镇墩间管段用支墩支承，两镇墩间设伸缩节。支墩起支承管身的作用。伸缩节宜设在靠近镇墩的下游侧。明钢管多用之。3.5.3明钢管敷设和支承方式3.5明钢管线路选择和布置黑龙江大学水利电力学院2.镇墩及其构造——承受轴向力镇墩是保持钢管段不发生位移、倾覆和扭转的支承结构物。作用：依靠自身的重量来固定钢管承受因钢管改变方向及管径变化而产生的轴向不平衡力使钢管在任何方向均不产生位移和转角3.5.3明钢管敷设和支承方式3.5明钢管线路选择和布置黑龙江大学水利电力学院1.镇墩及其构造镇墩为重力式结构。基础为软基时，底面宜做成水平；若为岩基，底面宜做成台阶式。布置：在水管转弯处，直线段超过150m时。类型：一般由混凝土浇制，靠自重维持稳定。封闭式：应用广泛。结构简单，节约钢村，固定效果好。开敞式：采用较少。易于检修，但受力不均匀。3.5.3明钢管敷设和支承方式3.5明钢管线路选择和布置黑龙江大学水利电力学院2.镇墩及其构造封闭式开敞式3.5.3明钢管敷设和支承方式3.5明钢管线路选择和布置黑龙江大学水利电力学院3.支墩（支座）及其构造——支承管、水重在法向的分力功用：承受水重和管重的法向分力。相当于连续梁的滚动支承，允许水管在轴向自由移动(温度变化时)。布置：间距L=6~12m，D特别大时，L取3m。L小→M、Q小→支墩造价高。两相邻镇墩之间，支墩宜等间距布置，设伸缩节的一跨，间距宜缩短。类型：滑动式、滚动式、摆动式。Next3.5.3明钢管敷设和支承方式3.5明钢管线路选择和布置黑龙江大学水利电力学院(1)滑动支墩鞍式钢管直接支承在鞍型的混凝土支墩上，包角90~135°结构简单，造价低，摩擦力大，支承部位受力不均匀适用：D<1m无支承环及D<2m有支承环的钢管。平面滑动式在支墩处管身四周加刚性支承环。摩擦力小，支承部位受力较均匀适用：D=1~3m有支承环的钢管。Back3.5明钢管线路选择和布置黑龙江大学水利电力学院(2)滚动支墩在支承环与墩座之间加圆柱形辊轴，摩擦系数f小，适用于D>2m。Back3.5明钢管线路选择和布置黑龙江大学水利电力学院(3)摆动支墩在支承环与墩座之间设一摆动短柱。摩擦系数f很小，适用于大直径管道。Back3.5明钢管线路选择和布置黑龙江大学水利电力学院3.6作用在钢管及墩座上的力和荷载一、力和荷载的种类(一)力和荷载1．内水压力。(1)正常蓄水位的静水压力。(2)正常工况最高压力(正常蓄水位，丢弃全负荷)(3)特殊工况最高压力(最高发电水位，丢弃全负荷)(4)水压实验内水压力，常为设计水头的1.2~1.3倍。2．钢管结构自重。3．钢管内的满水重。3.6作用在钢管及墩座上的力和荷载黑龙江大学水利电力学院4．钢管充水，放水过程中，管内部分水重。5．由温度变化引起的力，对分段敷设的明钢管，即伸缩节和支墩的摩擦力。6．管道直径变化处，转弯处及作用在闷头，闸阀，伸缩节上的水压力；7．镇墩、支墩不均匀沉陷引起的力；8．风荷载；9．雪荷载；10．施工荷载；11．地震荷载；12．管道放空时通气设备造成的气压差；3.6作用在钢管及墩座上的力和荷载3.6作用在钢管及墩座上的力和荷载黑龙江大学水利电力学院一、力和荷载的种类(二)荷载的分解1．径向力：沿管径方向的作用力（如内水压力）。2．法向力：垂直于管道纵轴方向的作用力。3．轴向力：沿管道纵轴方向的作用力。3.6作用在钢管及墩座上的力和荷载3.6作用在钢管及墩座上的力和荷载黑龙江大学水利电力学院镇墩镇墩伸缩节支墩钢管阀门轴向法向径向3.6作用在钢管及墩座上的力和荷载3.6作用在钢管及墩座上的力和荷载黑龙江大学水利电力学院3.6作用在钢管及墩座上的力和荷载1.径向力

