直埋壓力鋼管槽鋼形式加勁環(huán)設(shè)計(jì)

劉袁

(奎屯農(nóng)七師勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院(有限公司)，新疆 奎屯833200)

摘要：本文對(duì)直埋壓力鋼管設(shè)計(jì)中采用槽鋼作為加勁環(huán)時(shí)的抗外壓驗(yàn)算公式進(jìn)行了推導(dǎo)并作了計(jì)算，并對(duì)不同布置形式的槽鋼加勁環(huán)方案的優(yōu)劣進(jìn)行了分析與說(shuō)明，為采用槽鋼制作的加勁環(huán)設(shè)計(jì)提供了一定的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：直埋壓力鋼管；加勁環(huán)；槽鋼；水利水電

中圖分類(lèi)號(hào)：TV732.4

Design of Direct Burial Penstock Channel Type Stiffening Ring

LIU Yuan

(KuitunNongqishiSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd.,Kuitun833200,China)

Abstract：In the paper, external pressure resistance checking formula in direct burial penstock designed with channel steel as stiffening ring is derived and calculated. Advantages and disadvantages of channel steel stiffening ring plans in different layout forms are analyzed and described, and it provides certain basis for designing stiffening which is ring made of channel steel.

Keywords：direct burial penstock; stiffening ring; channel steel; water resources and hydropower

壓力鋼管的加勁環(huán)一般采用鋼板割制而成，加工制作復(fù)雜困難，浪費(fèi)材料，質(zhì)量也難以保障，同時(shí)還需要在加勁環(huán)兩側(cè)加焊很多加強(qiáng)板以保證加工制造時(shí)加勁環(huán)能夠與管道在垂直和橫向的穩(wěn)定性，焊點(diǎn)多且繁雜。尤其是直埋管道，采用瀝青加玻璃絲布外防腐時(shí)，采用一般的扁鋼加勁環(huán)，由于加強(qiáng)板的原因，施工起來(lái)非常不便，質(zhì)量很難保證。

于是采用槽鋼代替扁鋼的方法被提出以解決上述問(wèn)題。槽鋼可以很方便地彎制成規(guī)則、質(zhì)量穩(wěn)定的加勁環(huán)，且無(wú)需擔(dān)心垂直管道和橫向的穩(wěn)定性。與一般的加勁環(huán)不同，槽鋼加勁環(huán)的計(jì)算不能全部按照《水電站壓力管道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 281—2003)的公式進(jìn)行，需對(duì)槽鋼加勁環(huán)的抗外壓設(shè)計(jì)公式進(jìn)行一定的調(diào)整和推導(dǎo)。

1槽鋼加勁環(huán)抗外壓計(jì)算

直埋壓力鋼管加勁環(huán)式鋼管的臨界外壓須進(jìn)行三個(gè)方面的計(jì)算：?加勁環(huán)間管壁的臨界壓力計(jì)算；?加勁環(huán)的臨界外壓計(jì)算；?加勁環(huán)的應(yīng)力計(jì)算。

1.1加勁環(huán)間管壁的臨界壓力計(jì)算

加勁環(huán)間管壁的臨界外壓可按米賽斯(Miese)公式計(jì)算[1]：

加勁環(huán)間距可取兩個(gè)加勁環(huán)的形心線(xiàn)的間距，忽略加勁環(huán)寬度帶來(lái)的影響，則從上述公式可知，加勁環(huán)的形式和管壁間的臨界外壓大小無(wú)關(guān)，計(jì)算和采用扁鋼的鋼管方法一致。

1.2加勁環(huán)的臨界外壓計(jì)算

加勁環(huán)的臨界外壓計(jì)算公式如下[1]：

式中F為加勁環(huán)的有效截面積(包括管壁等效翼緣)，由于截面發(fā)生改變，不能再用一般的加勁環(huán)等效截面計(jì)算公式，但原理一致。以倒扣槽鋼做加勁環(huán)(見(jiàn)圖1)為例，則有

