明管结构计算书.docx

1、明管结构计算书明管结构计算书项目名称_日 期_设 计 者_校 对 者_一、示意图：二、基本设计资料 1依据规范及参考书目： 水电站压力钢管设计规范（SL 2812003），以下简称规范 水工建筑物荷载设计规范（DL 5077 - 1997） 钢结构设计规范（GBJ 17 - 1988） 压力钢管（潘家铮编 1982年版） 2几何参数： 钢管内径D = 2000 mm 钢管轴线倾角 = 44.0 度 支座个数n = 4 个，支墩间距L = 16000 mm，加劲环间距l = 4000 mm 钢管壁厚由计算确定。 加劲环厚度a1 = 25 mm 加劲环高度h1 = 100 mm 支承环厚度a2 =

2、 30 mm 支承环高度h2 = 150 mm 伸缩节至支承环距离L3 = 54000 mm，伸缩节止水盘根沿轴向长度b1 = 300 mm 伸缩节内套管外径D1 = 2020 mm，伸缩节内套管内径D2 = 2000 mm 3材料及荷载参数： 支承环处截面中心计算水头H = 56250 mm 钢材的牌号：Q235C级，钢材的屈服点s = 235.0 N/mm2 钢材弹性模量Es = 2.06105 N/mm2，泊松比 = 0.3 钢材线膨胀系数s = 1.2010-5 /，重度s = 7.8510-5 N/mm3 焊缝系数 = 0.95，支座对管壁摩擦系数f = 0.10 伸缩节止水填料与管

3、壁摩擦系数1 = 0.30三、初估管壁厚度 1按锅炉公式初估管壁厚度t： 根据末跨跨中计算水头并考虑将刚才允许应力降低15%，锅炉公式如下： t = wH1D/2（1-0.15） 末跨跨中管道中心计算水头H1 = H-L/2sin = 56250-16000/2sin44.0= 50693 mm = 0.55s = 0.55235.0 = 129.3 N/mm2 t = 9.8010-6506932000/20.95（1-0.15）129.25 = 4.8 mm 考虑2mm的锈蚀裕量后管壁厚度初定为t = 7.0 mm 2复核管壁厚度是否满足制造工艺、安装、运输等要求所需刚度的最小厚度要求：

4、判断公式如下： t D/800 + 4 则t应满足t 2000/800 + 4 = 6.5 mm 实际选用管壁厚度t = 7.0 mm，满足要求四、跨中截面管壁应力分析 1计算参数： 末跨跨中管道中心计算水头H1 = H-L/2sin = 56250-16000/2sin44.0= 50693 mm 伸缩节端部管道中心计算水头H = H-L3sin = 56250-54000sin44.0= 18738 mm 伸缩节到跨中截面的计算长度L3 = L3-L/2 = 54000-16000/2 = 46000 mm 2荷载计算： （1）径向内水压力 计算公式：P = wH1 P = 9.8010-

5、650693 = 0.497 N/mm2 （2）钢管自重作用下垂直管轴方向的法向力 计算公式：Qs = qsLcos （每跨钢管自重） qs = 1.25Dts （单位长钢管自重，考虑加劲环等附件重量为钢管重量的25%） qs = 1.253.1420007.07.8510-5 = 4.316 N/mm Qs = 4.31616000cos44.0 = 49672 N （3）钢管中水重作用下垂直管轴方向的法向力 计算公式：Qw = qwLcos （每跨管内水重） qw = 0.25D2w （单位长管内水重） qw = 0.253.14200029.8010-6 = 30.788 N/mm Qw

6、 = 30.78816000cos44.0 = 354348 N （4）钢管自重作用下轴向分力 计算公式：A1 = qsL3sin A1 = 4.31646000sin44.0 = 137907 N （5）套筒式伸缩节端部的内水压力 计算公式：A5 = 0.25（D12 - D22）Hw A5 = 0.253.14（20202-20002）187389.8010-6 = 11596 N （6）温升时套筒式伸缩节止水填料的摩擦力 计算公式：A6 = D1b11w A6 = 3.1420203000.30187389.8010-6 = 104883 N （7）温升时支座对钢管的摩擦力 计算公式：A

