杜君行 徐強(qiáng)

1 工程概況

阿根廷南部某水電站工程為壩后式電站，主要由擋水壩（混凝土面板堆石壩）、岸邊溢洪道、進(jìn)水口、導(dǎo)流箱涵（后期改建為放空底孔）、電站廠房和魚道等組成；進(jìn)水口至廠房間采用明鋼管引水，采用單機(jī)單管的布置形式，鋼管內(nèi)徑9.0 m，設(shè)計(jì)水頭93.9 m，鋼管的HD值845 m2，設(shè)計(jì)引用流量362.4 m3/s。

2 基礎(chǔ)資料

2.1 溫度

工程所在區(qū)域年平均溫度為7.4 ℃。1 月的溫度最高，月平均溫度為13.3 ℃，月平均最高氣溫為18.3 ℃。7 月的溫度最低，月平均溫度為0.8 ℃，月平均最低氣溫為-3.1 ℃。極端最高溫度為30.7 ℃，極端最低溫度為-13.7 ℃。

2.2 風(fēng)荷載

風(fēng)荷載為1.30 kPa。

2.3 雪荷載

雪荷載為0.75 kPa。

2.4 地震參數(shù)

運(yùn)行基本地震加速度（OBE）：0.036g，最大設(shè)計(jì)地震加速度（MDE）：0.39g。

地震反應(yīng)譜：根據(jù)地震加速度來確定震區(qū)級別，采用標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜。

2.5 鋼材

壓力鋼管設(shè)計(jì)用鋼為壓力容器鋼Q345R。

3 壓力鋼管布置研究

壓力鋼管從壩式進(jìn)水口閘門后漸變段開始至廠房機(jī)組蝸殼進(jìn)口處結(jié)束，長度約為190 m，采用明鋼管布置形式，鋼管內(nèi)徑9.0 m，在平面內(nèi)鋼管間距27 m。鋼管由上平段，上彎段，斜管段，下彎段及進(jìn)廠房的下平段組成。上平段長約64 m，上/下彎段分別由鎮(zhèn)墩固定，下彎段之后設(shè)置有內(nèi)徑9.0 m 漸變至8.5 m 的漸變段。進(jìn)水口后及上游鎮(zhèn)墩后均設(shè)置有伸縮節(jié)。斜管段沿地形布置，傾角約為22°，由滑動支座支撐；下彎段后接下平段進(jìn)入廠房，長度為13 m。壓力鋼管平面布置如圖1所示。

圖1 明鋼管平面布置圖

明鋼管的結(jié)構(gòu)安全，抗震性能是保障工程安全運(yùn)行的關(guān)鍵，本工程鋼管直徑大，需對伸縮節(jié)的位置、管道結(jié)構(gòu)形式、支座間距、斷面形式進(jìn)行多方案比選，設(shè)計(jì)過程中先后進(jìn)行了兩個階段共3種（縱向）布置方案的比選。

第一階段，自進(jìn)水口末端至廠房前全程為明管布置，支墩間距控制在12.9～15 m 之間，根據(jù)斜管段伸縮節(jié)的位置的不同比較了以下兩種布置方案。

布置方案1：上平段伸縮節(jié)設(shè)置在進(jìn)水口后，斜管段伸縮節(jié)布置在上鎮(zhèn)墩后。

布置方案2：上平段伸縮節(jié)設(shè)置在進(jìn)水口后，斜管段伸縮節(jié)布置在斜管段中部。

兩方案的布置圖如圖2 和圖3 所示。

圖3 壓力鋼管縱剖圖（布置方案2）

布置方案3 是在布置方案1、2 的鋼管結(jié)構(gòu)分析和振動分析基礎(chǔ)上，對鎮(zhèn)墩、支座間距和下斜段末段斷面形式進(jìn)行了調(diào)整，

