130130
3、加劲环断面及间距计算
a、加劲环对管壁影响范围:
t=0.78(rc*8)05=0.78(0.806*0.012)05=0.077m;本倒虹吸选择角钢L63x63x6作为加劲环;
b、加劲环有效断面面积为:
Fr=728.8+77*2*12+63*12
=3332.8mm2
c、加劲环有效断面重心轴距管中心距R:
7WW^1?
31?
2806R==811-2mm
注:
其中L63x63x6角钢的面积为728.8mm2;重心在距
离角钢外缘17.75mm处;惯性矩为233820mm4;
d、加劲环有效断面惯性距:
J=233820+728.8*18.552+(1/12)*217*123+2604*0.82
=517516.5mm4e、计算加劲环的间距:
=3053mm
3EJ32.1105517516.5
KPR320.1811.23
加劲环间距为1・8m4、管壁应力计算
a、径向内水压力产生的管壁径向压力
y=・P设=1.32MPa
b、径向内水压力产生的管壁环向应力
zi=(P设Po)/(2*8)
=88MPa
Z2很小,忽略不计
C、法向力产生的管壁弯曲轴向应力
4M
x1=±2d2
qL2M=
10
止匕处q=(g管+g水+g地震)cosa,D=1.614m,8=14mm,L=5.4m»考虑12%的附加重g水
=19.71*1.12=22.1kN/m~管=5.46*1.12=6.11kN/m,g地震=0.2*2.5*0.25*(22.1+6.11)=3.52kN/m,cos=cos37°47'=0.79
故M=92.52kN・M
X1=±叫=±3.83MPa
10D2
d、轴向力产生的管壁轴向应力
A
x2=
2r
水管自重产生的轴向力八:
考虑12%的附加重
Ai=g*L*sin=5.46*57*0.613*1.12=213.7kN伸缩接头处内
水压力A5:
A5=(Di2-D22)H上伸设・
4
=(3.14/4)*(1.628*1.628-1.6*1.6)*70*9.81*1.25=61kN
温度升高伸缩接头边缝间的磨擦力A6:
A6=7iDibfH上伸设・
此处b2约为0.1D这里取0.2,2=0.3
故Ae=7ix1.628X0.2X0.3X686.7x1,25=263kN
温度升高管壁沿支墩面的摩擦力A7:
考虑12%的附加重
A?
=f(g水+g管)L'cos1此处f=0.5
=0.5*(19.71+5.46)*1.12*57*0.79
=634.7kN
£A=213.7+61+263+634.7=1172.4kN
故X2=-11724=-19.3MPa
20.8060.012
e、应力校核:
按温升情况计算。
校核管顶应力时9X取负值(压应力),即
X=-3.83-19.3=-23.13MPa
Zyyz
=882(1.32)288(1.32)0
=88.7Mpa<0.9x129=116.1Mpa
-~2
2—Xzxzxz
=(23.13)2882(23.13)880
=101.56Mpa<0.9x129=116.1Mpa
_~2
3一xyxyxy
=(23.13)2(1.32)2(23.13)(1.32)0
=22.5Mpa<0.9x129=116.1Mpa
断面2(加劲环)的计算计
算简图如图2:
a、径向内水压力产生的管壁环向应力
Z2=(P』ro(1-p))/§
Fr'=7.288+1,2*6.3=14.848cm2
卩=F,Rad(管壁外缘断面与环计算断面比值)Fr2恪t
=0.22
Z2=68.64MPa(拉)横断面上的正应力x3=±1.816卩p»Do=±
35.2MPa(内缘受拉,外缘受压)
28
x2=-19.3MPa(压,同断面1)管壁外缘应力为:
x=-35.2-
19.3=54.5(外缘受压)横断面上剪压力很小可以省去。
径向应力:
y=-P设=-1.32MPa(压)存
在局部应力基本荷载[]=158Mpa。
22
1=z2y
73Zyyz
=69.3MPa<
0.9x158=142.2Mpa
=22z
2=x
3
Xzxz
=106.9<0.9x
158=142.2Mpa
2
汀x2y
3
xyxy
=53.9MPa<0.9x158=142.2Mpa
断面3(支承环)的计算
计算简图如图3:
支承环布置形式见支承环结构图,腹板肋板都采用5
=18mm的钢板。
其影响长度为0.077m。
a、确定支承环的有效断面积:
Fr=200*18+82*18*2+314*12=10320mm2
b、支承环有效断面重心轴距管中心距R:
=853.28mm
r__182009032821885331412806
H=182008218231412
C、支承环有效断面绕横轴惯性距:
Jr=(18823(1/12)+0.2828218)2+200183(1/12)
+18200502+314123(1/12)+12314472
=19120263.44mm4
支承环重心轴至环外缘*管壁外缘和管壁内缘距
离Zri、和ZR2、Zr3,各为58.72mm、41.28mm和
53.28mm。
d、计算由于支承环约束引起的环旁管壁局部轴向应力x3=±1.816卩P”.Do=±ioi.5Mpa
P=FZ’ess?
