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流动式起重机许可证全权代办
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第五节作用在钢管上的荷载及其组合
一、荷载计算
按荷载的作用方向可以将其分为轴向力、径向力和法向力。各种作用力计算公式及作用方向见表8-3，但风荷载、雪荷载、地震荷载等需查阅《水工建筑物荷载计划规范》。
二、荷载组合
钢管结构计划应根据承载才干极限状况的请求，对不一样计划状况下也许一起出现的作用，进行相应的作用效应组合，对明钢管请求的组合见表8-4。
1．“上段”和“下段”分别指镇墩上游侧和下贱侧管段，管段从弹性节断开。
2．“顺”和“逆”分别标明发电工况顺水流方向和逆水流方向，序号3.2作用力及顺水流抬高的管段的其他作用力指向应详细区分。
表8-3中各计算式种符号的含义为：P—内水压力计划值；—水的重度；H—计算截面管轴处内水压力作用水头(包含静水压力和水锤压力)；qs—单位管长钢管自重计划值；qw—单位管长管内水重计划值；L—支墩间隔；α—管轴与水平面夹角；D0—钢管内径；Dmax和Dmin—渐缩管的最大内径和最小内径；D1和D2—弹性节内套管的外径和内径；v0—机组满负荷时钢管内水流流速；g—重力加速度；bp—弹性节止水填料长度；μp—弹性节止水填料与钢管间的摩擦系数；μ—支座垫板与钢管间或支座上下垫板间的摩擦系数。
第六节明钢管的构造分析
一、钢管管壁厚度计算
在进行钢管规划时，需要先设定管壁厚度。由于内水压力在管壁上发生的环向应力是其主要应力，因而常用锅炉公式来初拟管壁厚度。取单位长度承受较高水头的压力钢管，将其沿水平直径切开，由力的平衡条件可以得出管壁中的环向拉应力：(8-3)
以钢管构造构件的抗力限值代替，并考虑焊缝的强度降低，引入焊缝系数φ，整理得：(8-4)
上面二式中：P——内水压力；D——钢管直径；δ——管壁厚度；γ——水的比重；H——钢管内的水头。
根据规范请求，焊缝系数φ一般取为0.9~0.95。考虑钢管工作期间的锈蚀、磨损及钢板厚度过失，管壁厚度最少比计算值加2mm。其他，在实习工程中，考虑到制作、运送、安装等条件，有必要坚持一定的刚度，因而需要捆绑管壁的最小厚度δmin。δmin一般取为D/800+4(mm)，且不宜小于6mm。
二、管身的应力分析
前面现已指出，明钢管敷设在一系列支墩上，为了改善钢管的受力条件及坚持管壁的外压安稳，有时需要在管壁上加设支承环和加劲环。钢管承受的荷载分为径向力、轴向力、法向力。可以使用叠加原理对其进行应力分析。在管重和水重作用下，钢管相当于一根连续梁；在轴向力作用下钢管可用轴向受压构件计算；径向力作用只会致使钢管的环向变形。根据受力特色，管身的应力分析可选择四个底子断面，如图8-15所示。(1)-(1)断面在跨中，只需弯距作用，且弯距最大,剪力为零，无有些应力，受力最简略；(2)-(2)断面位于支承环旁管壁膜应力区的边沿，弯距和剪力一同作用，无有些应力，受力对比简略；(3)-(3)断面是加劲环及其旁管壁，由于加劲环的捆绑，存在有些应力；(4)-(4)断面指支承环及其旁管壁，应力最凌乱，弯距和剪力(支承反力)一同作用，存在有些应力。在压力钢管的应力分析中，其坐标系规定为：轴向x、径向r、环向θ，如图8-16所示。
(一)跨中段面(1)-(1)的管壁应力
跨中段面归于膜应力区，其特色是弯矩最大，剪力为零。下面别离介绍径向应力、切向(环向)应力和轴向应力的计算。
图8-15明钢管应力分析的几个断面图8-16管壁应力计算坐标系
1．径向应力
水管的内表面承受内水压力，所以内表面的径向应力等于该处的水压强，即，“-”标明压应力。管壁外表面的。由于径向应力的数值对比小，所以应力计算中可以疏忽。
2．切向(环向)应力
设压力水管基地处的水头为H，而水管轴线与水平面的夹角为α，则在管壁中任意一点(该点半径与管顶半径的夹角为θ，见图8-17)的水头为。在管壁中取出一段微圆弧，其圆周长为。沿轴线方向取单位长度，则由力的平衡(图8-18)，可以推导出管壁中的切向拉力T和切向应力为：(8-5)(8-6)
式中P——内水压强；δ——管壁计算厚度；H——计算水头；α——管轴线倾角；θ——管壁中任意一点半径与管顶半径的夹角；
r——水管半径。
图8-17管壁上内水压力的分布图8-18管壁微圆弧的受力平衡
3．轴向应力
跨中段面的轴向应力由两有些构成，即法向力致使的轴向弯曲应力和轴向作用力致使的轴向应力。
(1)法向力作用致使的管壁轴向应力。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，并在管壁上发生弯曲正应力与剪应力。在相邻两镇墩之间的压力钢管放置于支墩之上，支墩相当于连续梁的中心辊轴支座，最下端的镇墩相当于固定端，上端弹性节处可近似认为是自在端。在均布荷载作用下，三跨连续梁的弯矩和剪力见图8-19，其他情况用构造力学方法求出，或查规范计算。这么管壁横断面上任意一点的轴向应力为
(8-7)
式中M——水重和管重的法向分力作用下连续梁的弯矩，钢管底部受拉为正；
W——连续梁(空心圆环)的断面模数，。
图8-19三跨连续梁截面内力
(2)轴向力致使的轴向应力。
在轴向力合力∑A作用下，管壁中发生的轴向应力为，管壁的断面积为F，则：
(8-8)
“-”标明压应力。一般情况下，∑A为压力，即为压应力，D为管道直径。
4．剪应力
由于跨间断面的剪力为0，所以该断面的=0。
(二)、支承环旁管壁膜应力区边沿(2)-(2)断面的管壁应力
(2)-(2)断面虽然挨近支承环，但在支承环的影响规划以外，即不考虑支承环对管壁的捆绑作用。为了安全起见，认为该断面的弯矩和剪力与支承环断面持平。关于连续梁，跨间断面和支承环断面的管道弯矩，方向相反，顾可用式(9-7)计算弯曲应力。此外支承环处存在剪力V，在垂直于管道轴线的横断面上剪应力的计算公式为：(8-9)
式中V——管重和水重的法向分力作用下连续梁的剪力；SR——计算点以上管壁环形截面积对重心轴的静矩，；b——受剪截面宽度，；J——截面惯性矩，。
当θ=0°(管道顶部)和θ=180°(管道底部)时，=0；当θ=90°(管道旁边面中点)时，，抵达最大值。
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