布置方案3 的具體布置：鋼管上平段長約45 m，設(shè)置1 個波紋管伸縮節(jié)和2 個滑動支座（1#～2#），支座間距分別為13.4 m 和12.5 m；上彎段由鎮(zhèn)墩固定；斜管段沿地形布置，傾角約為21.65°，長度約95 m，采用明管和外包混凝土管道兩種結(jié)構(gòu)形式，明管段設(shè)4 個滑動支座（3#～6#），在明管中部4#和5#支座之間設(shè)置1 個波紋管伸縮節(jié)，支座間距12.5 m；斜管段尾段（下鎮(zhèn)墩上游側(cè)）為一段33.48 m 長的外包混凝土管段，為了減小內(nèi)水壓力外傳至混凝土，在外包管段內(nèi)鋼管頂部180°范圍內(nèi)布置厚度為30 mm 的軟墊層。下彎段后內(nèi)徑由9.0 m 漸變至8.082 m，后下平段進(jìn)入廠房。

布置方案1～3 布置差異詳見表1。布置方案3的縱剖面如圖2～圖4 所示。

圖4 壓力鋼管縱剖圖（布置方案3）

表1 3種布置方案差異表 m

4 明鋼管應(yīng)力與振動分析

明鋼管設(shè)計(jì)通常采用公式法確定壓力鋼管管壁厚度及支承環(huán)、加勁環(huán)設(shè)計(jì)斷面，再通過有限元結(jié)構(gòu)分析、復(fù)核，以完善布置方案。為便于對壓力鋼管的結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行復(fù)核，有限元分析根據(jù)不同的布置方案，分別采用引水發(fā)電系統(tǒng)整體建模計(jì)算的方式。

4.1 計(jì)算模型

計(jì)算模型包括：進(jìn)水口、鋼管、伸縮節(jié)、支承環(huán)、鎮(zhèn)墩以及地基等，其中鋼管管殼、加勁環(huán)、支承環(huán)、鋼蝸殼等采用ANSYS 中SHELL63 板殼單元，進(jìn)水口、支墩、鎮(zhèn)墩混凝土、廠房以及地基等采用ANSYS 中45 號實(shí)體單元。復(fù)式波紋管伸縮節(jié)采用PIPE16 管單元；兩端的波紋管長500 mm，滑動支座上、下滑板之間建立接觸摩擦。在地基的上下游端面、兩側(cè)施加法向約束，底部邊界施加全約束，其他均為自由面，各支座無水平側(cè)向限位。有限元主要模型如圖5～圖7 所示。

圖5 整體模型網(wǎng)格

圖6 壓力鋼管網(wǎng)格

圖7 支承環(huán)網(wǎng)格

有限元模型建立在笛卡爾直角坐標(biāo)系坐標(biāo)（x，y，z）下，xOy面為水平面，x軸水平指向左側(cè)（面向下游）為正，y軸水平指向上游為正，z軸豎直向上側(cè)為正。

4.2 鋼管結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

經(jīng)過解析公式法分析和有限元分析，得出如下結(jié)論：

（1）布置方案1 和方案2 壓力鋼管的應(yīng)力和變形均滿足規(guī)范要求，且方案2 的鋼管應(yīng)力總體小于方案1。非地震工況鋼管布置方案1 在伸縮節(jié)處的水平向相對位移最大約60 mm，而方案2 的水平向最大位移約為35 mm，相對于方案1 的位移有了大幅減小。因此，采取方案2 的布置方式，將伸縮節(jié)布置在斜管段中部更合理。

（2）布置方案3 將波紋管伸縮節(jié)布置在斜直段中部4#、5#支墩之間。如果不考慮出現(xiàn)5#、6#支墩同時脫空的情況，那么伸縮節(jié)軸向和橫向最大允許位移標(biāo)準(zhǔn)值均取50 mm 即可滿足要求；而如果需要滿足所有工況對波紋管伸縮節(jié)變形的要求，那么伸縮節(jié)軸向變位最大允許標(biāo)準(zhǔn)值要求大于32.55 mm，橫向變位要求大于78.62 mm 以上。

（3）布置方案3 鋼管沿各支座的軸向變位離波紋管伸縮節(jié)越遠(yuǎn)（即越靠近上下游鎮(zhèn)墩）數(shù)值越小，鋼管最大軸向位移一般出現(xiàn)在5#支座處，可達(dá)15 mm 左右，因此在選擇支座時應(yīng)考慮最大軸向滑移量，以免鋼管從支墩上脫落。

