水电站压力钢管单波失效理论对比研究

发布时间：2020-08-01 19:35

【摘要】：水电站埋藏式压力钢管(简称埋管)最主要的失效形式是在外压作用下失稳,目前研究认为埋管在外包混凝土中受外压失稳是受约束稳定失效问题,其临界外压公式建立在稳定失效模式和强度失效准则上。然而,埋管仍有可能发生强度失效或者纯稳定失效。鉴于此,本文系统剖析了计算埋管临界外压的强度失效理论、受约束稳定失效理论和纯稳定失效理论及各自的代表方法——锅炉公式、Jacobsen法和Boot法,并利用埋管临界外压的主要力学影响因素分析了三种临界外压计算公式的关联性,利用埋管设计参数径厚比r/t、缝隙率△/r和屈服强度σs量化了锅炉公式、Jacobsen法和Boot法的适用范围。为方便应用,给出了三种公式适用范围的快速查询图,汇总了三种公式计算临界外压的结果查询图。主要结论如下:(1)锅炉公式建立在强度失效模式和强度失效准则上;Jacobsen法建立在稳定失效模式与强度失效准则上;Boot法建立在稳定失效模式与稳定失效准则上。锅炉公式和Jacobsen法的失效准则均为最大应力微元达到屈服强度受压屈曲,故为强度失效准则;Boot法使用失稳区应变能最大的驻值条件作为失效准则,不涉及管材屈服强度σs,是稳定失效准则。Jacobsen法和Boot法的失效模式类似,认为管壁横截面上只存在一个失稳区,内含屈曲波,是典型的稳定失效模式。锅炉公式的失效模式没有考虑失稳区和屈曲波,是强度失效模式。(2)径厚比r/t是影响埋管在外压作用下发生何种失效模式的关键因素。径厚比r/t减小时,屈曲波振幅减小,最大应力微元靠近外包混凝土,管壁约束增强,埋管从受约束稳定失效向强度失效过渡;径厚比r/t增大时,屈曲波振幅增大,最大应力微元远离外包混凝土,管壁约束减弱,埋管从受约束稳定失效向纯稳定失效过渡。(3)受缝隙率△/r和屈服强度σs影响,径厚比r/t大致在30以下时,埋管发生强度失效,推荐使用锅炉公式;径厚比r/t在30～120之间,埋管发生受约束稳定失效,推荐使用Jacobsen法;径厚比r/t大致在120以上时,埋管发生纯稳定失效,推荐使用Boot法。为提供更详细的临界外压计算公式适用范围并且方便应用,给出了以上3种公式适用范围的快速查询图。
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV732.41
【图文】：

实例图,埋管,失稳,实例

外水压或者灌團荷载，容易发生失稳事故。１９８５年，美国Ｂａｔｈ邋Ｃｏｕｎｔｙ电站埋管外压屈逡逑曲。１９９３年，刘家峡电站１号机组埋管失稳。２０００年，响水电站钢管失稳。２０１０年，逡逑西班牙Ｎｏｒｔｈｅｒｎ电站埋管外压失稳［７］，见图１－２。因此，抗外压稳定设计成为很多埋管逡逑设计的控制要素Ｐ，８＃１。逡逑（ａ）电站失稳埋管逦（ｂ）邋Ｎｏｒｔｈｅｒｎ电站失稳埋管逡逑图１－２埋管失稳实例逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｂｕｃｋｌｉｎｇ邋ｏｆ邋ｂｕｒｉｅｄ邋ｔｕｂｅｓ逡逑埋管抗外压稳定设计的成果是临界外压，单波失稳理论是计算临界外压的重逡逑要理论基础之一，为多国水电站压力管道设计规范推荐【１Ｍ４］。国内外研究者对临界外压逡逑的研究取得了很大进展，获得了一系列成果，但这些研究已不能满足持续发展的地下逡逑埋管工程建设，主要体现在：逡逑１．

失稳模式,微元,失稳,稳模

无论失稳区存在几个，其内部均由若干个屈曲波组成。多数研究者直接给出了假定逡逑的屈曲波方程，但未附加证明，而Ａｍｓｔｕｔｚ于１９６９年提出并证明了近似三个半波的失逡逑稳模式。在图１－３所示失稳模式和失稳区微元上，Ａｍｓｔｕｔｚ建立了弹性力学三大基本方逡逑程和边界方程组：逡逑３逡逑

失稳理论,径向约束,失稳过程,屈服条件

（ｃ）形成更多轴对称环向波逡逑图１－４轴对称失稳过程逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｂｕｃｋｌｉｎｇ邋ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ａｘｉｓｙｍｍｅｔｒｉｃ邋ｍｏｄｅ逡逑结合了混凝土径向约束条件和钢材屈服条件等，实际是明，被一些试验所验证。瑞士邋Ｓｕｚｅｒ邋Ｂｒｏｓ公司的多个受外压论及其失效模式ｍ；邋Ｂｏｒｏｔ［２２］利用轴向长度为１２０ｍｍ的隙率？介于0．00２３？０．００２５，管道径厚比ｒ々介于３１．８５？２５０邋ＭＰａ？３８０邋ＭＰａ，验证了其多波失稳理论。综上分析、思路清楚且被试验验证，早期的埋藏式压力管道设计者力钢管抗外压稳定校核，所得安全系数也较小，约为１．４基于多波失稳理论的临界外压八■？计算公式主要有Ｖａｕｇｈａ［２１］逡逑

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