周 伟，姚 雷

（黄河勘测规划设计研究院有限公司，郑州450003）

0 引言

伸缩节是压力钢管中为减少或消除由温度变化或不均匀地基变形所产生的附加应力而设置在两镇墩或厂坝之间的构件［1，2］，主要包括套筒式伸缩节和波纹管伸缩节［3，4］。由于伸缩节的加工、制造和安装难度大，造价昂贵，单价约为钢管的4倍，运行期的止水问题和水头损失严重等原因［5，6］，极大地限制了其应用，近年来不少专家学者致力于研究论证取消伸缩节的可行性，以期避免伸缩节在运行期的位移补偿能力差、漏水问题严重和维修困难等难题，同时节省大量工程投资和维修费用，缩短工期提前发电。吴海林［7］等采用三维有限元分析建立了某大型水电站的有限元整体模型，分析评价了地震作用下保留和取消伸缩节两种方案的自振特性，过缝结构的安全性，表明取消伸缩节情况下管道结构可靠，设置外包软垫层可代替传统的伸缩节。杨经会等［8］采用有限元法，探讨了温度作用下地面式钢衬钢筋混凝土管道取消伸缩节的影响，结果表明在解决地基不均匀问题的基础上，建议取消伸缩节。此外取消伸缩节的管道形式已在国内外水电站工程实践中被应用［9-11］，前苏联的萨扬舒申斯克水电站采用水平锥形补偿节代替了厂坝间的伸缩节，前苏联的契尔盖水电站取消了厂坝间的伸缩节，等待拱坝及厂房段的沉陷量大部分完成以后再把压力钢管在分缝处焊接连接起来，我国的东江水电站坝后背管斜直段和紧水滩水电站厂坝分缝处均未设置伸缩节，运行以来尚未发现问题，可见在压力钢管上设置伸缩节并不是必需的，采取一定的替代措施取消钢管上伸缩节是可行的。

截止到目前为止，对取消伸缩节的研究都缺少相关标准和规范，以往的研究多是针对厂坝过缝处的伸缩节取消措施，而对于明钢管取消伸缩节的研究甚少，更未涉及到大口径明钢管取消伸缩的研究，因此，研究明钢管镇墩间取消伸缩节对结构的影响是适宜的和必要的。地面压力管道暴露在空气中很容易受到温度等复杂的外界环境的影响，产生不利于结构的变形，在以往的设计研究中，明钢管所受的温度作用主要是管道的合拢温差［12，13］，此时管道各处的温度变化是相同的，管道承受均匀的温度作用，然而管道在实际运行中，日照也会影响到管道的温度场，尤其是在纬度较高，日照比较强烈的区域，管道的阳面和阴面的温差相对较大。研究表明［14，15］，日照引起的钢管两侧不均匀会使钢管结构产生水平向弯曲变位，该变位甚至会导致钢管脱离支座，产生落梁破坏，乃至支墩混凝土破坏等情况。明钢管因日照产生的温差与管径相关，管径越大，日照温差越大，因此非均匀温度场对大直径明钢管的影响更为明显，不可忽略。

本文基于某水电站大口径地面式明钢管工程实际，建立了进水口、上下游镇墩、支墩、明钢管和下游厂房的整体三维有限元数值分析计算模型，探讨了明钢管在温度作用下设置和不设置伸缩节的受力特性，论证了大口径地面式明钢管取消伸缩节的可行性，拟定了均匀温升、均匀温降，顶底温差（顶部高温），左右温差（左侧高温）和左右温差（右侧高温）五种方案，系统地研究了温度场对地面式明钢管的受力以及支墩滑移的影响。

