武富強(qiáng) 劉杰 李強(qiáng) 羅雪貴

【摘 要】以某大型水電站工程為背景，基于ANSYS軟件建立了引水隧洞壓力鋼管三維有限元模型。研究多種壁厚情況下對(duì)壓力鋼管聯(lián)合受力的影響，可得出結(jié)論：鋼管壁厚的變化對(duì)鋼管、圍巖位移及圍巖的應(yīng)力基本無影響，對(duì)鋼管的應(yīng)力影響較大。對(duì)于埋藏式壓力鋼管而言，圍巖參與聯(lián)合承載的作用不能忽視。

【關(guān)鍵詞】埋藏式；壓力鋼管；壁厚影響；聯(lián)合受力

[文章編號(hào)]1619-2737（2016）05-18-275

【Abstract】In a large hydropower project as the background，based on ANSYS software to build a three-dimensional steel pressure diversion tunnel finite element model. Study under a variety of circumstances to a wall thickness of the penstock affected joint force，it can be concluded： changes in pipe wall thickness of the pipe had no influence on stress，surrounding rock displacement and the surrounding rock，stress steel pipe greater impact. For the penstock，the joint participation of surrounding rock hosting role can not be ignored.

【Key words】Buried；Penstock；Thickness influences；Joint force

1. 引言

（1）壓力管道是從水庫(kù)或引水道末端的壓力前池或調(diào)壓室，將發(fā)電所需用水在有壓的狀態(tài)下引入水輪機(jī)的輸水管[1]。其布置靠近廠房，同時(shí)承受較大的水壓力，一旦失事將危及廠房安全，因此其安全性和經(jīng)濟(jì)性受到特別的重視[2，3]。壓力管道的壁厚是影響工程安全和造價(jià)的一個(gè)很重要的因素，選擇合理的管道壁厚至關(guān)重要[4]。不能隨意增大管道壁厚，壁厚增大，管系產(chǎn)生的熱應(yīng)力也會(huì)增大，反而會(huì)增加管系的不安全因素[5]。由于國(guó)內(nèi)使用的管道標(biāo)準(zhǔn)繁多，各種管道壁厚系列和計(jì)算、選取方法在被大量使用，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中往往被混淆。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中也往往存在，認(rèn)為管子越厚越好的錯(cuò)誤觀念，隨意擴(kuò)大管道壁厚的行為，這樣不但使工程建設(shè)成本增加，也給管道帶來不安全因素。

（2）本論文選取四個(gè)不同的鋼管壁厚，通過有限元模型計(jì)算鋼管的內(nèi)力和位移，對(duì)比分析不同壁厚的經(jīng)濟(jì)性和安全性，為工程中鋼管壁厚的選取提供借鑒。

2. 數(shù)值模型和方案

某大型水電站的引水發(fā)電系統(tǒng)布置在左岸，引水洞沿線均處于微風(fēng)化～新鮮巖體內(nèi)。壓力鋼管位于調(diào)壓塔以下80m處，主管長(zhǎng)度約120m，直徑6m；壓力鋼管最大內(nèi)水壓力約130m，外水壓力約50m。正常運(yùn)行工況為1.30MPa水壓力。取50m長(zhǎng)的鋼管和邊長(zhǎng)為60米的圍巖為研究對(duì)象建立有限元模型，模型左右兩側(cè)、前后端面以及底部全部采用法向鏈桿約束，模型頂面取至地表，按自由面考慮。鋼管及圍巖參數(shù)見表1。為研究不同壁厚對(duì)圍巖及鋼管變形和應(yīng)力的影響，取四種不同管徑分別對(duì)應(yīng)一種工況施加相同荷載研究對(duì)比分析。各工況所對(duì)應(yīng)壁厚見表2。

