第八章第六节明钢管的管身应力分析22014.4.pptx

第六节 明钢管的管身应力分析及结构设计; (1)内水压力。包括各种静水压力和动水压力，水重，水压试验和充、放水时的水压力。?(2)钢管自重。?(3)温度变化引起的力。?(4)镇墩和支墩不均匀沉陷引起的力。?(5)风荷载和雪荷载。?;(6)施工荷载。(7)地震荷载。 (8)管道放空时通气设备造成的负压。? ? 钢管设计的计算工况和荷载组合应根据工程的具体情况参照钢管设计规范采用。;? 二、管身应力分析和结构设计;计算断面选取: 支承在一系列支墩上的直管段在法向力的作用下类似一根连续梁。根据受力特点，管身的应力分析可取如图8-14所示的三个基本断面：跨中断面1-1；支承环附近断面2-2和支承环断面3-3。以下介绍明钢管计算的结构力学方法。;(1)?? 跨中断面1－1:只有弯距作用，且正弯距最大，无局部应力——受力最简单； (2)?? 支承环旁附近断面(管壁膜应力区边缘)断面2－2： 断面2-2在支承环附近，但在支承环的影响范围之外，弯距和剪力共同作用，均按最大值计算，无局部应力——受力比较简单； (3)支承环断面（断面3-3） ， 支承环处的管壁由于支承环的约束，在内水压力的作用下发生局部弯曲，存在弯距和剪力(支承反力)的作用，有局部应力． ;力的方向规定: 1．轴向力 ：水重+管重的轴向分力，摩擦力，管径变化处、转弯处、闷头、阀门、伸缩节上的水压力。 2．径向力 ：内水压力 3．法向力 ：水重+管重的法向分力;应力的方向规定：管壁应力采用的坐标系如图8-15所示。以x表示管道轴向，r表示管道径向，θ表示管道切向(环向)，这三个方向的正应力以σx、 σr 、 σθ表之，并以拉应力为正。剪应力采用双角标表示；第一个角标表示此剪应力所在面的法线方向，第二个角标表示剪应力的方向。;（一）跨中断面（断面1-1)其特点是弯矩最大，剪力为零。 1.切向（环向）应力 σθ 管壁的切向应力主要由内水压力引起。 对于水平管段：管道横截面上的水压力如图8-16(a)，它可看作由图8-16(b)的均匀水压力和图8-16(c)的满水压力组成。这两部分的水压力在管壁中引起的切向应力为： ;对于水平管段;环向力： 环向应力(沿管长取单位长度)： （锅炉公式） 任意位置压力： 环向应力： 若令管道中心的计算水头为Hp，则Hp=H+D/2，式（8-9）变成： ;对于倾斜的管道：水管轴线与水平面的夹角为φ，则在管壁中任意一点(该点半径与管顶半径的夹角为θ)的压力P为: 环向力: 环向应力: ;2．径向应力σr 管壁内表面： ?? ， “-”表示压应力。 管壁外表面：? 3．轴向应力 σx 轴向应力σx =法向力引起的轴向弯曲应力σx1+轴向作用力引起的轴向应力σx3 ;(1)?? 法向力作用引起的管壁轴向应力σx1 将水重和管重的法向分力视为均布荷载，则钢管的受力与多跨连续梁类似，其变形以弯曲为主，并在管壁上产生弯曲正应力与剪应力。在均布荷载作用下，管壁横断面上任意一点的轴向应力为?:????? ;式中 ， ，薄壁圆环惯性矩 。 在管顶和管底，θ=0°和180°，y=±D/2 ， σx1最大. 管顶受压 管底受拉 ;(2) 轴向力引起的轴向应力σx3 管道各轴向力见表8-2，在轴向力的合力∑A作用下，管壁中产生的轴向应力为σx3 ，薄壁圆环的断面积为F， 则： (8-14) 跨中断面剪应力为零。已求出了全部应力。 ;（二）支承环附近断面（断面2-2） (2)-(2)断面虽然靠近支承环，但在支承环的影响范围之外，即不考虑支承环对管壁的约束作用。断面2-2的应力分量σθ 、 σr 、 σx1 、 σx3 、的计算公式与断面1-1相同。 除此之外，断面2-2尚有管重和水重在管道横截面上引起的剪应力 : ?;式中 S:某断面以上的管壁面积对中和轴的静矩 r:管道半径；b:受剪截面宽度，b=2δ θ:管顶至计算点的圆心角，当θ=0°和180°时，在管顶和管底， ； 当θ=90°和270°时，剪应力最大为： ; 的分布:;2-2断面管壁应力分布和方向;（三）支承环断面（断面3-3）;三、强度校核;?(二) 强度校核 钢管强度校核我国及多数国家一般采用第四强度理论，即各应力计算点应满足下式: ??Φ :焊缝强度折减系数，取0.90~0.95。忽略水电站压力钢管的较小项应力，上式可以简化为： ;钢管管壁厚