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1、一、计算资料1 本工程为等工程，引水压力钢管为级建筑物。钢管结构安全级别为级，结构重要性系数o=1.0，设计状况系数=1.0（持久状况），结构系数d：明管取1.6（主厂房明管宜增大10%20%）；埋管取1.3；加劲环取1.1，焊缝系数=0.95。2 压力钢管采用16Mn（Q345-C）和WDB620钢材。3 围岩重度r=26KN/m3，围岩弹抗K01=30006000N/mm3，弹性模量2.0x104MPa,变形模量1.82.0x104MPa。4 内水压力按30%增加值考虑，H=160-30=130mP=130x1.3x0.01=1.69 N/mm2，（实际过渡过程计算中蜗壳进口最大压力为16
2、0m。）5. 外水压力：1#引水隧洞钢衬起点处外水水头最大，若按原始地下水位取值，则地下水位为137.6 m，排水洞底高程取为72.0，钢管中心线高程为30.0m。a) 考虑高压管道排水洞的排水作用，排水洞底高程至高压管道取全水头，排水洞底高程至地下水位线高程段取0.4倍水头，则引水钢管处最大的外水压力值为（137.6-72.0）0.4+（72.0-30.0）=68.2m。b) 根据实测资料：引水钢管外水压力与原勘探钻孔测得的地下水位线无明显联系，而与隧洞内水外渗直接相关，即隧洞的外水压力值可以由内水压力来确定。围岩渗流损失系数参考取值约为0.40.5，考虑内水外渗和外水内渗两次渗流损失，则钢
3、管的外水压力值为(169.15-30.0)(1-0.45)2=42.1m。根据实测结果的不确定性和理论取值偏于保守的特点，设计外水压力值取用上述两值的平均值，即设计外水压力值m。55.15m，即0.55 N/mm2。二、钢管结构计算1 厂房内及厂房上游侧采用WDB620钢材，为保守起见，不考虑钢管类型判别条件，按明管计算。查规范（DL）资料有s = 325N/mm2，b=470 N/mm2 ，则取fsk=0.67，对于明管情况，fs=0.67=314.9 N/ m2，为钢材强度分项系数1.11，则fs=374 N/mm2。根据水电站压力钢管设计规范（DL），R=其中R钢管结构构件中的抗力极限（
4、N/mm2）s钢材屈服点（N/mm2）b钢材抗拉强度（N/mm2）fsk钢材抗拉强度标准值（N/mm2）fs钢材抗拉强度设计值（N/mm2）o结构重要性系数设计状况系数d结构系数将有关数据带入公式R=194.8（N/mm2）则t=+2=+2=28.9(mm)取t=32mm。2WDB620钢衬段以上半埋管、埋管采用16Mn（Q345-C）钢查规范（DL）有s =325 N/mm2，b=470 N/mm2 ，则取fsk=s，对于埋管情况，fsk=325 N/ m2，fs=290 N/mm2。R=223.08（N/mm2）判别钢管与岩石联合受力的情况： Es2平面应变问题的钢材弹性模量（N/mm2）
5、（N/mm2）Es钢材弹性模量（2.06x105N/mm2）s泊松比（0.3）2缝隙宽度2=b+s+rb施工缝隙，可取b =0.2mms钢管冷缩缝隙 最低运行温度情况s1=Tssr(1+s)s1最低运行温度情况下的钢管冷缩缝隙值Ts 钢管起始温度减最低运行温度，取Ts =17.5（工程区域近似平均地面温度19.7，近似最低水温2.2，最高水温34.7，最低三个月平均水温10.5）s 钢材线性膨胀系数，取1.2x10-5/s1=17.5x1.2x10-5x3500x(1+0.3)=0.956（mm） 最高水温情况s2=Ts1sr(1+s)Ts1为起始温度减最高运行温度，取Ts1 =-15s2=-
