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1、使使用用说说明明 1、本表格遵照水电站压力钢管设计规范(SL281-2003)编写,单位为Nmm制; 2、你只需要在着色的单元格中输入数据即可自动计算,未着色处不可编辑。输入数据时注意 提示; 大少爷 编制 版权所有 复制必究2003/10/6 15:20 压力钢管(明管)结构计算书 1 设计依据及参考资料 (1)设计依据:水电站压力钢管设计规范(SL2812003) (2)参考资料:水电站建筑物(王树人 董毓新主编)、水电站(成都水力发电学校主编) 2 设计基本资料 设计引用流量 Q=16.000m/s 钢材的弹性模量 E=206000N/mm 钢材的泊松比=0.3 钢材的重度 s=0.00
2、00785N/mm 水的重度 w=0.0000098N/mm 钢管内径 D=2000mm 钢管轴线倾角=44.000 镇墩间距L1=64000mm 支墩间距 L=16000mm 加径环间距 l=4000mm 伸缩节与上镇墩的距离L2=2000mm 伸缩节止水盘根沿管轴向长度b1=300mm 伸缩节止水填料与钢管的摩擦系数 1=0.3 支座对管壁的摩擦系数 f=0.1 焊缝系数 = 0.95 3 初估管壁厚度t (1)根据末跨的主要荷载(内水压力)并考虑将钢材的允许应力降低15%,按锅炉公式初估管壁厚度t: 计算公式: 式中: 钢管管壁钢材屈服点 s=235.000N/mm 末跨跨中截面管道中心
3、内水压力 H=56250mm 钢管管壁厚度t初估计算表 wHDst(mm) 0.00000985625020002350.95129.255.3 s ss55. 0= () sj g 15. 012- = HD t w 取计算管壁厚度t= 8mm 再考虑2mm的锈蚀裕量,管壁结构厚度初定t= 10mm (2)复核管壁结构厚度是否满足考虑制造工艺、安装、运输等要求,保证必须的刚度的最小厚度要求: 计算公式: 则t应满足: t6.5mm 实际选用管壁厚度t=10mm,满足要求。 4 钢管应力分析 4.1 跨中管壁断面应力分析 4.1.1 荷载计算 (1)径向内水压力P 计算公式: 式中: 计算截面
4、管道中心内水压力 H=56250mm 则:0.551N/mm (2)垂直管轴方向的力(法向力) 钢管自重分力Qs 计算公式: (每跨钢管自重) (单位管长钢管自重,考虑刚性环等附件的附加重量约为钢管自重的25) 钢管自重分力Qs计算表 DtsLqs(N/mm)Qs(N) 2000100.000078544.000160006.16570956 钢管中水重分力Qw 计算公式: (每跨管内水重) (单位管长管内水重) 钢管中水重分力Qw计算表 DwLqw(N/mm)Qw(N) 20000.000009844.0001600030.788354353 (3)轴向力A 钢管自重轴向分力A1 计算公式:
5、 w HPg= = w HPg 4800/+ Dt acosLqQ ss = ss Dtqgp=25. 1 acosLqQ ww = ww Dqgp 2 25. 0= asin 31 LqA s = 式中: 伸缩节至计算截面处的钢管长度L3=54000mm 钢管自重轴向分力A1计算表 qsL3A1(N) 44.0006.16554000231259 套筒式伸缩节端部的内水压力A5 计算公式: 式中: 伸缩节端部管道中心内水压力H= 7890mm 伸缩节内套管外径D1=2020mm 伸缩节内套管内径D2=2000mm 套筒式伸缩节端部的内水压力A5计算表 D1D2wHP(N/mm2)A5(N)
6、202020000.000009878900.0774862 温升时套筒式伸缩节止水填料的摩擦力A6 计算公式: 温升时套筒式伸缩节止水填料的摩擦力A6计算表 D1b11PA6(N) 20203000.30.07743978 温升时支座对钢管的摩擦力A7 计算公式: 式中: 计算截面以上支座的个数 n=3个 温升时支座对钢管的摩擦力A7计算表 nqsqwLfA7(N) 36.16530.788160000.144.000127592 轴向力的合力A 计算公式: 轴向力合力A计算表 A1A5A6A7A(N) 231259486243978127592407691 ()PDDA-= 2 2 2 1
7、5 4 p w HPg= PbDA= 1116 mp ( )() +=aacoscos 7 LfqqnfqLA ws 7651 AAAAA+= 4.1.2 跨中管壁断面应力计算 (1)径向内水压力P在管壁中产生的环向应力1 计算公式: 式中:为计算点半径与管中心铅垂线的夹角:=0为管顶点;=90为管水平轴线处;=180 为管底处。 跨中环向应力1计算表 DrPtH1(N/mm2) 0200010000.55185625044.00068.025 90200010000.55185625044.00068.906 180200010000.55185625044.00069.787 (2)轴向力
