方形钢岔管结构应力分析

曹 新，王 欢，沈 明

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

某水电站位于西藏自治区山南地区桑日县境内，是YLZBJ中游桑日县至加查县峡谷段的第二级电站。水电站为二等工程，工程规模为大(2)型，电站枢纽建筑物主要由挡水建筑物、泄洪消能建筑物、引水发电系统及鱼道建筑物等组成。水电站装机容量660 MW，水库总库容约为0.55亿m3。水电站采用混凝土重力坝和坝后式厂房方案布置，最大坝高117.0 m，坝顶总长385 m。引水系统为单机单管布置，由坝式进水口和坝后浅埋管组成，共4条引水管道。

1 方形钢岔管特点和设计参数

结合水电站进水口及冲沙底孔布置，每个进水口下部布置排沙廊道，4条排沙廊道支管逐渐汇流入排沙廊道总管。支管段和主管段布置在厂房坝段进水口流道下部实体混凝土(混凝土力学参数见表1)内，结合生态流量管，平面上采用“五合一”布置型式[1]，设有4个钢岔管，见图1。

图1 排沙廊道平面布置图

表1 混凝土力学参数表

排沙廊道钢岔管的支管和主管均为方形断面3.2 m×3.2 m(宽×高)，支管和主管交汇处布置半径15 m的转弯，钢衬外部布置加劲环。

钢岔管材质采用Q345R钢材，厚度22 mm。钢材的抗力限值按照式(1)计算：

(1)

根据《水电站压力钢管设计规范》[2]，排沙廊道钢管的结构安全级别为Ⅱ级，结构重要性系数γ0为1.0；运行工况属持久状况，按承载能力极限状态设计，设计状况系数ψ为1.0；γd结构系数按坝内埋管联合承载取为1.25；f为设计强度值。钢材力学参数见表2。

表2 钢材力学参数表

2 荷载组合

根据《水工混凝土结构设计规范》[3]，结构的承载能力极限状态采用下式计算：

(2)

式中：γ0为结构重要性系数，排沙廊道级别为2级，安全级别为Ⅱ级，γ0=1.0；ψ为设计状况系数，对于持久状况、短暂状况、偶然状况，分别取1.0、0.95及0.85；S为承载能力极限状态的作用效应组合的设计值。

S=γGSGk+γQ1SQ1k+γQ2SQ2k

(3)

式中：SGk为永久作用效应的标准值；SQ1k为一般可变作用效应的标准值；SQ2k为可控制的可变作用效应的标准值；γG、γQ1、γQ2为永久作用、一般可变作用、可控制的可变作用分项系数，分别取值分别为：1.05、1.2、1.1。

3 方形钢岔管有限元分析

3.1 计算范围

方形钢岔管结构计算范围为钢管主管入弯段到弯段支管出弯段，以及主管直段支管入弯段，岔管部位采用垫层保护，见图2。钢岔管是复杂的空间薄壳钢结构，利用有限元分析软件[4-6]，可以较好地反应钢衬与外部混凝土的联合作用，以及加劲环对钢衬的作用。

图2 排沙廊道钢岔管布置图

3.2 模型构建

钢岔管有限元模型构建包括针正常运行工况(内压工况)和检修工况(外压工况)[7-10]，正常运行水头64.4 m，检修情况下外部水头20 m。内压工况下由钢衬与混凝土联合承载，不考虑加劲环的作用，同时，对钢衬与混凝土之间考虑缝隙、垫层段以及出口段混凝土埋深较浅三种情况进行分析，计算模型见图3、图4。

图3 排沙廊道整体计算模型(内压工况)

图4 钢岔管模型(内压工况)

外压工况钢岔管外力由钢衬单独承载，考虑加劲环的作用，计算模型见图5。

图5 钢岔管计算模型(外压工况)