式中A——槽鋼截面面積;

h——槽鋼高度；

t0——鋼管管壁計(jì)算厚度(規(guī)范不明確，運(yùn)行期內(nèi)管道磨損不可避免，為安全起見(jiàn)，宜采用計(jì)算厚度)。

圖1　倒扣槽鋼加勁環(huán)處斷面特性

1.3加勁環(huán)的應(yīng)力計(jì)算

加勁環(huán)的應(yīng)力可采用鍋爐公式計(jì)算[1]：

式中P0——徑向均布外壓值，包括真空壓力標(biāo)準(zhǔn)值、管頂豎向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值以及地面荷載；

r——加勁環(huán)有效截面重心軸處的半徑，為計(jì)算簡(jiǎn)便可取槽鋼規(guī)格表中的z0和管道外徑之和(這樣的做法會(huì)使計(jì)算結(jié)果偏保守)。

2槽鋼加勁環(huán)布置方式的比較

槽鋼加勁環(huán)布置可分為三種形式：倒扣型、背扣型(見(jiàn)圖2)和直立型(見(jiàn)圖3)。

圖2　背扣槽鋼加勁環(huán)處斷面特性

圖3　直立槽鋼加勁環(huán)處斷面特性

假設(shè)管道內(nèi)直徑2000mm，管道設(shè)計(jì)壁厚10mm，加勁環(huán)間距均取2m,管頂覆土1.4m，選用同規(guī)格的槽鋼[10作為加勁環(huán)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表(其中加勁環(huán)間管壁的臨界壓力幾乎不受加勁環(huán)形式影響，不作比較)。

不同形式的槽鋼加勁環(huán)比較表

由表中可知，在結(jié)構(gòu)上，直立型的加勁環(huán)最為合適，這也從側(cè)面證明了加勁環(huán)采用直立扁鋼的合理性，倒扣型的加勁環(huán)結(jié)構(gòu)條件最差，較直立的加勁環(huán)臨界壓力要小9%左右，但與背扣式相當(dāng)。

在制作上，施工單位普遍偏向使用倒扣型，主要是地下埋管防腐層施工比較方便。直立型加勁環(huán)存在上部翼緣處防腐層不易緊貼槽鋼的問(wèn)題。背扣型加勁環(huán)在鋪設(shè)防腐層施工上和倒扣型一樣方便，但在管道下埋時(shí)兩個(gè)翼緣受力，施工過(guò)程中防腐層容易破損。

3應(yīng)注意的問(wèn)題

槽鋼一般均為成品，市場(chǎng)上采購(gòu)非常方便，采用其作為加勁環(huán)在施工上會(huì)帶來(lái)較大的便利，可進(jìn)行一定程度的推廣利用。

但寒冷地區(qū)明鋼管不宜采用這種形式的加勁環(huán)，因?yàn)榧觿怒h(huán)是主要受力構(gòu)件，理應(yīng)采用能保證在低溫時(shí)沖擊韌性的要求，一般的槽鋼均采用Q235B或Q345B鋼材，僅能保證在20℃時(shí)的沖擊韌性。寒冷地區(qū)的埋管采用這種形式的加勁環(huán)時(shí)，頂部應(yīng)埋置于凍土層以下。較重要的直埋鋼管即便是埋置在凍土層以下也不建議采用這種類(lèi)型的加勁環(huán)。

另外，采用倒扣型槽鋼加勁環(huán)存在翼緣頂端較薄、受力兩邊不均衡的問(wèn)題。由于缺少相關(guān)的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)，尚不能估計(jì)其影響，從這方面考慮，實(shí)際設(shè)計(jì)中安全系數(shù)宜取2.0而不是規(guī)范規(guī)定埋管的1.8。

實(shí)際上，采用傳統(tǒng)的扁鋼加勁環(huán)也不是不能解決問(wèn)題，可在加勁環(huán)處剪破玻璃絲布，再外搭接一層玻璃絲布，只是施工較繁復(fù)而已。因此，在工程應(yīng)用上應(yīng)權(quán)衡利弊，合理采用。

