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，可利用圍巖分擔內(nèi)水壓力，節(jié)省鋼材且安全度高，運行可靠等優(yōu)點，而被廣泛應用于大中型水電站。埋藏式壓力管道設計中要解決好內(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)定性問題。 在內(nèi)水壓力下，鋼襯、混凝土襯砌和圍巖可共同承載。應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，無法考慮圍巖塑性，圍巖初始應力和開挖后的二次應力對壓力管道承受內(nèi)水壓力的影響，對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現(xiàn)。本文吸取以上兩種方法的優(yōu)點，結(jié)合埋藏式壓力管道的實際承載過程，提出一種半解析半有限元方法。為進一步對比，本文提出另一種有限元方法，通過在鋼襯和混凝土襯砌之間設置接觸單元對鋼襯與混凝土襯砌間的初始縫隙值進行系統(tǒng)量化分析，可很好地模擬當初始縫隙值閉合時，鋼襯、混凝土襯砌和圍巖三者的共同承載機理。 當鋼管內(nèi)放空，地下水作為外壓荷載通過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)。我國規(guī)范、美國及日本都推薦采用按明管的米賽斯公式計算其臨界外壓，不考慮混凝土襯砌對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備，相應地降低安全系數(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)象在當前的設計方法、分析研究中均未考慮。本文為了考慮混凝土襯砌對鋼襯的徑向約束作用，應用大型有限元分析系統(tǒng)ANSYS的接觸對和非線性屈曲分析技術(shù)進行地下埋藏式壓力管道外水

4、作用下的屈曲分析。當鋼襯和混凝土襯砌之間的接觸對接觸后，則可模擬混凝土襯砌對鋼管的徑向約束作用對臨界屈曲外壓的影響。最后與按賴華金推導的公式計算出的臨界外壓進行了對比分析。 在內(nèi)水作用下較小的變形就使混凝土和圍巖開裂，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，同時保證壓力管道安全穩(wěn)定，本文結(jié)合實際工程對三種新的壓力管道形式(組合套管、墊層管、夾層管)進行了分析和探