龙江钢岔管有限元计算结果的分析

1.工程概况
龙江水电站枢纽工程位于云南省德宏傣族景颇族自治州潞西县境内的龙江干流上。坝址距芒市70km。该工程是以发电、防洪为主，兼顾灌溉的综合性枢纽工程，并为城市供水、养殖和旅游提供了有利条件。
枢纽由混凝土双曲拱坝、左岸引水系统及地面式厂房组成。总库容12.17×108m3，为大（1）型Ⅰ等工程。电站装机容量240MW，三台装机，单机容量为80 MW，双曲拱坝为一级建筑物，引水系统为三级建筑物。
引水系统布置在左岸山体内，由进水口和引水隧洞组成，采用一洞三机的布置方式。主洞内径11m，三条压力钢管内径6m，主洞经#1岔管和#2岔管分别与压力钢管相接。钢岔管段的围岩为片麻岩，属Ⅲ类围岩，弹性抗力系数为K0=3GPa/m。正常运行情况下，钢岔管所承受的最高内水压力为128m。
2．计算目的和意义
龙江引水洞主洞内径为11，#1钢岔管最大公切圆直径达12米多，属国内尺寸最大的钢岔管，采用传统的结构力学方法的计算结果粗糙，且无法得到岔管整体的应力分布，也无法求解岔管与围岩联合受力问题，采用有限元方法计算分析，可得到岔管的应力分布和变形情况，尽可能减薄钢板厚度，降低工程费用和施工难度，为合理设计岔管提供依据。
3. 计算结果的分析
3.1岔管管节数研究
选择3、4、3管节数和4、4、3管节数两个方案进行比较。由于岔管管径大，增加管节数仍可以满足最短边长条件下的4、4、3方案，比3、4、3方案母线转折角可以减小，自然有利于降低母线转折处的局部膜应力。
3.2岔管体形参数研究
按岔管各管节的半锥顶角、肋板厚度、肋宽比的不同，选择8各方案进行应力计算，通过应力计算结果对8个方案进行比较。
① 按明岔管对8个岔管体形方案进行应力计算。
②按埋藏式岔管，其中围岩的弹性抗力k=4Mpa/cm，初始缝隙值为2.2mm，对8个岔管体形方案进行应力计算。
按埋藏式岔管运行工况下岔管的各部位应力小于钢材的抗力限值，按明岔管运行工况下岔管的各部位应力小于钢材的屈服极限。按以上标准对8个方案进行比较，找到了一个最优的方案。#1岔管推荐方案管节平面示意图见图1；肋板平面示意图见附图2。
图1:推荐方案管节平面示意图



