姚敏杰，汪劍國(guó)，李高會(huì)，王頌翔

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州，311122）

水電站鋼岔管主要結(jié)構(gòu)型式有三梁岔管、月牙肋岔管、球形岔管、無(wú)梁岔管及貼邊岔管五種，其布置形式有對(duì)稱Y形、非對(duì)稱Y形、三岔形等[1]。鋼岔管通常應(yīng)用于水電站機(jī)組前主管與支管連接部位，起到分散水流、連接不同發(fā)電機(jī)組的作用，其主管與支管軸線多位于同一水平面內(nèi)。但在水電站工程的某些特定部位，有時(shí)也會(huì)根據(jù)需要設(shè)置一些特殊形式的鋼岔管。例如在水電站調(diào)壓室底部與輸水道連接部位，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件不適合布置混凝土襯砌時(shí)，鋼岔管則成了連接輸水道主管與調(diào)壓室豎井連接管的必然選擇。目前針對(duì)這類鋼岔管研究較少。

結(jié)合某抽水蓄能電站實(shí)際工程情況，對(duì)其引水調(diào)壓室底部設(shè)置的大直徑鋼岔管結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，通過(guò)運(yùn)用ANSYS 數(shù)值分析軟件進(jìn)行三維有限元計(jì)算，最終得出合理的設(shè)計(jì)體型。

1 工程概況

某抽水蓄能電站樞紐工程地質(zhì)條件復(fù)雜，主要表現(xiàn)在地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、巖層復(fù)雜、巖溶發(fā)育等，為解決輸水系統(tǒng)沿線滲漏問(wèn)題，引水隧洞全線（含上平段）采用全鋼襯布置，在上平洞末端設(shè)置引水調(diào)壓室。調(diào)壓室型式為阻抗式，大井直徑18.0 m，阻抗孔直徑4.5 m，阻抗孔小井內(nèi)套鋼管與上平洞鋼管呈90°垂直連接。因此，必須在該部位設(shè)置鋼岔管，其中主管（調(diào)壓室上游側(cè)鋼管）直徑8.5 m；一支管（阻抗孔連接管）直徑4.5 m，與主管夾角為90°，與主管采用錐形漸變連接；另一支管（調(diào)壓室下游側(cè)鋼管）直徑8.5 m，與主管在同一軸線上。

該鋼岔管與常規(guī)鋼岔管相比具有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：（1）直徑大，主管直徑8.5 m，支管直徑4.5 m，在同規(guī)模抽蓄中位于前列；（2）分岔角大，一支管（阻抗孔連接管）與主管垂直連接，分岔角達(dá)90°，結(jié)構(gòu)受力不利；（3）地質(zhì)條件差，隧洞沿線巖溶發(fā)育，圍巖抗力不均。

2 有限元計(jì)算模型

2.1 岔管設(shè)計(jì)體型

鋼岔管采用三梁岔管設(shè)計(jì)，三梁岔管可利用U梁和腰梁作為加強(qiáng)構(gòu)件，共同起到加固管壁和承受外荷載的作用[2]。鋼岔管體型示意見(jiàn)圖1，包含引水上平洞主管、阻抗孔連接管支管、兩U 梁以及腰梁。其中主管內(nèi)徑為8.5 m，阻抗孔連接管支管內(nèi)徑為4.5 m，岔管部位最大內(nèi)水壓力為0.89 MPa。通過(guò)公式估算和工程類比，并考慮該部位岔管的制造加工難度，岔管管壁厚度取30 mm。

圖1 引水調(diào)壓室底部三梁岔管體型（單位：mm）Fig.1 The three-girders reinforced branch pipe at the bottom of surge chamber(unit:mm)