3. 圍巖和鋼管應(yīng)力及位移分布分析

鋼管和圍巖在工況一情況下的位移及應(yīng)力云圖如圖1所示。圍巖的沉降位移變形由底部向頂部逐漸遞增，頂部位移最大，為0.62mm，左右兩側(cè)位移變形呈對(duì)稱分布。鋼管的沉降位移變形規(guī)律相似，最大位移變形是0.48mm。圍巖在緊貼鋼管的上下面出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力最大為2.08MPa；圍巖的應(yīng)力向上、向下逐漸遞減，總體上圍巖的下部應(yīng)力比上部大；沿Z軸（管徑方向）的應(yīng)力分布是一致的。鋼管的最大應(yīng)力出現(xiàn)在鋼管兩端的上下兩側(cè)，最大應(yīng)力為78MPa；管身段應(yīng)力分布較均勻，應(yīng)力大約為2.11MPa，鋼管左右兩側(cè)應(yīng)力呈對(duì)稱分布。

4. 圍巖和鋼管應(yīng)力及位移特征點(diǎn)分析

為研究各工況下，壁厚參數(shù)的影響，取特征點(diǎn)進(jìn)行分析，如 圖2所示。在圍巖與鋼管的接觸面（中間圓環(huán)）上取八個(gè)點(diǎn)，標(biāo)號(hào)分別為A～H。圖3～5是根據(jù)圖1繪制的各工況下鋼管及圍巖位移、應(yīng)力曲線?？梢钥闯觯摴芗皣鷰r在A處的位移最大，在C處的位移最??；圖中四條曲線大致重合，因此，鋼管壁厚的變化對(duì)鋼管及圍巖位移影響不大，基本無影響。由圖4可知：各工況下，鋼管都可以正常工作，最大應(yīng)力沒有超過鋼管的屈服強(qiáng)度；圖中四條曲線的變化趨勢(shì)基本一致且曲線不重合，而且隨著管壁的增厚，鋼管的應(yīng)力逐漸降低，尤其當(dāng)管壁為10mm時(shí)，應(yīng)力明顯增大。由圖5可知，圍巖在A處、C處應(yīng)力最大，在B處、D處應(yīng)力最??；四種工況下圍巖的最大應(yīng)力大約為2MPa，沒有超過圍巖的屈服強(qiáng)度，圍巖可正常工作；圖中四條曲線大致重合，因此可知，鋼管壁厚的變化對(duì)圍巖的應(yīng)力基本無影響。所以，鋼管厚度對(duì)本工程的影響不大，工程中鋼管厚度選擇22mm既能滿足安全要求又可以節(jié)省成本，是合理的。

5. 結(jié)論

本文對(duì)不同鋼管壁厚和不同圍巖性質(zhì)條件下的水工隧洞進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬對(duì)比分析，可以得出結(jié)論：鋼管壁厚的變化對(duì)圍巖的應(yīng)力及位移基本無影響，但對(duì)鋼管自身應(yīng)力影響較大，壁厚越小鋼管應(yīng)力越大，所以工程中鋼管壁厚不能大小，應(yīng)滿足安全要求；隨著圍巖彈性模量的增大，鋼管及圍巖的位移、鋼管和圍巖的應(yīng)力依次降低，圍巖的性能是圍巖承載能力的主要影響因素之一，圍巖的性能越好，彈性約束作用就越顯著，所分擔(dān)的內(nèi)水壓力也就越大，因此在埋深足夠的情況下可以充分利用圍巖進(jìn)行分載以減小鋼管厚度。

參考文獻(xiàn)

[1] 張麗，韓菊紅.水電站[M].鄭州：黃河水利出版社，2009.

[2] 宋岢岢編.壓力管道設(shè)計(jì)及工程實(shí)例[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2007： 473.

[3] 唐永進(jìn)編.壓力管道應(yīng)力分析[M].中石化出版社： 51.

[4] 劉祥初.壓力管道壁厚選擇及相關(guān)應(yīng)力的問題[D].成都：成都華西化工科技股份有限公司，2009.

[5] 寧連旺.ANSYS有限元分析理論與發(fā)展[J].山西科技報(bào)，2008（4）：65～66.

[6] 伍鶴皋.埋藏式鋼岔管與圍巖聯(lián)合承載有限元分析[D].武漢：武漢大學(xué)，2004.

[7] 周華，黃云.水電站埋藏式壓力鋼管的承載分析方法研究[J].廣西城鎮(zhèn)建設(shè)，2006，08.