内水压力属于径向力，是地面式压力钢管所承受的最主要的外荷载。当管径D较小，水头H

较高时

内水压强为：，式中：H0为静水头。若考虑水击压力，则可得设计钢管的总内水压强3.6作用在钢管及墩座上的力和荷载黑龙江大学水利电力学院3.6作用在钢管及墩座上的力和荷载当管径D较大，水头H

较低时，应考虑不均匀水压力设钢管纵轴线与水平地面的夹角为则C点的内水压强为A点和B点的内水压强为是否考虑不均匀水压力的标准为当时，考虑不均匀水压力。3.6作用在钢管及墩座上的力和荷载黑龙江大学水利电力学院3.6作用在钢管及墩座上的力和荷载2.法向力

主要为钢管自重与水重在垂直于管轴方向上的分力。作用于每一个支墩上的法向力为式中：为单位长度钢管自重；为单位管长中水重；为支墩间距；为管纵轴线与水平地面的夹角。3.6作用在钢管及墩座上的力和荷载黑龙江大学水利电力学院3.6作用在钢管及墩座上的力和荷载3.轴向力（1）钢管自重的轴向分力（2）作用在阀门上的轴向力（3）作用在弯管段的轴向力H3.6作用在钢管及墩座上的力和荷载黑龙江大学水利电力学院3.6作用在钢管及墩座上的力和荷载（4）水流在转弯处离心力的轴向分力（5）管径变化处的内水压力（6）伸缩节处钢管端面的内水压力3.6作用在钢管及墩座上的力和荷载黑龙江大学水利电力学院3.6作用在钢管及墩座上的力和荷载（7）温度变化时，伸缩节止水填料与管壁产生的摩擦力（8）温度变化时，支墩与钢管的摩擦力式中：f为支墩与钢管的摩擦系数。鞍式支墩与混凝土摩擦：f=0.6~0.75加钢垫板：f=0.5；若常加油：f=0.3支承环式支墩滑动式：f=0.3~0.5滚动式：f=0.1摇摆式：f=03.6作用在钢管及墩座上的力和荷载黑龙江大学水利电力学院3.6作用在钢管及墩座上的力和荷载（9）水流对管壁产生的摩擦力v式中：hf

为计算管段的摩擦水头损失（沿程水头损失）。

如果钢管上没有伸缩节，就不会产生A6、A7、A8三个轴向力，但由于钢管完全固定在相邻两个镇墩中，将产生如下两个轴向力。（10）由于钢管径向受力变形所引起的轴向力式中：为钢管的泊松比；为管壁上产生的环向应力；为钢管的断面积。3.6作用在钢管及墩座上的力和荷载黑龙江大学水利电力学院3.6作用在钢管及墩座上的力和荷载（11）由于温度变化所引起的轴向力式中：为钢管的线膨胀系数；E

为钢管的弹性模量；为温度变化值。说明：1）以上力不会同时作用，计算时应选择最不利组合；

2）这些轴向力绝大部分都传到镇墩上，可以说是镇墩的外荷载，只有少部分由支墩以摩擦力的形式承担。3.6作用在钢管及墩座上的力和荷载黑龙江大学水利电力学院二、计算工况与荷载组合(一)基本荷载组合1．正常运行情况一：(2)+2+3+5+6+7。2．正常运行情况二：(1)+2+3+5+6+7+8或9。3．放空情况：12。3.6作用在钢管及墩座上的力和荷载3.6作用在钢管及墩座上的力和荷载黑龙江大学水利电力学院3.6作用在钢管及墩座上的力和荷载3.6作用在钢管及墩座上的力和荷载二、计算工况与荷载组合(二)特殊荷载组合1．特殊运行情况：(3)+2+3+5+6+7。2．水压试验情况：(4)+2+3+6。3．施工情况：2+5+8或9+10。4．充水情况：2+4。5．地震情况：(1)+2+3+5+6+7+11。黑龙江大学水利电力学院3.7明钢管的结构分析3.7明钢管的结构分析一、管壁厚度估算

