失圆压力钢管结构分析及处理措施

李军华，黄 超

(中国水利水电第九工程局有限公司，贵阳，550081)

1 工程概况

某引水式电站，其引水系统由有压隧洞、调压井、压力钢管等建筑物组成，电站装机容量3×16MW，电站压力钢管主管设计内径2.4m，总长度786.3m，全部采用钢板衬砌，管外回填150#混凝土。钢板衬砌压力管道由上平段(长32.5m)、斜管段(长320.2m、倾角51°)、下平段(长368.93m)组成，管道钢衬采用钢材为A3和16Mn两种，设计壁厚8mm～30mm，其中A3钢主要用于上平段及斜管段上部低压力部位，全部钢管均为光滑管，未设管外加劲。钢管最终实施成果见表1。

表1 钢管最终实施成果

管道穿越地层主要为二叠系吴家坪组(P2w)灰岩、硅质灰岩及硅质岩，下平洞出口处为长兴组(P2c)杰岩。压力钢管埋管段穿越的地层从工程地质的角度又分为P2w1-2厚层燧石灰岩、薄层灰岩、厚层灰岩；P2w2-1薄层硅质灰岩；P2w2-2中厚层灰岩夹薄层硅质岩；P2w3薄层硅质灰岩。其中将P2w1-2更进一步细分为六小层，管道上平洞段穿越P2w1-2层燧石灰岩、薄层灰岩及厚层灰岩；斜管段基本排布于P2w1-2-⑥厚层灰岩中，局部受断层影响而进入了P2w2-1薄层硅质灰岩中，斜管倾角与岩层倾角基本一致。整个洞段共发现三条小断层、四个较大的溶洞及数条小溶隙。斜洞段开挖中，由于受小断层影响，曾经出现洞顶塌方，地下水最高出露高程460m。

由于全部主管均为光滑管，未设管外加劲，安装及管外回填混凝土施工过程中内撑刚度不够，在进行最终钢管测量检验时，发现钢管发生较大变形，主要为钢管由圆形变为椭圆形，变形较大及典型断面变形情况见表2。

表2 钢管失圆典型断面

按《压力钢管制造安装及验收规定》(DL 5017-93)5.13条规定：“钢管安装后，管口圆度(指相互垂直两直径之差的最大值)偏差不应大于5D/1000，最大不应大于40mm，至少测量2对直径”，实际钢管安装偏差不满足规范规定，但返工将对工程效益带来极大影响，为此对失圆后钢管进行应力分析校核并提出处理措施，满足工程使用要求。

2 结构分析

现有理论计算公式仅适用于圆形管道，不适用于本工程的实际情况，为此采用两种方法进行校核，一种为拟合失圆钢管曲率半径，然后用规范推荐的经验公式进行估算；另一种为按椭圆结构进行计算。

上平段及斜管上段由于无外水压力仅进行内水压力分析，而下斜段及下平段需进行内、外水压力分析。

2.1 拟合曲率半径法结构分析

2.1.1 抗内压能力复核

压力钢管抗内压复核计算方法及计算公式采用规范SD144-85附录(二)中规定进行，根据规范，钢管环向正应力计算公式为：

σθ=(Pr1+100K0△)/(δ+100K0r1/E)

式中：σθ——钢衬环向正应力，MPa；

P——内水压力，MPa；

r1——管道内径，m，见表2；

K0——围岩弹性抗力系数，见表1；

△——计算初始缝隙值，0.7mm；

δ——钢板计算壁厚，mm，见表1；

E——钢材弹性模量，2.1×105MPa。

环向正应力计算成果见表3。

表3 环向正应力计算成果

根据《水电站压力钢管设计规范》(SD 144-85)表5.1.1规定，在基本荷载组合，明钢管允许应力[σ]=0.55σs，地下埋管允许应力[σ]=0.67σs，施工焊缝系数ψ=0.9，相应钢材允许应力见表4。

表4 不同荷载组合相应钢材的允许应力

2.1.2 抗外压稳定计算

压力钢管均为光面管，未设置任何外加强构件，根据规范附录(二)下第三条(一)款的规定，抗外压稳定可按照经验公式估算和阿姆斯图兹公式计算。

经验公式：Pcr=620(t/r)1.7σs0.25

式中：t/r——钢管壁厚与管内径之比；

σs——钢材屈服强度。

阿姆斯图兹公式：

E′——考虑平面应变的材料弹模；

E——钢材弹性模量；

ηiu——钢管与混凝土间缝隙与钢管半径之比；

σN——管壳屈曲部分环向平均应力；

σs0——考虑平面应变的材料屈服强度；

r/t——钢管半径与管壁厚度之比；

μ——材料泊松比。

抗外压稳定计算成果见表5。

表5 抗外压稳定计算成果

2.2 椭圆钢管结构分析

取单位长钢管按椭圆结构进行分析，对称结构承受对称荷载，可取1/4椭圆进行计算，假定管周承受均匀水压力q(MPa)。

图1 椭圆对称荷载水压力分析

椭圆长轴为a，短轴为b，对称结构在对称荷载下反对称力为零，因此A、B两处仅存在轴力及变矩，忽略微小影响，可认为两处弯矩近似相等。

NA=1/2q·b

NB=1/2q·a

M1=NB·(1/2·a)=1/4·q·a2

A点处弯矩平衡：M1+M2+MA+MB=0

其中：M1——NB对A点的弯矩；

M2——均布水压力对A点的弯矩；

MA——A点弯矩；

MB——B点弯矩。

MA=MB=-1/2(M1+M2)

在内水压力下，钢管与周边混凝土间存在缝隙，钢管会变形趋于圆形，受力结构调整为圆形结构，满足设计要求，钢管与周边混凝土间无缝隙，周边混凝土与钢管联合受力，也能满足使用要求。因此，对椭圆结构主要进行外水压力分析。椭圆轴线点弯曲应力计算成果见表6。

表6 椭圆轴线点弯曲应力计算成果

轴线间各点弯矩、应力均小于轴线点处，不再计算。

2.3 数据成果分析

从以上两种方法计算结果看，采用拟合曲率半径法计算，半径增大约20%～30%，在相同内、外水压力下，钢管应力增加不大，仍基本能满足规范要求；按椭圆结构计算，在很小的外水压力下，薄壁钢管内产生较大弯矩从而产生较大应力，使钢管失稳破坏。

圆形钢管失圆度过大，将改变原有设计结构，在均匀水压力下，圆形为合理曲线，曲线内无弯矩，但圆形失圆变为椭圆后，在均匀水压力下在钢管壁内产生弯矩，而薄壁钢管弯矩抵抗矩很小，在外水压力下极可能发生失稳破坏。因此，按椭圆结构进行计算分析更接近钢管实际受力形态，所得结果也更可信。为保证工程的安全运行，必须对失圆段尤其是斜段及下平段钢管进行处理。

3 处理措施

压力钢管失圆主要是因为削弱了钢管对外水压力的承载能力，处理措施主要包括降低外水压力及对变形段钢管进行加固。

(1)平行压力钢管下平段开挖排水洞，降低压力管道附近地下水位，从而降低外水压力；

(2)引水洞放空时，注意放水速度并及时补气，防止在压力管道内形成负压；

(3)对失圆压力钢管段仔细检查，对钢衬与混凝土脱空部位进行接触灌浆，使钢衬与混凝土结合良好；

(4)对失圆较大的钢管段在椭圆轴线处增加锚筋，即在钢管管壁上开孔，安设锚筋锚入周边混凝土内，再将锚筋与钢衬牢固焊接最后修平钢管内表面。