高水头加劲环岔管设计实践

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翻新时间：2022-12-27

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高水头加劲环岔管设计实践

【关键词】高水头；加劲环岔管；有限元计算；丹珠河水电站

1 工程概况

2 岔管型式选择

由于丹珠河电站岔管设计水头达千米级，上述各种型式岔管均存在不同程度的问题与难度。采用内加强月牙肋岔管，材料如采用Q345R钢材的关键在于减小管壁厚度以满足规范关于冷加工成型管节壁厚限值的规定。参考压力钢管设加劲环降低管壁应力的经验，本工程岔管设计中提出在岔管外侧设加劲环思路，以降低岔管应力水平，从而减小管壁厚度，降低加工难度及成本，给制造、安装带来了方便，有利于结构安全。

3 岔管体型初拟

图1 岔管平面布置图

4 岔管有限元计算

岔管结构计算一般大都采用结构力学法按薄壳结构进行近似计算，但因本工程采用加劲环岔管，结构受力较常规岔管更为复杂，结构力学法无法算清其受力状况。为精准了解加劲环岔管整体应力分布状况，采用ANSYS程序对岔管进行整体有限元分析，考察其在所承担荷载工况下的应力分布情况，复核设计方案合理性。计算时管壁厚度均扣减2mm，计算考虑正常运行（工况①）及水压试验（工况②）两个工况。

4.1 正常运行工况

图2 工况①岔管等效应力分布

图3 工况①肋板等效应力分布

4.2 水压试验工况

图4 工况②岔管等效应力分布

图5 工况②肋板等效应力分布

计算结果表明：在水压试验工况下，岔管整体膜应力及局部膜应力均未超过材料容许应力；肋板整体膜应力未超过材料容许应力；肋板局部膜应力最大值为260.93N/mm2，与容许应力（252.53 N/mm2）相比力略有超限。

4.3 结果分析

由计算结果可以看出，岔管及肋板整体膜应力、岔管局部膜应力均满足规范要求，肋板局部膜应力水平略有超限。因计算中未考虑岔管外包混凝土的有利作用，同时根据本岔管设置加劲环的结构特性，结合其它工程一般岔管的计算经验，当考虑应力重分布后，局部的应力超限不影响工程的安全运行。总体来看，初拟的岔管体型结构合理，应力状态较好，未产生较大的应力集中和变形，结构安全可靠，加工制造难度低，经济性好。

5 结语

丹珠河水电站岔管设计中突破传统思路，在岔管外侧设加劲环，解决了高水头岔管采用Q345R钢材的设计技术问题，有效降低岔管整体应力水平，减小管壁厚度，降低了岔管的制造难度和材料采购成本。该岔管已于安装前通过水压试验考验，电站于2014年10月发电，至今运行良好。