8、A在横断面上产生的轴向应力x1(以拉力为+) 计算公式: 跨中轴向应力x1计算表 Artx1(N/mm2) 40769110008-8.111 (3)法向力在横断面上产生的轴向应力x2 计算公式: 跨中轴向应力x2计算表 qsqwLMrtx2(N/mm2) 06.16530.7881600044.00068049314910008-27.076 906.16530.7881600044.000680493149100080 1806.16530.7881600044.0006804931491000827.076 (4)内水压力P在管壁产生的径向应力r 计算公式: -=qasqcoscos1
9、Pr 1 H r t 2 D r = rt A x p s 2 1 = q p scos 2 2 tr M x -= acos)( 10 1 2 LqqM ws += )coscos(qagsrHP wr -=-= 跨中径向应力r计算表 wHrr(N/mm2) 00.000009856250100044.000-0.544 900.000009856250100044.000-0.551 1800.000009856250100044.000-0.558 4.1.3 跨中管壁断面各计算点应力条件复核 复核公式: 式中: 相应计算工况的允许应力:=0.55s= 110.500N/mm 跨中断面应
10、力条件复核计算成果表 部位=1x1x2xr 管顶点068.025-8.111-27.076-35.187-0.54490.98104.975 管水平轴线9068.906-8.1110-8.111-0.55173.529104.975 管底点18069.787-8.11127.07618.965-0.55862.898104.975 大少爷 编制 2003年10月1日 sjssssssssss qqq -+= rxrxrx 222 1qq ss= 21xxx sss+= 4.2 加径环及其旁管壁断面应力分析 4.2.1 荷载计算 (1)径向内水压力P 计算公式: 式中: 计算截面管道中心内水压力
11、 H=56250mm 则:0.551N/mm (2)垂直管轴方向的力(法向力) 钢管自重分力Qs 计算公式: (每跨钢管自重) (单位管长钢管自重,考虑刚性环等附件的附加重量约为钢管自重的25) 钢管自重分力Qs计算表 DtsLqs(N/mm)Qs(N) 2000100.000078544.000160006.16570956 钢管中水重分力Qw 计算公式: (每跨管内水重) (单位管长管内水重) 钢管中水重分力Qw计算表 DwLqw(N/mm)Qw(N) 20000.000009844.0001600030.788354353 (3)轴向力A 钢管自重轴向分力A1 计算公式: 式中: 伸缩节
12、至计算截面处的钢管长度L3=54000mm 钢管自重轴向分力A1计算表 qsL3A1(N) 44.0006.16554000231259 套筒式伸缩节端部的内水压力A5 计算公式: 式中: 伸缩节端部管道中心内水压力H= 7890mm 伸缩节内套管外径D1=2020mm w HPg= = w HPg acosLqQ ss = ss Dtqgp=25. 1 acosLqQ ww = ww Dqgp 2 25. 0= asin 31 LqA s = ()PDDA-= 2 2 2 15 4 p w HPg= 伸缩节内套管内径D2=2000mm 套筒式伸缩节端部的内水压力A5计算表 D1D2wHP(N
13、/mm2)A5(N) 202020000.000009878900.0774862 温升时套筒式伸缩节止水填料的摩擦力A6 计算公式: 温升时套筒式伸缩节止水填料的摩擦力A6计算表 D1b11PA6(N) 20203000.30.07743978 温升时支座对钢管的摩擦力A7 计算公式: 式中: 计算截面以上支座的个数 n=3个 温升时支座对钢管的摩擦力A7计算表 nqsqwLfA7(N) 36.16530.788160000.144.000127592 轴向力的合力A 计算公式: 轴向力合力A计算表 A1A5A6A7A(N) 231259486243978127592407691 4.2.2
14、 加径环的有关参数计算 (1)加径环横截面简图 加径环宽度 a=25mm 加径环高度 h=100mm (2)加径环参数计算 管壁等效翼缘宽(一侧)的倒数k PbDA= 1116 mp ( )() +=aacoscos 7 LfqqnfqLA ws 7651 AAAAA+= 计算公式: 等效翼缘宽度计算表 rtk(1/mm) 100080.014 加径环的净面积AR0 计算公式: 加径环净面积AR0计算表 ahtAR0(mm2) 2510082700 加径环的有效面积AR 计算公式: 加径环有效面积AR计算表 ahktAR(mm2) 251000.01483843 加径环有效断面重心轴至管中心距