2.2 有限元模型建立

根據(jù)岔管的體型參數(shù)，在大型通用有限元軟件ANSYS 中建立了有限元模型，模型包括主、支管管殼及加強(qiáng)梁。由于管殼及加強(qiáng)梁厚度較薄，屬于板殼薄壁結(jié)構(gòu)，模型均采用四節(jié)點(diǎn)殼單元SHELL63。有限元模型在主、支管端部取固端全約束，為了減小固端約束對(duì)岔管的局部應(yīng)力影響，主、支管段軸線長(zhǎng)度取最大公切球直徑的1.5 倍以上[3]。鋼岔管計(jì)算模型網(wǎng)格離散見(jiàn)圖2～3?？紤]到岔管部位圍巖地質(zhì)條件差，引水調(diào)壓室底部三梁鋼岔管按明管設(shè)計(jì)，即不考慮圍巖的分擔(dān)作用，按鋼管單獨(dú)承擔(dān)水荷載進(jìn)行計(jì)算。

圖2 三梁岔管整體計(jì)算模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh of the whole model of three-girders reinforced branch pipe

2.3 鋼岔管優(yōu)化方案擬定

三梁岔管主、支管直徑及管殼厚度一定的前提下，影響三梁岔管結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的主要是加強(qiáng)梁的設(shè)計(jì)參數(shù)，包含：加強(qiáng)梁厚度、U梁和腰梁外露高度以及U梁內(nèi)伸高度[4]。為分析加強(qiáng)梁各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)岔管結(jié)構(gòu)受力的影響，得到最優(yōu)設(shè)計(jì)體型，擬定以下計(jì)算方案進(jìn)行有限元計(jì)算分析。各計(jì)算方案及相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 三梁岔管計(jì)算方案及相關(guān)參數(shù)Table 1 Calculation schemes and parameters of three-girders reinforced branch pipe

為了減小岔管管殼及加強(qiáng)梁尺寸，三梁岔管管殼和加強(qiáng)梁均采用600 MPa 級(jí)高強(qiáng)鋼。鋼材容重γs=7.85×10-5N/mm3，彈性模量Es=2.06×105MPa，泊松比vs=0.30，相應(yīng)的抗力限值按照規(guī)范NB/T 35056-2015[1]《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》確定，具體數(shù)值詳見(jiàn)表2。

表2 鋼材抗力限值Table 2 Allowable stress of steel

圖3 三梁岔管加強(qiáng)梁網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh of reinforced girders

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

對(duì)表1 中S1～S11計(jì)算方案分別建立有限元模型并提取有限元計(jì)算結(jié)果，得到各方案下岔管管壁及加強(qiáng)梁的位移、Mises應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3～4。

表3 各計(jì)算方案管殼和加強(qiáng)梁最大位移（單位：mm）Table 3 The maximum displacement of the branch pipe and reinforced girders in different schemes(unit:mm)

表4 各計(jì)算方案管殼和加強(qiáng)梁最大Mises應(yīng)力值（單位：MPa）Table 4 The maximum Mises stress of the branch pipe and reinforced girders in different schemes(unit:MPa)

方案S1 不設(shè)加強(qiáng)梁，此時(shí)岔管最大位移達(dá)115.5 mm，管殼表面峰值應(yīng)力達(dá)1 335.3 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出局部膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力的抗力限值308 MPa。在設(shè)置加強(qiáng)梁后，岔管最大位移和應(yīng)力值明顯下降，說(shuō)明加強(qiáng)梁作為岔管加強(qiáng)構(gòu)件，對(duì)加固管壁、改善岔管受力有明顯作用。