7、7 = n（qs + qw）Lfcos A7 = 3（4.316 + 30.788）160000.10cos44.0 = 121206 N （8）轴向力的合力A A = A1 + A5 + A6 + A7 =137907 + 11596 + 104883 + 121206 = 375592 N 3跨中管壁截面应力计算公式： （1）径向内水压力P在管壁中产生的环向应力1： 1 = Pr/t（1 - r/Hcoscos） 式中：r = D/2 为计算点径向与管中心铅垂线的夹角。 = 0为管顶点； = 90为管水平轴线处； = 180为管底 （2）轴向力合力A在横断面上产生的轴向应力x1（拉力为正）

8、： x1 = A/（2rt） （3）法向力在横断面上产生的轴向应力x2（拉力为正）： x2 = -M/（r2t）cos 式中：M = （qs + qw）/10L2cos （4）内水压力P在管壁中产生的径向应力r： r = -w（H1 - rcoscos） 4跨中管壁截面各计算点应力复核条件： = 2+x2+r2-x-r-xr1/2 式中： = 1 x = x1 + x2 相应计算工况的允许应力 = 0.55s = 0.55235.0 = 129.3 N/mm2 5跨中管壁截面应力计算结果：部位1x1x2xr=097.95-11.96-41.15-53.11-0.49132.81122.79=9

9、099.36-11.96-0.00-11.96-0.50106.05122.79=180100.77-11.9641.1529.20-0.5090.17122.79 跨中管壁截面应力复核不满足要求！五、加劲环及其旁管管壁应力分析 1计算参数： 管壁计算厚度t = 实际厚度 - 2 = 7 - 2 = 5 mm 加劲环截面管道中心计算水头H2 = H-lsin = 56250-4000sin44.0= 53471 mm 伸缩节端部管道中心计算水头H = H-L3sin = 56250-54000sin44.0= 18738 mm 伸缩节到加劲环截面的计算长度L3 = L3-l = 54000-1

10、6000 = 50000 mm 2荷载计算： （1）径向内水压力 计算公式：P = wH2 P = 9.8010-653471 = 0.524 N/mm2 （2）钢管自重作用下垂直管轴方向的法向力 计算公式：Qs = qsLcos （每跨钢管自重） qs = 1.25Dts （单位长钢管自重，考虑加劲环等附件重量为钢管重量的25%） qs = 1.253.1420007.07.8510-5 = 4.316 N/mm Qs = 4.31616000cos44.0 = 49672 N （3）钢管中水重作用下垂直管轴方向的法向力 计算公式：Qw = qwLcos （每跨管内水重） qw = 0.25

11、D2w （单位长管内水重） qw = 0.253.14200029.8010-6 = 30.788 N/mm Qw = 30.78816000cos44.0 = 354348 N （4）钢管自重作用下轴向分力 计算公式：A1 = qsL3sin A1 = 4.31650000sin44.0 = 149899 N （5）套筒式伸缩节端部的内水压力 计算公式：A5 = 0.25（D12 - D22）Hw A5 = 0.253.14（20202-20002）187389.8010-6 = 11596 N （6）温升时套筒式伸缩节止水填料的摩擦力 计算公式：A6 = D1b11w A6 = 3.142

12、0203000.30187389.8010-6 = 104883 N （7）温升时支座对钢管的摩擦力 计算公式：A7 = n（qs + qw）Lfcos A7 = 3（4.316 + 30.788）160000.10cos44.0 = 121206 N （8）轴向力的合力A A = A1 + A5 + A6 + A7 =149899 + 11596 + 104883 + 121206 = 387584 N 3加劲环截面几何参数计算： （1）管壁等效翼缘宽（一侧）的倒数k 计算公式：1/k = 0.78（rt）1/2 1/k = 0.78（10005.0）1/2 = 55.2 mm k = 0.

13、018 1/mm （2）加劲环的净面积ARO 计算公式：ARO = a（h + t） ARO = 25（100 + 5.0） = 2625.0 mm2 （3）加劲环的有效面积AR 计算公式：AR = ah + （a + 2/k）t AR = 25100 + （25 + 2/0.018）5.0 = 3176.5 mm2 （4）加劲环的有效截面重心轴至管中心距离rk 计算公式：rk = ah（h/2+t+r）+（2/k+a）t（r+t/2）/AR rk = 25100（100/2+5.0+1000）+（2/0.018+25）5.0（1000+5.0/2）/3177 = 1044 mm （5）距离参