15、离rk 计算公式: 加径环有效断面重心轴至管中心距离rk计算表 ahtrkrk(mm) 25100810000.0141039.13 距离参数y1、y2 计算公式: 距离参数y1、y2计算表 htrrky1(mm)y2(mm) 100810001039.1318.8731.13 加径环有效断面惯性矩Jk 计算公式: 加径环有效断面惯性矩Jk ahkty1y2Jk(mm4) 251000.014818.8731.134637930 rt k 78. 0 1 = ()thaAR+= 0 t k aahAR) 2 ( += ta k ah t rta k rt h ah rk + + + + = 2
16、 2 2 2 k rrt h y- += 2 1 ()trry k +-= 2 2 2 3 2 1 3 ) 2 () 2 () 2 ( 12 1 12 1t yta k ta k ahyahJk+= 加径环净截面面积与有效截面面积的比值(相对刚度系数) 计算公式: 加径环净截面面积与有效截面面积的比值计算表 atAR0AR 258270038430.651 4.2.3 加径环及其旁管管壁断面应力计算 (1)径向内水压力P在管壁中产生的环向应力2 计算公式: 加径环及其旁管环向应力2计算表 rPt2(N/mm2) 10000.5512580.65124.048 注:由于忽略不均匀水压力,管壁横断
17、面上各点的环向应力2相等 (2)轴向力A在横断面上产生的轴向应力x1(以拉力为+) 计算公式: 加径环及其旁管轴向应力x1计算表 Artx1(N/mm2) 40769110008-8.111 (3)法向力在横断面上产生的轴向应力x2 计算公式: 加径环及其旁管轴向应力x2计算表 qsqwLMrtx2(N/mm2) 06.16530.7881600044.00068049314910008-27.076 906.16530.7881600044.000680493149100080 1806.16530.7881600044.0006804931491000827.076 (4)由加径环局部约束
18、产生的轴向应力x3(管壁内缘+,外缘-) 计算公式: 加径环及其旁管轴向应力x3计算表 rt A x p s 2 1 = q p scos 2 2 tr M x -= acos)( 10 1 2 LqqM ws += R R A atA- = 0 b ()bsq-=1 Pr 2 t t x Pr 816. 1 3 bs= Prtx3(N/mm2) 0.6510.551251000881.462 (5)内水压力P在管壁内缘产生的径向应力r 计算公式: 加径环及其旁管管壁内缘径向应力r计算表 wHrr(N/mm2) 00.000009856250100044.000-0.544 900.00000
19、9856250100044.000-0.551 1800.000009856250100044.000-0.558 注:加径环及其旁管管壁外缘径向应力r=0 4.2.4 加径环及其旁管管壁断面各计算点应力条件复核 复核公式: 式中: 相应计算工况的允许应力:=0.67s= 157.450N/mm 加径环及其旁管断面应力条件复核计算成果表 序号应力 =0(管顶)=90(管水平轴线)=180(管底) 内缘外缘内缘外缘内缘外缘 1x x1-8.111-8.111-8.111-8.111-8.111-8.111 x2-27.076-27.0760027.07627.076 x381.462-81.46
20、281.462-81.46281.462-81.462 合计46.275-116.64973.351-89.573100.427-62.497 2r-0.5440-0.5510-0.5580 324.04824.04824.04824.04824.04824.048 440.564130.34765.182103.7191.20677.376 5149.578149.578149.578149.578149.578149.578 大少爷 编制 2003年10月1日 )coscos(qagsrHP wr -=-= sjssssssssss qqq -+= rxrxrx 222 2qq ss= 3
21、21xxxx ssss+= 4.3 支承环及其旁管壁断面应力分析 4.3.1 荷载计算 (1)径向内水压力P 计算公式: 式中: 计算截面管道中心内水压力 H=49080mm 则:0.481N/mm (2)垂直管轴方向的力(法向力) 钢管自重分力Qs 计算公式: (每跨钢管自重) (单位管长钢管自重,考虑刚性环等附件的附加重量约为钢管自重的25) 钢管自重分力Qs计算表 DtsLqs(N/mm)Qs(N) 2000100.000078544.000160006.16570956 钢管中水重分力Qw 计算公式: (每跨管内水重) (单位管长管内水重) 钢管中水重分力Qw计算表 DwLqw(N/m
