4 压力钢管的设计

4 压力钢管的设计

4.1 引水管道的布置：

压力钢管的型式：采用坝内埋管的型式。

4.1.1管轴线布置：

4.1.1.1进水口高程，根据前面坝体剖面设计中对上游坡折点的叙述，进水口高程＝死水位－临界淹没水深＝72.3米。

4.1.1.2钢管直径根据管中经济流速和发电设计流量确定，定为

5.6米。

4.1.1.3钢管轴线沿主应力方向。

4.1.2进水口：

4.1.2.1进口段设计为平底，上唇收缩曲线为四分之一椭圆，长轴取为

5.0米，短轴取为2.0米。

4.1.2.2拦污栅鉴于本枢纽是坝后式水电站，拦污栅的立面布置采用垂直式。平面布置采用弧形拦污栅。栅条厚度取为10mm,宽度取为200mm,间距取为128mm。

4.1.2.3渐变段是由矩形闸门段到圆形管道的过渡段，采用圆角过渡，长度规范规定不少于一倍管径，取6米。

4.1.2.4上弯段及下弯段设计：

上弯段及下弯段转弯半径不得小于2～3倍的管径，取为15米。

4.2闸门及启闭设备：

4.2.1闸门由事故闸门和检修闸门组成，事故闸门和检修闸门处净过水断

面为隧洞断面的1.1倍，坝式进水口为了适应坝体的结构要求，进水口长度要缩短，进口段与闸门段常合而为一。坝式进水口一般都做成矩形喇叭口状，水头较高时，喇叭开口较小，以减小闸门尺寸以及孔口对坝体结构的影响；渗透较低时，孔口开口较大，以降低水头损失。

4.2.2启闭设备安放在坝顶，并满足设备及闸门的尺寸和重量

4.3 压力钢管结构设计：

4.3.1确定钢管厚度：

拟定三个断面进行计算，分别为进水口中心线高程74.8米处；压力钢管中心线高程为50米处和压力钢管末端处高程35米。

计算公式为：

R

a P W a a r H r t σϕγ)cos (+=

(4-1)

f d

R ϕγγσ01

=

;KH H P = (4-2)

式中:γ0——为结构重要性系数取为1.1 r a ——钢管内径为2.8米

φ——设计状况系数，持久状况为1.0，短暂状况为0.9，偶然状况为0.8；

γd ——结构系数，考虑钢管及混凝土联合受力和焊缝系数（0.95）取为1.3； f ——钢材强度设计值，采用Q235钢f ＝215mPa H ——为上游水位到钢管中心线高程的距离；

K ——为考虑水锤作用以后的系数，三段分别为1.0、1.15和1.3

4.3.2承受内水压力的结构分析：

4.3.2.1应力及传力计算：

外包混凝土厚度拟定为5.0米>0.8D ，考虑混凝土和钢管联合受力。

钢管径向位移计算公式：)1(22

a

a

a a a t E a p u μ-=

式中：Pa ——钢管承受的内水压力；

t a ——钢管厚度；

E a ——钢材弹模，取为2.06×105N/mm 2; μa ——泊松比，取为0.3； a ——钢管半径；

b ——外包混凝土外缘距离 混凝土径向位移计算公式:

c c c c c p a

b a b a E u ))

1()1(2(122

2

2-+-+=μμ（4-3） 式中：Pc ——混凝土承受的内水压力；

E c ——混凝土弹模，外包砼标号C30，E c ＝3.0×104N/mm 2; μc ——泊松比，取为0.17

根据位移协调条件和内水压力守恒条件可计算出各个截面混凝土所受到的内水压力Pc

结果如下：（mPa ）

表4-2

根据拉梅公式可以计算处外包混凝土各点的应力，公式如下：

c c

p r

b a b a )1(22

2

22+-=θσ（4-4） 其中应力大于ζct 的那部分应力由外包混凝土所配的钢筋承担。

ζct 为判断混凝土开裂的拉应力值（N/mm 2）按素混凝土计算公式为：

dc

t

mc ct f γγγσ0=

（4-5） 式中：гmc ——为截面抵抗矩塑性系数可按DL/T5057-1996规范采用，为1.55； αct ——为混凝土拉应力限制系数为0.7； ft ——为混凝土抗拉强度。 经计算ζct ＝1.06 mPa 计算简图如下：

σ

图4-1

经计算三个断面最终的配筋情况为：

表4-3

4.3.2.2混凝土开裂情况的判别：

按照弹性力学厚壁圆筒多管法计算，钢管外包混凝土开裂情况分为未开裂、内圈部

分开裂和裂穿三种情况。 a) 内水压力设计值P ≦P MAX1时，为混凝土未开裂情况，是坝内埋管允许的情况，P MAX1

由下式计算。

γσ

ϕσγϕσγδ232020022211max )(C ct S C ct C C ct S S E t E B t E C B E E p +++= (4-6)

式中：P MAX1——混凝土未开裂时的情况，是坝内埋管所能承受的最大内水压力（N/mm 2）；

δ1——钢管与混凝土间缝隙值（mm ）；

E S2——平面应变问题的钢材弹性模量（N/mm 2） E S ——钢材的弹性模量（N/mm 2） υS ——钢材泊松比； г——钢管内半径（mm ）； B 0——参数，

2

2

01)1(C

C C B ϕϕϕ+-=；(4-7) φC ——混凝土层相对开裂深度，取φC =5

4r r ，在混凝土未开裂的情况下，取5

r r c =ϕ

r 4——混凝土开裂区半径（mm ）； r 5——混凝土圈外半径（mm ）； C0——参数，

22

2

01)1(C C

C C υϕϕ+-+= (4-8) υC2——平面应变问题的混凝土泊松比，c

c c υυυ-=12；

υC ——混凝土泊松比；

ζCt ——判别混凝土开裂的拉应力取值（mPa ），按素混凝土抗弯构件计算取

dc

t mc ct f

γγγσ0=，或按钢筋混凝土构件计算正截面抗裂验算取

γσγσtk ct mc ct f =

(4-9)

可由设计者视具体情况而定，设计状况系数φ=1.0故未计入公式；