*
Fr2*6t10320
(卩管壁外缘断面与环计算断面比值)
将X3与前面算得的X1、X2(用断面1算得的应力)相加,得支承环旁管壁总X值。
见下表:
表2:
支承环旁管壁总x值表
轴向应力MPa
管壁何詈
X1
x2
x3
X
0=0°
外缘
3.83
-19.3
-101.5
-116.97
内缘
3.83
-19.3
101.5
86.03
0=180°
外缘
383
-19.3
-101.5
-124.63
内缘
-3.83
-19.3
101.5
78.37
e、计算内水压作用下支承环及其旁管壁的环向应力
z1=(P设%(1-p))/8=32.12Mpa
f、计算在Mr作用下支承环旁管壁内外缘环向应力b采用
0.04R,则Mr当0=0。
时,
MR=-0.0085GR=-0.9KN.m
L=5.4m,g水=19.71kN/m,g管=5.56kN/m,考虑附加重
0.12,g地^=0.2*1*0.25*(19.71+5.56)=1.26kN/m,cos=cos37°47=0.79
G=(g管+g水+g地震)*1.12*Lcosa=26.53*5.4*0.79*1.12
=126.76KN
可得管壁外缘环向应力
z2=-:
R2=1.95Mpa
JR
管壁内缘环向应力
MZDO
RR3=2.51Mpa
JR
同理当0=180。
时
z2=-1.95Mpa夕卜缘
z2=-2.51Mpa内缘
他与0=0。
时数值相同,但符号相反
支承环有效面积腹板外缘环向应力
=0°时
oMZ
z2=-:
R1=2.29Mpa
J
R
当0=180。
时
z2=-2.29Mpa
g、计算Nr作用下支承环旁管壁环向应力
当B=0。
时
Nr=dC0.79)=5.84kN"R
得环向应力
z3==0.57Mpa
rR
当0=180。
时
z3=-0.57Mpa
把以上算得的0、Z-戸相加,得总Z见下表:
环向应力MPa
管壁何詈
1Z
2Z
3Z
Z
0=0°
外缘
32.12
1.95
0.57
34.64
内缘
32.12
2.51
0.57
35.2
0=180°
外缘
32.12
-1.95
-0.57
29.6
内缘
32.12
-2.51
-0.57
29.04
表3:
总z值表
h、强度校核
因剪应力在B=0°、180°处可忽略,求合成应力2值。
从表
1、表2中可以明显看出,在0=0°、180°处,管壁夕卜缘合成应
力2值较大、起控制作用。
计算结果如下:
B=0°处,管壁外缘
2=x2z2xz3xz=(116.97)234.642(116.97)34.64
=137.6MPa<0.9x158=142.2Mpa
0=180。
处,管壁外缘
29.62(124.63)29.6
2=%nzxz3xz=(124.63)2
=141.8MPa<0.9x158=142.2Mpa
支承环腹板外缘的合成环
向拉应力在e=90
处的支承点下边为最大,即0=90°(下)处:
Mr=0.01GR=0.01*126.76*0.85328=1.08kN.m腹板外缘环向拉应
2皿RZR1
iW?
0.^872
=3.32Mpa
G126.76
Nr==
44=31.69kN
得环向应力
z3=Nb
Fr
31690o...