6、15x1.2x10-5x3500 x(1+0.3)=-0.819（mm）r围岩冷缩缝隙r=Trrr5rTr 洞壁表面岩石起始温度减最低温度，取Ts =9.2r 围岩膨胀系数，取0.5x10-5/r5 隧洞开挖半径r 围岩破碎区相对半径影响系数，可查水电站压力钢管设计规范（DL）中的图表。r与围岩破碎区外半径有关，坚硬完整围岩可取r5，破碎软弱围岩可取7r，中等围岩内插选取。本工程考虑隧洞1000mm松动圈，内插取得r =0.5。r=9.2x0.5x10-5x4100x0.5=0.094（mm）2=b+s+r =0.2+0.956+0.094=1.25（mm）则 (mm) 2 Hr 6r5 =
7、6x4.1 = 24.6（m） Hr P2围岩分担的最大内压P内水压力设计值（N/mm2）内水作用下钢管最小环向正应力（N/mm2） （注：公式中1000的单位为mm） 围岩单位抗力系数最大可能值，取=5 N/mm3围岩重度最小值，取=2.6x10-5N/mm3管轴与水平面夹角，本工程为=0 围岩侧向压力系数代入各参数，则公式简化为Hr 利用Excel表格，代入不同的钢衬厚度进行试算，结果如下：T（mm）30282624222018P21.3191.3251.3311.3381.3441.3511.359Hr（m）50.7150.9551.1951.4400 51.7151.9852.26埋管
8、类型判别：1) 当满足而不满足时，按明管考虑，考虑覆盖层厚度及管节布置，明管长度取14m。2） 当满足，不满足时，按半埋管考虑。与明管段对照，考虑不同厚度钢衬的衔接，选取t=28mm，Hr 50.95m。本工程3#引水系统钢衬段围岩覆盖层厚度最小，本钢衬段长度取20m。（N/mm2）垂直管轴的最小覆盖厚度，此处取=24.6m则 （mm）取t=28mm，其中下游段16m采用WDB620钢材。3） 当均满足 0则钢管壁厚由抗外压稳定和最小壁厚确定。在满足最小壁厚的情况下，根据规范要求，壁厚级差宜取24mm，因此本钢衬段从t=28mm逐渐减薄至t=20mm，可通过抗外压稳定校核。三、钢管抗外压稳定分
9、析1明管（设加劲环）对加劲环间的光面管，采用米赛斯公式计算：抗外压稳定临界压力计算值（N/mm2）最小临界压力的波数，由估算，取相近的整数加劲环间距，取m通过Excel表格计算，得（N/mm2）。抗外压稳定系数，明管取2（N/mm2）计算值大于最大外水压力0.55N/mm2，满足稳定要求。（注：明管段可不进行抗外压稳定计算。）2埋管按光面管情况计算，取钢管厚度最小值t=20mm，采用经验公式 钢材屈服点，此处取即 （N/mm2）（N/mm2）采用阿姆斯特兹公式由外压引起的管壁屈曲处的平均应力（N/mm2）用试算法求解 平面应变问题的钢材屈服点（N/mm2）与围岩塑性压缩缝隙值之和围岩变形模量，
10、取=1.8x104（N/mm2）围岩弹性模量，取=2.0x104（N/mm2）通过Excel表格计算，得（N/mm2）（N/mm2）（N/mm2）光面管（t=20mm）不能满足抗外压稳定，需要设加劲环。加近环按1m间距布置。采用米赛斯公式计算，得（N/mm2）。抗外压稳定系数，明管取2，埋管取1.8（N/mm2）（N/mm2）。即当布置间距1m加劲环时，壁厚t=28mm至t=20mm的钢衬段均能满足抗外压稳定。3埋管段加劲环的稳定对最不利部位即钢衬厚度t=20mm的钢衬段加劲环进行计算加劲环有效截面面积加劲环高度，=200mm加劲环厚度，=20mm加劲环间距，=1000mm计算简图见附图，则12655（mm2）（N/mm2）（N/mm2）（N/mm2）埋管段钢衬加劲环的抗外压稳定满足要求。2