22、m)Qw(N) 20000.000009844.0001600030.788354353 (3)轴向力A 钢管自重轴向分力A1 计算公式: 式中: 伸缩节至计算截面处的钢管长度L3=46000mm 钢管自重轴向分力A1计算表 qsL3A1(N) 44.0006.16546000196998 套筒式伸缩节端部的内水压力A5 计算公式: 式中: 伸缩节端部管道中心内水压力H= 7890mm 伸缩节内套管外径D1=2020mm w HPg= = w HPg acosLqQ ss = ss Dtqgp=25. 1 acosLqQ ww = ww Dqgp 2 25. 0= asin 31 LqA s
23、= ()PDDA-= 2 2 2 15 4 p w HPg= 伸缩节内套管内径D2=2000mm 套筒式伸缩节端部的内水压力A5计算表 D1D2wHP(N/mm2)A5(N) 202020000.000009878900.0774862 温升时套筒式伸缩节止水填料的摩擦力A6 计算公式: 温升时套筒式伸缩节止水填料的摩擦力A6计算表 D1b11PA6(N) 20203000.30.07743978 温升时支座对钢管的摩擦力A7 计算公式: 式中: 计算截面以上支座的个数 n=3个 温升时支座对钢管的摩擦力A7计算表 nqsqwLfA7(N) 36.16530.788160000.144.000
24、127592 轴向力的合力A 计算公式: 轴向力合力A计算表 A1A5A6A7A(N) 196998486243978127592373430 4.3.2 支承环的有关参数计算 (1)支承环横截面简图 支承环宽度 a=30mm 支承环高度 h=150mm (2)支承环参数计算 管壁等效翼缘宽(一侧)的倒数k PbDA= 1116 mp ( )() +=aacoscos 7 LfqqnfqLA ws 7651 AAAAA+= 计算公式: 等效翼缘宽度计算表 rtk(1/mm) 100080.014 支承环的净面积AR0 计算公式: 支承环净面积AR0计算表 ahtAR0(mm2) 3015084
25、740 支承环的有效面积AR 计算公式: 支承环有效面积AR计算表 ahktAR(mm2) 301500.01485883 支承环有效断面重心轴至管中心距离rk 计算公式: 支承环有效断面重心轴至管中心距离rk计算表 ahtrkrk(mm) 30150810000.0141064.43 距离参数y1、y2 计算公式: 距离参数y1、y2计算表 htrrky1(mm)y2(mm) 150810001064.4318.5756.43 支承环有效断面惯性矩Jk 计算公式: 支承环有效断面惯性矩Jk ahkty1y2Jk(mm4) 301500.014818.5756.4315046574 rt k
26、78. 0 1 = ()thaAR+= 0 t k aahAR) 2 ( += ta k ah t rta k rt h ah rk + + + + = 2 2 2 2 k rrt h y- += 2 1 ()trry k +-= 2 2 2 3 2 1 3 ) 2 () 2 () 2 ( 12 1 12 1t yta k ta k ahyahJk+= 支承环净截面面积与有效截面面积的比值(相对刚度系数) 计算公式: 支承环净截面面积与有效截面面积的比值计算表 atAR0AR 308474058830.765 支承有效截面上,计算点至重心轴的距离ZR 如支承环剖面图所示,取支承环外缘A、管壁外
27、缘B、管壁内缘C为应力计算点,ZR为计算点至重心轴的距离, 重心轴以上取“-”,以下取“+”。 计算公式: 支承有效截面上计算点至重心轴的距离ZR计算表 rthrky2ZRA(mm)ZRB(mm)ZRC(mm) 10008150mm1064.4356.43-93.5756.4364.43 支承有效截面上,计算点以外部分面积对重心轴的面积矩SR 计算公式: 支承有效截面上计算点以外部分面积对重心轴的面积矩SR计算表 ZRAahy1ARSRA(mm3)SRB(mm3)SRC(mm3) -93.573015018.5758830835650 侧支承反力作用点(支承点)至支承环重心轴的距离b 对于侧支
28、承,一般使b/rk=0.04时,此时环上正、负弯矩的最大值相等,可以充分利用材料。 侧支承反力作用点至支承环重心轴的距离b rkb(mm) 1064.4342.577 4.3.3 支承环内力计算(按结构力学法公式计算,即K=0) (1)弯矩MR计算 计算公式: 当0/2时: R R A atA- = 0 b () kRA rhtrZ-+-= 2 yZRB= tyZRC+= 2 RARA ZS= 0 0= RRC AS 1 yahSRB= += 43 cosK r b KQrM k kR a ()LqqQ ws+ = -+-=qq p q p sin 2 cos5 . 1 2 1 3 K q p