參考文獻(xiàn)

SL 281—2003 水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

三峽年發(fā)電量、船閘通過(guò)量均創(chuàng)新高

2015年1月1日，中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司宣布，截至2014年12月31日24時(shí)，三峽電站全年發(fā)電量達(dá)988億千瓦時(shí)，創(chuàng)單座水電站年發(fā)電量新的世界紀(jì)錄。無(wú)獨(dú)有偶，就在前一日，2014年12月31日，據(jù)長(zhǎng)江三峽通航管理局透露，2014年度三峽船閘通過(guò)量創(chuàng)造了年通過(guò)量的新紀(jì)錄，累計(jì)達(dá)1.2億噸。年通過(guò)量創(chuàng)造新的紀(jì)錄，也標(biāo)志著三峽通航管理水平躍上“新臺(tái)階”。

在發(fā)電量方面，目前三峽電站總裝機(jī)容量2250萬(wàn)千瓦，位居世界第一，隨著近年設(shè)備的全部投運(yùn)，三峽電站巨大的發(fā)電能力充分發(fā)揮，繼2012年全年發(fā)電981億千瓦時(shí)、創(chuàng)歷史新高后，2014年三峽電站發(fā)電988億千瓦時(shí)，刷新了伊泰普水電站保持的世界紀(jì)錄，這也是三峽年發(fā)電首次居全球首位。

988億千瓦時(shí)的清潔水電，相當(dāng)于減少4900多萬(wàn)噸原煤消耗，減少近1億噸二氧化碳排放。如果每千瓦時(shí)電能對(duì)GDP的貢獻(xiàn)按10元計(jì)算，三峽電站全年發(fā)出的清潔電能，相當(dāng)于為國(guó)家?guī)?dòng)創(chuàng)造了近1萬(wàn)億元財(cái)富。這也為國(guó)家“穩(wěn)增長(zhǎng)、調(diào)結(jié)構(gòu)、惠民生”注入了強(qiáng)大動(dòng)力。

在船閘年通過(guò)量方面，據(jù)長(zhǎng)江三峽通航管理局統(tǒng)計(jì)，2014年三峽船閘運(yùn)行近1.1萬(wàn)閘次，通過(guò)船舶4.4萬(wàn)艘次，旅客52萬(wàn)人次，年通過(guò)量達(dá)1.2億噸，其中貨運(yùn)量1.1億噸，客輪折算1030萬(wàn)噸。貨運(yùn)及客運(yùn)分別上升12.27%及12.98%。

據(jù)悉，三峽船閘是目前世界上連續(xù)級(jí)數(shù)最多、總水頭最高、規(guī)模最大的內(nèi)河船閘。自2003年建成通航以來(lái)，三峽船閘年通過(guò)量逐年攀升。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，船閘年通過(guò)量已從2004年的3430萬(wàn)噸提高至2014年的1.2億噸，自2011年以來(lái)連續(xù)達(dá)到了設(shè)計(jì)水平年單向5000萬(wàn)噸的設(shè)計(jì)通過(guò)能力。三峽船閘的日均運(yùn)行閘次也由運(yùn)行初期的16至17閘次提高至32閘次，過(guò)閘船舶噸位由運(yùn)行初期的1040噸提高至目前的3784噸，一次過(guò)閘平均噸位已近1.6萬(wàn)噸。

2015年，隨著國(guó)家長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)、航道法的正式實(shí)施及三峽升船機(jī)的試運(yùn)行，三峽壩區(qū)河段年通過(guò)量有望進(jìn)一步刷新。

來(lái)源：中國(guó)能源報(bào) 中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)網(wǎng)2015年1月14日

http://www.hydropower.org.cn/showNewsDetail.asp?nsId=15388

經(jīng)驗(yàn)交流