由于地面式压力钢管的主要荷载为内水压力，所以根据内水压力来初估管壁厚度。取单位管长，沿任一管径切取计算断面，内水压力产生环向拉应力，根据平衡条件得D∴可用代替

由于此式未考虑其它荷载，单用代替是不合理的，一般用乘以K=0.75~0.85的折减系数代替。考虑焊缝的强度降低，应乘以焊缝系数φ，φ=0.9~0.95黑龙江大学水利电力学院考虑到钢管管壁厚度的制造误差以及钢管运行中的磨损和锈蚀，管壁厚度δ应比计算厚度至少增加2mm的厚度欲量；对泥沙磨损、腐蚀较严重的钢管，还应专门论证。实际工程中，对于不同管径的管壁最小结构厚度应不小于6mm，且同时满足下式条件：3.7明钢管的结构分析3.7明钢管的结构分析所以，初估时

注意：计算应力时用计算厚度，计算荷载时用结构厚度。（锅炉公式）

黑龙江大学水利电力学院3.7明钢管的结构分析3.7明钢管的结构分析二、钢管应力分析44223311t

明管敷设在一系列支墩上，支座处的管壁常加支承环，为保持管壁的抗外压稳定，有时支承环间需设加劲环。管壁应力计算一般选四个控制断面，即：跨中断面1-1；支承环旁管壁膜应力区边缘，断面2-2；加劲环及其旁管壁，断面3-3；支承环及其旁管壁，断面4-4。如下图所示。黑龙江大学水利电力学院3.7明钢管的结构分析3.7明钢管的结构分析（一）跨中断面1-1的管壁应力跨中断面的特点是弯矩最大，剪力等于零内壁径向压应力为，渐变到管外壁为0。

说明：计算中拉应力为正，压应力为负；由于比小得多，一般计算中可忽略。

1．径向应力σr2．环向应力σθ1（锅炉公式）

黑龙江大学水利电力学院3.7明钢管的结构分析3.7明钢管的结构分析3．轴向应力σx(1)由轴向力引起的轴向应力σx1(2)轴向应力σx2式中：F为管壁断面积；为轴向力荷载之和。

注意：计算时，若A

为压力，则A

前加负号。

地面式压力钢管可看作为一多跨简支梁。计算简图如下。黑龙江大学水利电力学院3.7明钢管的结构分析3.7明钢管的结构分析黑龙江大学水利电力学院3.7明钢管的结构分析3.7明钢管的结构分析由材料力学可画出弯矩图和剪力图。

最大弯矩为（支座处为负，跨中为正）。

最大剪力在支座处为

，跨中为0。

式中：为抗弯模量黑龙江大学水利电力学院3.7明钢管的结构分析3.7明钢管的结构分析（二）支承环旁管壁膜应力区边缘，断面2-2的管壁应力为钢管断面计算点以外面积对中心轴的面积矩，

式中：为钢管断面惯性矩，为受剪断面净宽度，黑龙江大学水利电力学院3.7明钢管的结构分析3.7明钢管的结构分析说明：1）在非跨中断面，剪应力在横截面上分布不均匀，在顶点和底点（和）为零。

2）在跨中断面，∵，

（整个横截面上）

断面2-2其它正应力均与断面1-1相同。黑龙江大学水利电力学院3.7明钢管的结构分析3.7明钢管的结构分析（三）加劲环及其旁管壁，断面3-3的管壁应力（1）计算假定

1）在计算中，只考虑内水压力P，其它荷载不考虑。（因为水电站压力钢管荷载中内水压力占95％）

2）刚性环对管壁变形的影响范围较小（弹性理论）影响长度：

对t范围以外部分，不存在局部应力的影响，仍按光滑管计算。黑龙江大学水利电力学院3.7明钢管的结构分析3.7明钢管的结构分析刚性环净断面刚性环有效断面3）（2）求内力M和V