1 计算模型及条件

1.1 计算模型

某水电站大坝为混凝土面板堆石坝，电站设5 台混流式机组，总装机容量1 285 MW，引水管道采用地面式明钢管结构形式，每条压力钢管长度约为366.0 m，直径5.8 m，考虑水击压力后钢管的最大内水压力超过262 m。明钢管共设置16个滑动式支座，支座间距14 m，支座两支腿采用一侧允许沿管轴向单向滑动，一侧可以双向滑动的型式。该水电站进水口和镇墩、支座基础拟采用C20混凝土，厂房结构采用C30混凝土，钢管采用P460钢材，屈服强度460 MPa，抗拉强度550 MPa，线膨胀系数αs=1.2×10-5/℃。混凝土结构和地基均采用实体单元SOLID185 模拟，选用无质量地基。支承环、加劲环和钢管管壁等采用SHELL181 单元。在支座上下滑板之间建立接触单元模拟滑动支座，摩擦系数取为0.1，在每个支座右侧滑板设置水平向耦合约束来模拟限位措施。伸缩节采用复式波纹管形式，采用BEAM4 单元模拟，分别与伸缩节两端管壳刚性耦合，梁单元的轴向刚度等效于波纹管轴向刚度，伸缩节中间管用PIPE16单元模拟。在地基的上下游断面、两侧面施加法向约束、底部边界施加全约束，其他均为自由面，建立的有限元模型如图1所示。

1.2 计算方案

为研究大口径明钢管取消伸缩节的可行性，本文将分别计算设置和取消伸缩节两种情况下结构的应力与变形。同时为了更好地叙述计算结果，选取了若干个管道特征断面和上镇墩进行编号，具体编号见图2所示。为深入研究管道在温度作用下的变形机理，本文拟定均匀温升、均匀温降、顶高底低温差、左高右低温差和左低右高温差5 组计算方案，如表1所示。参考日本水门铁管技术基准，钢管向阳侧温度=4+27/19*环境温度，环境温度取极端高温45 ℃时，则钢管向阳侧温度为67.9 ℃，两侧温差为22.9 ℃。

图2 不同伸缩节方案及特征断面示意图

表1 计算方案

2 明钢管取消伸缩节研究

2.1 钢管受力分析

明钢管受到温度作用的影响很大，通常管线中设置伸缩节以减小或消除压力钢管中温度变位所产生的附加应力。为方便对比设置和取消伸缩节方案下钢管应力的分布规律，选取了图2所示的特征断面和特征点的Mises应力值进行分析。

分析钢管轴向应力图3可知，无论是温升还是温降工况，由于伸缩节的存在，允许钢管有较大程度的轴向变形，对减少管道轴向温度应力起到了明显作用。在设置伸缩节的情况下，温升情况A-1方案上平段（特征断面编号1～4）主要受进水口推力和泊松效应影响，钢管轴向主要以受压为主，但压应力很小；斜直段（特征断面编号5～19）主要受重力、泊松效应影响，轴向主要以受压为主。当取消伸缩节后，B-1 方案管线由于温升产生了明显的轴向压应力，且上平段进水口上游水推力的作用增强，上平段和斜直段钢管的轴向压应力有较大幅度增加。设置伸缩节时，温降情况A-2 方案和温升情况A-1 方案钢管轴向应力差别并不大，取消伸缩节B-2 方案，温降作用在管线中引起了较大轴向拉应力，与不设置伸缩节情况A-2 方案相比，轴向拉应力大幅增加。

图3 钢管轴向应力（单位：MPa）

分析钢管Mises 应力图4 可知，在取消伸缩节情况下，温升情况时，钢管轴向有较大压力，钢管Mises 应力与伸缩节方案相比，数值略大或差别不大；在温降情况下，钢管轴向拉应力比伸缩节方案明显增大，钢管Mises 应力比伸缩节方案小。各方案整体呈现随着水压力增大钢管Mises 应力不断增大的趋势。无论是何种方案，在温升和温降作用下，钢管Mises 应力值均小于钢材允许应力值，在不考虑失稳情况下可认为结构安全可靠，从钢管受力角度出发认为取消伸缩节是可行的。