3.2 加強(qiáng)梁設(shè)計(jì)參數(shù)敏感性分析

3.2.1 加強(qiáng)梁外露高度敏感性分析

對(duì)比計(jì)算方案S2～S5，得到加強(qiáng)梁外露高度對(duì)岔管整體最大位移和應(yīng)力的影響如圖4 所示。由圖4 可以看出，在加強(qiáng)梁厚度（80 mm）和管殼厚度（30 mm）相同，加強(qiáng)梁都不內(nèi)伸的情況下，增加加強(qiáng)梁外露高度，管殼和加強(qiáng)梁最大位移基本呈線性減小的趨勢(shì)；分布于管殼部位的整體膜應(yīng)力、局部膜應(yīng)力、局部膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力以及加強(qiáng)梁應(yīng)力均有所減小，但整體膜應(yīng)力變化很小，且各方案下整體膜應(yīng)力均小于相應(yīng)的抗力限值，不成為控制的應(yīng)力種類?？刂茟?yīng)力主要是局部膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力以及加強(qiáng)梁應(yīng)力，加強(qiáng)梁外露高度達(dá)1 600 mm時(shí)，管殼和加強(qiáng)梁最大應(yīng)力同時(shí)滿足相應(yīng)的抗力限制要求。同時(shí)可以看到，在梁外露高度增加至1 400 mm后，局部膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力幾乎沒(méi)變化，說(shuō)明僅靠增大加強(qiáng)梁外露高度，對(duì)改善岔管管殼應(yīng)力分布效果較為有限。

3.2.2 加強(qiáng)梁內(nèi)伸高度

加強(qiáng)梁不內(nèi)伸情況下，外露高度需達(dá)1 600 mm，管殼和加強(qiáng)梁最大應(yīng)力才能同時(shí)滿足相應(yīng)的抗力限制要求，且此時(shí)管殼局部膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力達(dá)到307.8 MPa，距離抗力限值308 MPa裕度很小?？紤]到加強(qiáng)梁外伸高度太大時(shí)需增大開(kāi)挖體型和回填混凝土量，對(duì)施工便利及經(jīng)濟(jì)合理性不利，選擇對(duì)U 梁1 和U 梁2 進(jìn)行內(nèi)伸，各加強(qiáng)梁外露高度保持1 200 mm 不變。對(duì)比計(jì)算方案S2 與S6～S8，得到加強(qiáng)梁外露高度不變時(shí)，U梁內(nèi)伸高度對(duì)岔管整體最大位移和應(yīng)力的影響，見(jiàn)圖5。由圖5 可以看出，在加強(qiáng)梁厚度（80 mm）和管殼厚度（30 mm）相同、且加強(qiáng)梁外露高度1 200 mm 不變的情況下，增加U 梁1 與U 梁2 的內(nèi)伸高度，管殼和加強(qiáng)梁的最大位移、應(yīng)力減小均較為明顯。對(duì)比圖5 與圖4 的變化趨勢(shì)，說(shuō)明增大U梁內(nèi)伸高度比增大外露高度對(duì)改善岔管整體應(yīng)力分布更明顯，各加強(qiáng)梁外露高度保持1 200 mm不變時(shí)，U梁內(nèi)伸400 mm，管殼和加強(qiáng)梁最大應(yīng)力同時(shí)滿足相應(yīng)的抗力限制要求，且此時(shí)都留有一定的安全裕度。

圖4 加強(qiáng)梁不同外露高度岔管最大位移和應(yīng)力曲線Fig.4 The maximum displacement and the stress of branch pipe with different exposure height of reinforced girders

圖5 加強(qiáng)梁不同內(nèi)伸高度岔管最大位移和應(yīng)力曲線Fig.5 The maximum displacement and the stress of branch pipe with different internal extension height of reinforced girders

3.2.3 加強(qiáng)梁厚度

加強(qiáng)梁厚度直接影響加強(qiáng)梁的整體剛度和應(yīng)力分布，對(duì)比計(jì)算方案S2與S9～S11，得到加強(qiáng)梁厚度對(duì)岔管整體最大位移和應(yīng)力的影響如圖6 所示。由圖6 可以看出，在加強(qiáng)梁外露1 200 mm、不內(nèi)伸且管殼厚度（30 mm）相同的情況下，增大岔管加強(qiáng)梁壁厚，管殼和加強(qiáng)梁的最大位移、應(yīng)力均呈減小趨勢(shì)，但可以看到，加強(qiáng)梁厚度由90 mm 增至100 mm時(shí)，分布于管殼部位的局部膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力基本沒(méi)變化。加強(qiáng)梁厚度需增至100 mm，管殼和加強(qiáng)梁最大應(yīng)力才能同時(shí)滿足相應(yīng)的抗力限值要求。考慮加強(qiáng)梁厚度增加不僅不經(jīng)濟(jì)，還會(huì)增加焊接安裝的施工難度，故加強(qiáng)梁厚度采用80 mm。