钢管受内水压力作用，在环与钢管交界处将产生均匀分布的径向剪力H和弯矩M，根据弹性理论其中：黑龙江大学水利电力学院3.7明钢管的结构分析3.7明钢管的结构分析黑龙江大学水利电力学院3.7明钢管的结构分析3.7明钢管的结构分析

在内水压力作用下，管壁径向变位如图，则

1）根据弹性理论得：

黑龙江大学水利电力学院3.7明钢管的结构分析3.7明钢管的结构分析∵即

∴2）求：3）求：方法同上∵刚性环处环向拉应力∴黑龙江大学水利电力学院3.7明钢管的结构分析3.7明钢管的结构分析将、、代入得：

再将

代入，可推得

∴式中：称为刚性环刚度系数，

黑龙江大学水利电力学院3.7明钢管的结构分析3.7明钢管的结构分析

局部径向弯矩M产生的管壁轴向局部正应力为（+代表内缘受拉，

-代表外缘受压）

（3）求由内力M和V所产生得应力黑龙江大学水利电力学院

局部径向剪力V产生的管壁横截面中面上的向心径向剪应力为此时，管壁内外缘剪应力为0。

（4）加劲环断面处的环向应力

由于加劲你环断面处所受径向力除内水压力外，还受到径向均匀剪力2V，所以在计算环向应力时应把2V考虑进去，所以其总环向拉应力为黑龙江大学水利电力学院(四)支承环及其旁管壁，断面4-4的管壁应力

支承环与加劲环一样对管壁起约束作用，故上述公式同样适用，不同之处在于支承环还承受由于水重及管重的法向分力G而产生的剪力Q，并将其传给支墩，所以支承环及其旁管壁的应力计算共分三步进行：

1）光滑管支座断面应力计算；

2）刚性环应力计算；

3）作为支承环向下传力产生的应力计算。前两步前面已经讲过，下面讲第三步。

3.7明钢管的结构分析黑龙江大学水利电力学院（1）作用荷载支承环有效断面重心轴连线法向力作用下产生的剪应力为

∵在支座断面

根据可求得支承环管壁单位周长的剪力这是一个荷载，还有一个就是两个支承反力。

S3.7明钢管的结构分析黑龙江大学水利电力学院

这样计算简图变为半径为R

的圆环受单位荷载S和支承反力作用（2）应力计算步骤1）建立基本体系，求超静定力采用结构力学中的弹性支臂法，求出在支臂端产生的三个超静定力、和，由于为反对称结构，所以。2）求沿各计算断面的内力内力包括弯矩、环向轴力和径向剪力，根据材料力学知识可求出。

支承环的内力除取决于它的几何尺寸及外力G外，还与b值有关，即b不同，内力图不同。由于钢材的允许抗拉和抗压强度一样，所以当支承环上的最大正负弯矩相等时，使用钢材最经济。而当时，支承环上的最大正、负弯矩近似相等。此时的内力图为黑龙江大学水利电力学院3）求由这三种内力产生的应力值

式中：为断面上计算应力点到重心轴的距离；为支承环有效断面惯性矩；为支承环有效断面积；为支承环有效断面计算点以外面积对重心轴的静矩；为支承环腹板净宽。

3.7明钢管的结构分析

钢管内径D=3m，镇墩间距80m，支墩间距l=10m，管轴与地面倾角α=30°。上镇墩以下2m处设有伸缩节，填料长b1=0.3m，与管壁摩擦系数f1=0.25。支墩为滚动式，摩擦系数f=0.1。钢材糙率n=0.0135，钢管允许应力[σ]＝120MPa，焊缝系数φ取0.9。钢管末端中心处最大静水头H0=62.0m，水击压力ΔH=0.3H0，水流流速为5m/s。要求对末跨跨中横断面1-1，校核管壁应力强度。3.7明钢管的结构分析黑龙江大学水利电力学院3.8地面式压力钢管的稳定计算

稳定计算的目的主要就是求临界荷载1.光滑管的临界荷载

取单位长度圆管进行研究。设A点径向变位为，其它任一点的径向变位为，从A点取微小弧长段作为研究对象，受力如图，对O点取矩为：

可以把圆管的微小弧长段看作曲梁，则其变形方程为①②∵并将①代入②得

黑龙江大学水利电