14、数y1、y2 计算公式：y1 = h/2 + t + r - rk y2 = rk - （r + t） y1 = 100/2 + 5.0 + 1000 - 1043.8 = 11.2 mm y2 = 1043.8 - （1000 + 5.0） = 38.8 mm （6）加劲环有效截面惯性矩Jk 计算公式：Jk = ah3/12+ahy12+(2/k+a)t3/12+(2/k+a)t(y2+t/2)2 Jk = 251003/12+2510011.22+(2/0.018+25)5.03/12+(2/0.018+25)5.0(38.8+5.0/2)2 = 3552315 mm4 （7）相对刚度系数

15、 计算公式： = （ARO - at）/AR = （2625 - 255.0）/3177 = 0.787 4加劲环及其旁管管壁应力计算公式： （1）径向内水压力P产生的环向应力2： 2 = Pr/t（1 - ） （忽略不均匀水压力） 式中：r = D/2 （2）轴向力合力A在横断面上产生的轴向应力x1（拉力为正）： x1 = A/（2rt） （3）法向力在横断面上产生的轴向应力x2（拉力为正）： x2 = -M/（r2t）cos 式中：M = （qs + qw）/10L2cos （4）由加劲环局部约束产生的轴向应力x3（管壁内缘为正、外缘为负）： x3 = 1.816Pr/t （5）内水压力P

16、在管壁中产生的径向应力r： r = -w（H2 - rcoscos） 5加劲环及其旁管管壁各计算点应力复核条件： = 2+x2+r2-x-r-xr1/2 式中： = 2 x = x1 + x2 + x3 相应计算工况的允许应力 = 0.67s = 0.67235.0 = 157.5 N/mm2 6加劲环及其旁管管壁应力计算结果：部位=2x1x2x3xr0内缘22.32-12.34-41.15149.7996.30-0.5287.66149.580外缘22.32-12.34-41.15-149.79-203.28-0.52215.09149.5890内缘22.32-12.34-0.00149.7

17、9137.45-0.52128.09149.5890外缘22.32-12.34-0.00-149.79-162.13-0.52174.15149.58180内缘22.32-12.3441.15149.79178.60-0.53168.87149.58180外缘22.32-12.3441.15-149.79-120.97-0.53133.34149.58 加劲环及其旁管管壁应力复核不满足要求！六、支承环及其旁管管壁应力分析 1计算参数： 管壁计算厚度t = 实际厚度 - 2 = 7 - 2 = 5 mm 支承环截面管道中心计算水头H = 56250 mm 伸缩节端部管道中心计算水头H = H-L

18、3sin = 56250-54000sin44.0= 18738 mm 伸缩节到支承环截面的计算长度L3 = 54000 mm 2荷载计算： （1）径向内水压力 计算公式：P = wH P = 9.8010-656250 = 0.551 N/mm2 （2）钢管自重作用下垂直管轴方向的法向力 计算公式：Qs = qsLcos （每跨钢管自重） qs = 1.25Dts （单位长钢管自重，考虑加劲环等附件重量为钢管重量的25%） qs = 1.253.1420007.07.8510-5 = 4.316 N/mm Qs = 4.31616000cos44.0 = 49672 N （3）钢管中水重作用

19、下垂直管轴方向的法向力 计算公式：Qw = qwLcos （每跨管内水重） qw = 0.25D2w （单位长管内水重） qw = 0.253.14200029.8010-6 = 30.788 N/mm Qw = 30.78816000cos44.0 = 354348 N （4）钢管自重作用下轴向分力 计算公式：A1 = qsL3sin A1 = 4.31654000sin44.0 = 161891 N （5）套筒式伸缩节端部的内水压力 计算公式：A5 = 0.25（D12 - D22）Hw A5 = 0.253.14（20202-20002）187389.8010-6 = 11596 N （

20、6）温升时套筒式伸缩节止水填料的摩擦力 计算公式：A6 = D1b11w A6 = 3.1420203000.30187389.8010-6 = 104883 N （7）温升时支座对钢管的摩擦力 计算公式：A7 = n（qs + qw）Lfcos A7 = 3（4.316 + 30.788）160000.10cos44.0 = 121206 N （8）轴向力的合力A A = A1 + A5 + A6 + A7 =161891 + 11596 + 104883 + 121206 = 399576 N 3支承环截面几何参数计算： （1）管壁等效翼缘宽（一侧）的倒数k 计算公式：1/k = 0.78