29、 cos 1 25. 0 4 -=K 当/2时: 系数K3、K4计算 系数K3、K4计算表 部 位K3K4 管顶00.011268-0.06831 管水平轴(上部)9000.25 管水平轴(下部)900-0.25 管底180-0.0112680.06831 Q值计算 Q值计算表 qsqwLQ(N) 6.16530.78816000591248 弯矩MR计算 支承环弯矩MR计算表 部 位QrkK3K4b/rkMR(Nmm) 管顶5912481064.4344.0000.011268-0.068310.043864159 管水平轴(上部)5912481064.4344.00000.250.0445
30、27108 管水平轴(下部)5912481064.4344.0000-0.250.04-4527108 管底5912481064.4344.000-0.0112680.068310.04-3864159 (2)轴力NR计算 计算公式: 当0/2时: 当/2时: 系数B1、K1、K2计算 系数B1、K1、K2计算表 () -+-= 2 sincos5 . 1 2 1 3 p qqpq p K 25. 0cos 1 4 -=q p K () 211 cosKBKQNR+=a kk r b r r B-= 1 ()qqq p sincos5 . 1 2 1 1 +-=K p qcos 2 =K ()
31、qqpq p sincos5 . 1 2 1 1 -+-=K q p cos 1 25. 0 4 -=K 部 位rrkb/rkB1K1K2 管顶010001064.430.040.89947-0.2387320.31831 管水平轴(上部)9010001064.430.040.89947-0.250 管水平轴(下部)9010001064.430.040.899470.250 管底18010001064.430.040.899470.238732-0.31831 轴力NR计算 支承环轴力NR计算表 部 位QK1B1K2NR(N) 管顶59124844.000-0.2387320.899470.3
32、183120235 管水平轴(上部)59124844.000-0.250.899470-106327 管水平轴(下部)59124844.0000.250.899470106327 管底59124844.0000.2387320.89947-0.31831-20235 (3)剪力TR计算 计算公式: 当0/2时: 当/2时: 系数C、K5、K6计算 系数C、K5、K6计算表 部 位rrkb/rkCK5K6 管顶010001064.430.04-0.1005300 管水平轴(上部)9010001064.430.04-0.10053-0.0795770.31831 管水平轴(下部)901000106
33、4.430.04-0.10053-0.0795770.31831 管底18010001064.430.04-0.1005300 剪力TR计算 支承环剪力TR计算表 部 位QK5CK6TR(N) 管顶59124844.0000-0.1005300 管水平轴(上部)59124844.000-0.079577-0.100530.31831-47454 管水平轴(下部)59124844.000-0.079577-0.100530.31831-47454 () 65 c o sKCKQT R +=a kk r b r r C-=1 ()qqq p sin5 . 0cos 2 1 5 -=K p qs i
34、 n 6= K ()qqpq p cossin5 . 0 2 1 5 -+-=K 管底59124844.0000-0.1005300 4.3.4 支承环及其旁管管壁断面应力计算 (1)径向内水压力P在管壁中产生的环向应力2 计算公式: 支承环及其旁管环向应力2计算表 rPt2(N/mm2) 10000.48098480.76514.129 注:由于忽略不均匀水压力,管壁横断面上各点的环向应力2相等 (2)轴向力A在横断面上产生的轴向应力x1(以拉力为+) 计算公式: 支承环及其旁管轴向应力x1计算表 Artx1(N/mm2) 37343010008-7.429 (3)法向力在横断面上产生的轴向