4 结果分析

对排沙廊道和钢岔管进行了有限元计算，将计算成果以最大主应力、Mises应力、变形分布形式表示。

4.1 正常运行工况

1)联合承载。考虑钢岔管钢衬与混凝土联合承载的情况下，钢衬最大Mises应力出现在分岔部位尖角处，为12.4 MPa，小于钢材抗力限值232 MPa；混凝土最大主应力出现在分岔部位尖角处，为1.78 MPa，大于混凝土的允许抗拉强度1.27 MPa，对此部位需进行加强处理。钢衬最大变形为0.8 mm。

2)缝隙。考虑钢岔管与混凝土之前存在缝隙的情况下，钢衬最大Mises应力出现在钢衬顶部折角处，为20.8 MPa，远小于钢衬抗力限值；钢衬最大变形出现在底边中部，为2.3 mm。在考虑缝隙情况下，钢衬的Mises应力和变形均有所增大，但仍满足结构要求。

3)垫层段。在钢岔管设置垫层的位置，钢衬最大Mises应力出现在钢衬顶部折角处，为135 MPa，小于钢衬抗力限值；钢衬最大变形位于钢衬底边中部，为2.3 mm；外部混凝土最大主应力为0.82 MPa，小于混凝土抗拉强度允许抗拉强度1.27 MPa。

4)出口段。在钢岔管出口段混凝土埋深较浅的位置，钢衬最大Mises应力出现在钢衬顶部折角处，为16.2 MPa，小于钢衬抗力限值；最大变形位于钢衬底边中部，为0.18 mm；外部混凝土最大主应力为3.2 MPa，大于混凝土允许抗拉强度，此处需采取加强措施。

4.2 检修工况

检修工况下，钢岔管外力由钢衬单独承担，考虑外部加劲环布置，加劲环间距1 m，环高30 cm，厚度22 mm，加劲环外端不设加劲环锚固。计算结果显示，岔管尖角处钢衬最大Mises应力和最大跨度处的加劲环顶部加劲环最大Mises应力均超过钢材抗力限值232 MPa。

根据计算结果，仅依靠加劲环的作用，钢岔管加劲环在最大跨度处不满足要求，同时在岔管尖角处容易出现应力集中，所以对加劲环外侧加锚筋来进行加强，加劲环每条边上按0.8 m间距布置锚筋，并对加劲环布置加以调整，使两侧支管加劲环同时经过尖角处直边。调整过后计算结果，钢衬最大Mises应力为148 MPa，加劲环最大Mises应力为162 MPa，小于钢材抗力限值232 MPa，满足要求。

通过对加劲环布置的调整和增加锚筋，钢岔管钢衬强度还有一定裕度，对加劲环布置进行优化，将加劲环高度调整至20 cm，最终计算结果见图6、图7。

图6 钢衬Mises应力分布(单位：Pa)

图7 加劲环Mises应力分布(单位：Pa)

钢衬最大Mises应力位于分岔段的支管顶部，为148 MPa，加劲环最大Mises应力位于分岔段的加劲环上，为162 MPa，钢衬及加劲环最大Mises应力均小于钢材抗力限值232 MPa。

5 结 语

对于某水电站排沙廊道方形钢岔管，利用有限元分析软件，对在内压工况下的联合承载、裂缝等情况和外压工况下加劲环布置进行计算，得到以下结论：

1)在正常运行工况下，考虑钢岔管和外部混凝土联合承载，钢岔管钢衬强度满足安全稳定要求，但是外部混凝土需要对岔管部位进行配筋加强；

2)在考虑钢岔管和混凝土之间存在裂隙的情况下，钢衬的Mises应力和变形均有所增大，在施工过程中，应使钢岔管与外部混凝土紧密结合；

3)在钢岔管出口段混凝土埋深较浅的位置，外部混凝土有最大主应力；

4)在检修工况下，可对钢岔管的加劲环布置进行优化，加劲环外部增加锚筋，可以增强钢岔管的抗外压能力，同时可以减小加劲环的高度，减少工程成本。