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近几十年来随着我国水能开发比例的提高,中低水头水电站建设项目不断增多,压力引水钢管在水电建设中具有不可或缺的地位,是水利水电工程中输水建筑物的重要组成部分。在压力钢管中,岔管是技术最复杂的关键管段,岔管形式主要有贴边式、混合梁式、三梁式、月牙式、球形和无梁式。在水电站压力钢管设计中,贴边岔管多用于中低压岔管。由于其体形为空间薄壳结构,且一般为大开孔,目前尚无较完善的结构计算方法,一般借鉴压力容器的开孔补强方法进行设计,但存在许多争议。本文引入有效宽度的概念,并将补强板有效宽度作为圆环法应力计算理论的补充,以期得到合理的计算结果。
本文所做的主要工作有以下两个方面:
(1)分别分析了压力钢管岔管补强板厚度为钢管厚度的一倍和两倍情况下,主管直径、支管直径、分岔角、岔管管径等因素对补强板有效宽度的影响。
(2)采用三维有限元法计算分析了压力钢管岔管补强板的有效宽度,对圆环法应力计算公式在确定补强板宽度和厚度取值上未明确规定的不足之处,根据钢管补强板有效宽度进行修正。
通过三维有限元计算分析和归纳整理,本论文获得的主要结论有:
(1)在内水压力作用下,压力钢管贴边岔管补强板应力峰值出现在主管开孔边缘、岔管腰线转折角锐角区(迎水面)。最大应力峰值随主管管径D、支管管径d的增大而增大,随岔管分岔角ω的增大而减小。
(2)主管补强板有效宽度随主管管径的增大而增大,随主管管径与管壁厚度比值的增大而增大。补强板有效宽度受主管直径、主管直径与补强板厚度比值的影响较大,而受岔管分岔角、主管直径与支管直径比值的影响较小。
(3)提出了压力钢管贴边岔管补强板有效宽度计算公式;以使圆环法应力计算公式计算结果与有限元法计算结果相吻合为目的,对圆环法应力计算公式进行了修正,从而提高了修正公式计算结果的准确性,其精度满足工程要求。