圖6 加強(qiáng)梁不同厚度岔管最大位移和應(yīng)力曲線Fig.6 The maximum displacement and the stress of branch pipe with different thickness of reinforced girders

3.3 推薦方案

通過(guò)對(duì)加強(qiáng)梁外露高度、內(nèi)伸高度、厚度這三個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)岔管整體受力影響的敏感性進(jìn)行分析，得出增大這三個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)值均能一定程度改善岔管管殼和加強(qiáng)梁的應(yīng)力分布。其中增加U 梁內(nèi)伸高度對(duì)改善控制性管殼部位的局部膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力，加強(qiáng)梁本身應(yīng)力大小效果尤為明顯，且更為經(jīng)濟(jì)合理。綜合以上分析，采用方案S7 作為岔管的推薦設(shè)計(jì)體型，即加強(qiáng)梁外露高度1 200 mm、U 梁內(nèi)伸高度400 mm、加強(qiáng)梁厚度80 mm，該方案下岔管管壁及加強(qiáng)梁的位移、Mises應(yīng)力分布見(jiàn)圖7。

圖7 方案S7三梁岔管位移、應(yīng)力分布圖Fig.7 The displacement and stress distribution of branch pipe in scheme 7

從變形來(lái)看，受加強(qiáng)梁的約束作用，鋼岔管沿主管水平兩側(cè)向外膨脹，在U梁及腰梁相交部位的主管中部位移比較大，其中岔管管壁最大位移為12.8 mm，加強(qiáng)梁最大位移為7.5 mm。從應(yīng)力來(lái)看，鋼岔管管壁中面的較大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在主管與錐管、錐管與支管交界處，但最大值155.0 MPa 遠(yuǎn)小于相應(yīng)的局部膜應(yīng)力抗力限值261 MPa；鋼岔管管壁表面Mises 應(yīng)力最大值出現(xiàn)在主管與錐管交界處，數(shù)值大小為292.7 MPa，小于相應(yīng)的抗力限值308 MPa；加強(qiáng)梁Mises應(yīng)力最大值出現(xiàn)在U梁內(nèi)側(cè)中部，數(shù)值大小為238.3 MPa，小于相應(yīng)的抗力限值261 MPa。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某抽水蓄能電站引水調(diào)壓室底部大直徑三梁岔管進(jìn)行三維有限元計(jì)算與加強(qiáng)梁體型參數(shù)敏感性分析，推薦了合理可行的三梁岔管結(jié)構(gòu)體型，結(jié)論如下：

（1）調(diào)壓室底部三梁岔管主管與支管垂直，最大應(yīng)力主要出現(xiàn)在支錐管與主管交界處，為改善岔管受力，在支錐兩側(cè)布置兩U 梁、主管底部布置一腰梁共同組成岔管的加強(qiáng)構(gòu)件體系。

（2）增大加強(qiáng)梁外露高度、U 梁內(nèi)伸高度及加強(qiáng)梁厚度均能一定程度上減小岔管管殼及加強(qiáng)梁應(yīng)力，但增加U梁內(nèi)伸高度更能有效改善分布于岔管主管與支錐管連接部位的局部膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力以及加強(qiáng)梁應(yīng)力，這兩處應(yīng)力是岔管體型設(shè)計(jì)的控制應(yīng)力。

（3）推薦采用方案S7（加強(qiáng)梁外露高度1 200 mm、U梁內(nèi)伸高度400 mm、加強(qiáng)梁厚度80 mm），該方案下岔管管殼及加強(qiáng)梁應(yīng)力分布合理，均滿足相應(yīng)抗力限值要求。