21、（rt）1/2 1/k = 0.78（10005.0）1/2 = 55.2 mm k = 0.018 1/mm （2）支承环的净面积ARO 计算公式：ARO = a1（h1 + t） ARO = 30（150 + 5.0） = 4650.0 mm2 （3）支承环的有效面积AR 计算公式：AR = a1h1 + （a1 + 2/k）t AR = 30150 + （30 + 2/0.018）5.0 = 5201.5 mm2 （4）支承环的有效截面重心轴至管中心距离rk 计算公式：rk = a1h1（h1/2+t+r）+（2/k+a1）t（r+t/2）/AR rk = 30150（150/2+5.0

22、+1000）+（2/0.018+30）5.0（1000+5.0/2）/5202 = 1070 mm （5）距离参数y1、y2 计算公式：y1 = h1/2 + t + r - rk y2 = rk - （r + t） y1 = 150/2 + 5.0 + 1000 - 1069.5 = 10.5 mm y2 = 1069.5 - （1000 + 5.0） = 64.5 mm （6）支承环有效截面惯性矩Jk 计算公式：Jk = a1h13/12+a1h1y12+(2/k+a1)t3/12+(2/k+a1)t(y2+t/2)2 Jk = 301503/12+3015010.52+(2/0.018+

23、30)5.03/12+(2/0.018+30)5.0(64.5+5.0/2)2 = 12084303 mm4 （7）相对刚度系数 计算公式： = （ARO - a1t）/AR = （4650 - 305.0）/5202 = 0.865 （8）支承环有效截面上，计算点至重心轴的距离ZR 支承环外缘A、管壁外缘B、管壁内缘C为应力计算点，ZR为计算点至重心轴的距离，重心轴以上取“”，重心轴以下取“”。 计算公式：ZRA = -（r + t + h1 - rk） ZRA = -（1000 + 5.0 + 150 - 1069.5） = -85.5 mm ZRB = y2 = 64.5 mm ZRC

24、= y2 + t = 64.5 + 5.0 = 69.5 mm （9）支承环有效截面上，计算点以外部分面积对重心轴的面积矩SR 计算公式：SRA = 0.0ZRA = 0.0 mm3 SRB = a1h1y1 = 3015010.5 = 47037 mm3 SRC = AR0.0 = 0.0 mm3 （10）侧支承反力作用点（支承点）至支承环重心轴的距离b 对于侧支承，一般使b/rk = 0.04时，环上正、负弯矩最大值相等，以便充分利用材料。 计算公式：b = 0.04rk = 0.041069.5 = 42.8 mm 4支承环内力计算（结构力学方法）： （1）弯矩MR计算公式： MR =

25、Qrkcos（K3 + b / rk K4） 式中：Q = （qs + qw）L = （4.316 + 30.788）16000 = 561654 N 当0 / 2时： K3 = -1.5cos + （/2 - sin）/(2) K4 = 0.25 - cos/ 当 / 2 时： K3 = -1.5cos + （ - ）sin - /2/(2) K4 = -0.25 - cos/ （2）弯矩MR计算结果：部位QrkK3K4b/rkMR（Nmm）管顶5616541069.544.00.0113-0.06830.043688214水平轴上5616541069.544.00.00000.25000.

26、044321186水平轴下5616541069.544.00.0000-0.25000.04-4321186管底5616541069.544.0-0.01130.06830.04-3688214 （3）轴力NR： NR = Qcos（K1 + B1 K2） 式中：B1 = r/rk - b / rk K2 = cos / 当0 / 2时： K1 = -（1.5cos + sin）/(2) 当 / 2 时： K1 = -1.5cos + （ - ）sin/(2) （4）轴力NR计算结果：部位QK1K2B1NR（N）管顶56165444.0-0.23870.31830.895018644水平轴上56165444.0-0.25000.00000.8950-101005水平轴下56165444.00.25000.00000.8950101005管底56165444.00.2387-0.31830.8950-18644 （5）剪力TR： TR = Qcos（K5 + C K6） 式中：C = r/rk 1 - b / rk K6 = sin / 当0 / 2时： K5 = （cos - 0.5sin）/(2) 当 / 2 时： K5 = -0.5sin + （ - ）cos/(2)