0.01032®Mpa
前边e中以计算
z1=32.12Mpa
将以上三个环向拉应力叠加,得腹板腹板外缘环向拉应力为:
z=z1+z2+z3=32.12+3.32+3.1=38.54MPa<0.9x158=142.2Mpa
以上计算结果设计内水压力都是以2#镇墩中心处钢管设计内水压力来计算的比实际略大些,偏于安全。
5、钢管抗外压稳定计算
支承环同时起着加劲环的作用,现校核管壁、加劲环和支承环的抗外压是否稳定。
a、钢管光滑管部分
首先求出
°8=0.444
1.8
0黑=66.67
1=2.25
r
n=2.74*(r)°5(r)02515
=5.19
n=6计算中
间段管壁稳定性
Per
E8
r(n21)(1
式中(1=0.3,
e§31(2
nl%52)3
)
当n=5时Pcr=2.47MPa
2n1)1
IT
22
f7l
当n=6时Pcr=2.74MPa
取Per最小值/即n=5时/得Pcr=2.47MPa>0.2MPa/固
本钢管光滑管部分不会失稳
b、加劲环管段
先按公式Perl3EJ3R进行稳定计算得:
r3i
3*2.1*105*517516.5
Perl3=0.34MPa>0.2MPa;
811.23*1800
再按公式Pcr2®Fr进行强度校核得
rl
235*33.328
Pcr2=0.54MPa>0.2MPa;
80*180
计算结果表明加劲环稳定和强度都满足要求
C、支承环段
按公式Pen3EJ3R进行稳定计算得:
r3i
*3*2.J*105*19120263.44
Perl3乜十10)19120263.44=1077MPa>02MPa;853.283*1800
再按公式Pcr2®FR进行强度校核得
rl
235*103.2
Pcr2235*103-2=1.68MPa>0.2MPa;
80*180
计算结果表明支承环稳定和强度都满足要求
从以上的计算结果表明所选管壁厚度、支座间距、加劲环及支承环满足运行工况下温升条件的强度要求。
三)镇墩结构计算
根据工程的地质情况和镇墩所处位置的设计内水压力,选择1#和2#镇墩作为代表进行计算:
1、1#镇墩
1#镇墩中心至上游伸缩节接头距离L"=44m;1#镇墩中心至下游伸缩节接头距离L〃=57m;1#镇墩中心处钢管工作水头Hg=36.22m;1#镇墩上游伸缩接头处工作水头H上伸设=20m;1#镇墩下游伸缩接头处设计水头H上伸设=71m;1#镇墩上游管段倾角1=22°47';1#镇墩下游管段倾角2=37°47';1#镇
墩上游管段管壁厚5±=14mm;1#镇墩上游管段管壁厚6下=14mm;镇墩材料采用c15钢筋磴,容重24kN/m3,镇墩地基为粉砂质板岩,腔与地基的磨擦系数f=035,地基承载力[]=0.35〜0.8Mpa。
如图4:
1#镇墩平面图1:
100
5000
13553645
1#镇墩墩纵剖面图1:
100
25
图四
1)运行条件下作用在镇墩上的基本荷载
a、钢管自重的轴向分力Ai
上游侧A「=g管Lsin1
此处D=1.6m,g管=兀(D+8)x8xr钢=5.46kN/m计入附力[[增重12%,
故Ai'=5.46x44xsin22°47x112%=104.2kN
下游侧A1//=g管Lsin2
=5.46x57xsin37°47"x112%=213.7kN
b、镇墩上、下游内水压力As
上游端As'=7ir2*r水H=3.14*0.8*0.8*9.81*35.2
=693.94kN
下游端As//=71r2*r水H=3.14*0.8*0.8*9.81*37.8
=745.2kN
*(Di2-D22)r水H上伸设
1.6282-1.62)9.81*20
*(Di2-D22)r水H下伸设
1.6282-1.62)9.81*71
C、伸缩节管端水压力As上游伸缩节A5‘=(兀/4)
=(3.14/4)*
=13.92kN
下游伸缩节A5〃=(71/4)
=(3.14/4)*
=49.42kN
d、温度变化时,伸缩节止水盘根对管壁摩擦力A6,考虑在进行水压试验时不应产生漏水现象,盘根压缩力取为计算水压力的1.25倍。
上游伸缩节a6'=1.257iDib2|i2r水H上伸设
=3.14*1.628*0.3*0.2*9.81*20*1.25
=75.22kN下游伸缩节A6//=1.257iDib2(i2r水H下伸设
=3.14*1.628*0.3*0.2*9.81*71*1.25=267kN
此处匕约为0.1D这里取0.2,(12=0.3
e、温度变化时,支墩对管壁的摩擦力A7上游方向
A7‘=(g管+g水)Icos1
计入附加增重12%,
A?
=(5.46+19.71)*5.4*0.5*cos22°47'*1.12=70kN
总共有7个支墩
YA?
=70*7=490kN
下游方向
A?
//=(5.46+19.71)*5.4*0.5*cos37°47"*1.12=60kN
总共有9个支墩
YA?
//=60*9=540kN
f、镇墩中弯管水流离心力As
As"=A8//=(v2/g)*(3.14/4)午水Do2=(1.5*1.5/9.81)*
(3.14/4)*9.81*1.6*1.6=4.52kN
g、镇墩前、后钢管对镇墩的法向力
镇墩前、后钢管自重及水重形成对镇墩的法向分力。
计算时,镇墩上游侧只计入半个支墩跨段,镇墩下游侧则计算至伸缩节,如果伸缩节布置在镇墩中间也计入半个支墩跨段。
《小型水电站机电设计手册■金属结构》P419页。
镇