图2:推荐方案肋板平面示意图


3.3围岩抗力敏感性计算研究
固定初始缝隙值为2.2mm不变，开挖面上围岩的弹性抗力取值分别为：0.5Mpa/cm、1.0Mpa/cm、2.0Mpa/cm、4.0Mpa/cm、6.0Mpa/cm、8.0Mpa/cm的6个方案进行应力计算分析。围岩敏感性计算表明，在计算范围内随着开挖面上的围岩弹性抗力下降，各个控制部位的应力有所增加，岔管平均应力和围岩分担率下降，只要开挖面上的围岩弹性抗力在1.5MPa/cm以上可以无虑。对于本电站地质实际情况，这并不存在问题
3.4隙敏感性计算研究
固定开挖面上围岩的弹性抗力为4Mpa/cm不变，初始缝隙取值分别为：1.0mm、2.0mm、3.0mm、4.0mm、6.0mm的5个方案进行应力计算分析。初始缝隙敏感性计算表明，缝隙对岔管的应力等各项指标影响比围岩弹性抗力更为敏感，因本工程管径大，施工缝隙相对较小，问题不严重。尽管如此，仍应严格要求控制好回填混凝土和灌浆的施工质量。
4.结论
4.1岔管管径大宜在洞内组装，通过有限元计算和结构优化减薄钢板厚度和减小最大公切球半径，降低工程费用和施工难度；
4.2岔管采用4，4，3管节结构以利于尽可能减小各个母线转折处的转折角，以求降低应力集中程度,通过一系列计算使得各个控制点应力均匀化；
4.3 建议管壳和肋板钢材都采用Q390C，该钢板系正火出厂的低合金钢，力学性能和焊接性能好；C级可保证00时的冲击值，是防止脆性断裂所必需。对于作肋板用的厚钢板还必须要求Z向拉伸指标（Z25）。此外，在招标选择供货钢厂时要特别了解钢厂是否有能力保证厚板的质量，其芯部是否仍具备正火应达到的细晶金相组织；
4.4月牙肋岔管的管壳厚度实际上取决于母线转折处的局部膜应力，而因该处位于上下对称面上，其剪应力为零，环向和轴向应力符号相同，总应力（第四强度等效应力）还小于其环向应力，并不是控制条件，所以在应力表格中只给出各个母线转折点的环向应力。肋板的最大应力也在上下对称面上，同样也不是总应力控制处。
4.5在分岔处（FG线）及其附近因肋板约束作用，不是结构的薄弱之处，但该处刚度变化大，要特别关注其施工质量，防止焊接开裂。
4.6月牙肋型明岔管在运行条件下，其肋板内缘拉应力远大于其外缘应力，远非规范推荐的结构力学力学方法所假定的中心受拉板状况。岔管肋板内缘应力是岔管结构的控制部位之一。
4.7 明岔管运行工况下岔管变形特点是岔管上下向外变形，而腰部向里变形，这是岔管出现不均匀应力分布和应力集中的根本原因。实际岔管埋藏于回填混凝土--围岩中，上述变形受到围岩的约束，岔管顶部和腰部都是向外变位，变位的均匀化使得各个母线转折点应力集中现象从根本上得到缓和。
4.8埋藏式月牙型岔管因围岩的约束作用，使得岔管在运行工况下整体变形比较均匀，各处应力集中现象大为缓解，但完全按照联合受力设计的月牙肋岔管会并以规范的抗力限值控制会得到管壳和肋板厚度过薄的结果，在“埋藏式月牙肋钢岔管设计导则”颁布之前，暂时以明岔管运行工况下各个控制点的局部膜应力不超过钢材屈服应力作为补充控制条件；
4.9岩敏感性计算表明，在计算范围内随着开挖面上的围岩弹性抗力下降，各个控制部位的应力有所增加，岔管平均应力和围岩分担率下降，只要开挖面上的围岩弹性抗力在1.5MPa/cm以上可以无虑。对于本电站地质实际情况，这并不存在问题。
4.10隙敏感性计算表明，缝隙对岔管的应力等各项指标影响比围岩弹性抗力更为敏感，因本工程管径大，施工缝隙相对较小，问题不严重。尽管如此，仍应严格要求控制好回填混凝土和灌浆的施工质量。
4.11大型月牙肋岔管在洞内组装要格外小心谨慎，要确保管节组装和焊接质量，尤其是管壳和肋板之间的角焊缝，该部位焊接量大，拘束刚度大，角焊缝焊接检查不易，极容易出现问题。在洞内焊接施工质量受潮湿影响更为严重，对于对于厚板焊接，尤其是管壳和肋板之间的角焊缝必须预热后施焊。
4.12本电站岔管体型较大，肋板和管壳都需要分片加工。肋板分片位置要离开上下对称处，宜作径向分缝。尺寸较大的管节也需要在其环向和母线上分缝，要根据到货钢板的实际尺寸来具体确定分缝的合理位置，并避免出现十字焊缝，轴向分缝也要离开上下对称面有不小于300mm的距离。
4.13从事过Q390C钢材厚板焊接工程实践经验的承包商，必须作焊接工艺评定，从而制定出严格的现场焊接施工工艺规程。对焊工需要进行专门的专业培训，严格控制输入线能量，防止在热影响区晶粒过份增大。


作者简介：XXX，高级工程师。



阅过：简略补充建模计算过程，突出重点。