（4）布置方案3 明鋼管斜直段下游部分管段采用外包混凝土管，有利于減小伸縮節(jié)處鋼管軸向變形和橫向變形，但可能引起外包混凝土拉應(yīng)力過大；為了減小斜直段外包混凝土的拉應(yīng)力，因此采取外包混凝土管段鋼管上半周內(nèi)設(shè)軟墊層，這樣通過適當(dāng)配筋，即可保證外包混凝土結(jié)構(gòu)安全和正常使用要求。

4.3 鋼管振動分析

4.3.1 鋼管振動的振源

當(dāng)管內(nèi)水體被擾動發(fā)生壓力波時，由于壓力波沿鋼管的傳播就會引起鋼管的振動。當(dāng)壓力波的振動頻率接近某段壓力鋼管的自振頻率時， 就會引起劇烈的共振。引起壓力鋼管內(nèi)水體振動的擾動源有：

（1）尾水管內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)的渦流。

（2）因加工或安裝缺陷造成運(yùn)轉(zhuǎn)的振動，其頻率接近于水輪機(jī)轉(zhuǎn)速。（3）水流對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的撞擊引起的振動。（4）操作閘閥、水輪機(jī)導(dǎo)水葉時，流量突變引起的水擊。

4.3.2 設(shè)計(jì)及分析原則

在壓力鋼管設(shè)計(jì)時，目前多采用避開共振區(qū)的辦法，分別計(jì)算壓力鋼管可能發(fā)生的振源頻率，水力共振頻率。若兩者接近，應(yīng)考慮改變壓力鋼管的布置或加設(shè)加勁環(huán)等措施，再次計(jì)算鋼管自振頻率，盡量滿足自振頻率與外干擾頻率錯開25%以上。

4.3.3 振動分析評價

通過對引水發(fā)電系統(tǒng)整體振動分析，得出如下結(jié)論：

（1）本工程壓力鋼管可能遇到的激振頻率分布范圍為0.463～520.104 Hz，以中低頻為主。

（2）布置方案1、2 即使采取了各種工程措施，鋼管固有頻率仍無法滿足與激振頻率錯開25%的要求。

（3）布置方案3 當(dāng)鋼管支座處有側(cè)向限位約束且限位間隙值取為50 mm，計(jì)算得到的鋼管前30階振動頻率為2.151 825～24.483 384 Hz，方案3 明鋼管布置具有較高的自振頻率，對壓力管道的抗振更為有利。

5 結(jié) 語

本工程壓力鋼管為大直徑明鋼管，考慮到鋼管內(nèi)水壓力不大，各管段的徑厚比普遍大于300，變形及振動是壓力鋼管設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，因此除了采用解析公式進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算基礎(chǔ)上， 用ANSYS、ABAQUS 有限元程序通過建立發(fā)電引水整體模型和壓力管道局部模型對大直徑明鋼管的靜動力特性進(jìn)行了分析。通過比較3 種方案的鋼管的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移及抗振等因素，最終確定了布置方案3 為推薦方案。由于影響明鋼管安全運(yùn)行的因素較多，分析計(jì)算時做了不少假設(shè)和簡化，設(shè)計(jì)方案難免存在許多不夠完善的地方，因此下一階段還需對以下幾點(diǎn)著重關(guān)注：

（1）對伸縮節(jié)、支座的設(shè)計(jì)和制造要求較高。由于大直徑明鋼管的變形特性，尺寸大、柔度大、變形大導(dǎo)致伸縮節(jié)和支座的設(shè)計(jì)難度可能較大，因此大直徑明鋼管的設(shè)計(jì)不再是一個純粹的鋼管常規(guī)設(shè)計(jì)問題，對設(shè)備制造商的設(shè)計(jì)和加工制造能力也有較高的要求，確定能夠設(shè)計(jì)制造出相應(yīng)產(chǎn)品的制造商尤為重要。

（2）明鋼管末端常常與蝸殼進(jìn)口相連，機(jī)組在發(fā)電時帶來的壓力脈動會引起明鋼管的強(qiáng)迫振動，影響水力條件、明鋼管的穩(wěn)定性。對于本工程的大直徑明鋼管，壓力脈動引起壓力鋼管水力共振方面的問題，應(yīng)值得研究。

（3）大直徑明鋼管的變形問題比應(yīng)力更為突出，溫度梯度引起的變形不可忽視，尤其是空管情況下，柔度大變形大，應(yīng)引起重視。