35、应力x2 计算公式: 支承环及其旁管轴向应力x2计算表 qsqwLMrtx2(N/mm2) 06.16530.7881600044.000-6804931491000827.076 906.16530.7881600044.000-680493149100080 1806.16530.7881600044.000-68049314910008-27.076 (4)由支承环局部约束产生的轴向应力x3(管壁内缘+,外缘-) 计算公式: 支承环及其旁管轴向应力x3计算表 Prtx3(N/mm2) 0.7650.4809841000883.525 (5)内水压力P在管壁内缘产生的径向应力r rt A
36、x p s 2 1 = q p scos 2 2 tr M x -= acos)( 10 1 2 LqqM ws +-= ()bsq-=1 Pr 2 t t x Pr 816. 1 3 bs= 计算公式: 支承环及其旁管管壁内缘径向应力r计算表 wHrr(N/mm2) 00.000009849080100044.000-0.474 900.000009849080100044.000-0.481 1800.000009849080100044.000-0.488 注:支承环及其旁管管壁外缘径向应力r=0 (6)支承环MR产生的环向应力4 计算公式: =0、=180支承环及其旁管环向应力4计算表
37、 参数 =0=180 A点B点C点A点B点C点 MR386415938641593864159-3864159-3864159-3864159 ZR-93.5756.4364.43-93.5756.4364.43 Jk150465741504657415046574150465741504657415046574 4-24.0314.49216.54624.03-14.492-16.546 =90支承环及其旁管环向应力4计算表 参数 =90 管轴上部管轴下部 A点B点C点A点B点C点 MR452710845271084527108-4527108-4527108-4527108 ZR-93.5
38、756.4364.43-93.5756.4364.43 Jk150465741504657415046574150465741504657415046574 4-28.15316.97819.38528.153-16.978-19.385 (7)支承环NR产生的环向应力3 计算公式: =0、=180支承环及其旁管环向应力3计算表 参数 =0=180 A点B点C点A点B点C点 NR202352023520235-20235-20235-20235 AR588358835883588358835883 33.443.443.44-3.44-3.44-3.44 )coscos(qagsrHP wr
39、-=-= k RR J ZM = 4q s R R A N = 3q s =90支承环及其旁管环向应力4计算表 参数 =90 管轴上部管轴下部 A点B点C点A点B点C点 NR-106327-106327-106327106327106327106327 AR588358835883588358835883 3-18.074-18.074-18.07418.07418.07418.074 (8)支承环TR产生的剪应力r 计算公式: =0、=180支承环及其旁管剪应力r计算表 参数 =0=180 A点B点C点A点B点C点 TR000000 SR08356500835650 Jk1504657415
40、04657415046574150465741504657415046574 a303030303030 r000000 =90支承环及其旁管剪应力r计算表 参数 =90 管轴上部管轴下部 A点B点C点A点B点C点 TR-47454-47454-47454-47454-47454-47454 SR08356500835650 Jk150465741504657415046574150465741504657415046574 a303030303030 r0-8.78500-8.7850 (9)法向力作用下的剪力V在支承环管壁横断面上产生的剪应力x 计算公式: V值计算 剪力V值计算 qsqw
41、LV(N) 6.16530.7881600044.000212654 aJ ST k RR r = q t q p t q sin rt V x = () acos 2 Lqq V ws+ = 剪应力x计算 =0、=180支承环及其旁管管壁剪应力x计算表 参数 0180 A点B点C点A点B点C点 V02126542126540212654212654 r100010001000100010001000 t888888 x000000 =90支承环及其旁管管壁剪应力x计算表 参数 90 管轴上部管轴下部 A点B点C点A点B点C点 V02126542126540212654212654 r100010001000100010001000 t888888 x08.4618.46108.4618.461 4.3.5 支承环及其旁管管壁断面各计算点应力条件复核 复核公式: 备注:支承环约束产生的剪应力xr在管壁内外缘上等于0,在管壁中心处最