加勁環(huán)式埋藏式壓力管道的穩(wěn)定性分析研究.pdf

1、埋藏式壓力鋼管布置靈活，可利用圍巖分擔(dān)內(nèi)水壓力，節(jié)省鋼材且安全度高，運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于大中型水電站。埋藏式壓力管道設(shè)計(jì)中要解決好內(nèi)水壓力下鋼襯與圍巖的分載比例和外水壓力下鋼襯的穩(wěn)定性問(wèn)題。 在內(nèi)水壓力下，鋼襯、混凝土襯砌和圍巖可共同承載。應(yīng)用彈性薄壁圓筒理論并根據(jù)徑向變形相容條件的解析方法，無(wú)法考慮圍巖塑性，圍巖初始應(yīng)力和開(kāi)挖后的二次應(yīng)力對(duì)壓力管道承受內(nèi)水壓力的影響，對(duì)非圓型洞室也不適用。有限元可解決解析方法中存在的

2、問(wèn)題，但要模擬鋼襯和混凝土襯砌之間的不同微小的縫隙不易實(shí)現(xiàn)。本文吸取以上兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合埋藏式壓力管道的實(shí)際承載過(guò)程，提出一種半解析半有限元方法。為進(jìn)一步對(duì)比，本文提出另一種有限元方法，通過(guò)在鋼襯和混凝土襯砌之間設(shè)置接觸單元對(duì)鋼襯與混凝土襯砌間的初始縫隙值進(jìn)行系統(tǒng)量化分析，可很好地模擬當(dāng)初始縫隙值閉合時(shí)，鋼襯、混凝土襯砌和圍巖三者的共同承載機(jī)理。 當(dāng)鋼管內(nèi)放空，地下水作為外壓荷載通過(guò)混凝土的裂縫直接作用在鋼管壁上，極易造成管

3、壁結(jié)構(gòu)發(fā)生薄殼屈曲失穩(wěn)。我國(guó)規(guī)范、美國(guó)及日本都推薦采用按明管的米賽斯公式計(jì)算其臨界外壓，不考慮混凝土襯砌對(duì)鋼管管壁變形的徑向約束作用，只將這種徑向約束作用作為安全儲(chǔ)備，相應(yīng)地降低安全系數(shù)。但通常初始縫隙較小，混凝土襯砌的徑向約束作用仍將使壓力鋼管的臨界外壓提高，而這一現(xiàn)象在當(dāng)前的設(shè)計(jì)方法、分析研究中均未考慮。本文為了考慮混凝土襯砌對(duì)鋼襯的徑向約束作用，應(yīng)用大型有限元分析系統(tǒng)ANSYS的接觸對(duì)和非線性屈曲分析技術(shù)進(jìn)行地下埋藏式壓力管道外水

4、作用下的屈曲分析。當(dāng)鋼襯和混凝土襯砌之間的接觸對(duì)接觸后，則可模擬混凝土襯砌對(duì)鋼管的徑向約束作用對(duì)臨界屈曲外壓的影響。最后與按賴華金推導(dǎo)的公式計(jì)算出的臨界外壓進(jìn)行了對(duì)比分析。 在內(nèi)水作用下較小的變形就使混凝土和圍巖開(kāi)裂，而鋼管由于變形小而不能充分發(fā)揮其特性以承受更多的荷載。而地下水又極易造成管壁屈曲失穩(wěn)。為更好的發(fā)揮材料特性，同時(shí)保證壓力管道安全穩(wěn)定，本文結(jié)合實(shí)際工程對(duì)三種新的壓力管道形式(組合套管、墊層管、夾層管)進(jìn)行了分析和探