图4 钢管Mises应力（单位：MPa）

2.2 支座滑移分析

在结构自重及内水压力作用下，管道结构主要表现为竖直向下沉降和向下游变形。在内水压力和温度作用下，钢管变形主要表现为沿径向向外膨胀和轴向变位。在各类荷载综合作用下，钢管沿支座也产生了一定的滑移，支座上下滑板的相对滑动位移见图5，表中L（Left）表示支座的左侧支腿，R（Right）表示右侧支腿（面向下游）。约定支座位移和作用力的提取基于局部坐标进行，局部坐标系X轴与管轴向一致且指向下游为正，Z轴与整体笛卡尔坐标系中Z轴一致，Y轴垂直于支座滑板指向外侧为正。

分析图5 可知，除伸缩节附近支座由于管道约束较弱而具有较大滑移外，不同方案下支座侧向（Z向）滑动距离差异不大，是否设置伸缩节对支承环侧向相对滑移的影响并不明显。而顺水流向滑移（X向）受伸缩节设置和温度场作用影响明显，对方案A-1和A-2，由于钢管设置了伸缩节，在温度作用下钢管沿管轴线产生了明显的滑动，越靠近伸缩节滑移量越大，在伸缩节下游侧第一个支座位移最大。方案B-1和B-2由于钢管未设置伸缩节，进水口和上镇墩限制了管道的轴向变位故上平段表现为X向的微小滑动，斜直段在靠近上下镇墩约束较强的区域，支座上下滑板相对位移较小。取消伸缩节可以有效的减少支座沿轴向的相对滑移，因此从该角度出发取消伸缩节对工程是有利的。

图5 各方案支座滑板相对滑移图（单位：mm）

3 明钢管温度作用机理研究

从以上的分析可知，该工程取消伸缩节方案是基本可行的，然而结构在实际运行中并不是始终处在均匀的温度场下，当管道放空时由于日照的影响，管道向阳面和阴面将产生温差。为进一步探究取消伸缩节方案整体结构在不同温度场下的受力变形情况，本文拟定了顶底温差（顶部高温）、左高右低温差和左低右高温差三种方案进一步进行明钢管的温度作用机理研究。

3.1 温度作用下钢管受力分析

在管道放空时，考虑温度梯度情况下，钢管各部位的Mises应力最大值整理结果见图6所示。钢管在不均匀温度情况下，由于没有内水压力作用，管道Mises 应力水平不高，小于允许应力值。但不均匀温度作用使得管道相对于均匀温度作用在轴向方向产生较大的压应力值，压应力整体在100 MPa左右，虽小于管道轴向受压局部屈曲允许压应力119.8 MPa，但裕度不大，因此不均匀温度作用使得管道偏不安全，在以后的分析中应将温度的不均匀性考虑进来。同时对于取消伸缩节的明钢管，除了校核结构强度之外，还需要关注管道的轴向稳定问题。

图6 管道各部位最大Mises应力（单位：MPa）

图7 管道各部位最大轴向应力（单位：MPa）

3.2 温度作用下支座滑移分析

在不同的温度场作用下，支座Y向滑移均为很小的正值，钢管具有往上拱的趋势，也即存在钢管与支承环与底板分离的趋势。各支座水流向和侧向相对滑移如图8所示。在顶部高温、左高右低、左低右高两侧温度梯度作用下，钢管变形主要表现为沿管轴线膨胀，因此在X向和Z向均有较大的位移。在钢管两侧温差等荷载的作用下，管道中部具有左侧（面向下游）偏移的趋势，表现为支座左支腿Z向的负向滑移更大，但由于右侧支腿被约束，即使存在较大的两侧温差，管道侧向位移并不大，不会出现钢管支撑环从支座底板脱落的危险。可见不同温度场作用下，对支座的滑移影响较大，使得支座处于更不利的状态下，因此在进行钢管的分析校核时，应考虑非均匀温度的影响。

图8 不同温度作用下各支座相对滑移（单位：mm）

4 结论

本文基于某工程大口径地面式明钢管，研究钢管结构在不同温度场作用下的受力变形规律，同时论证了地面式明钢管取消伸缩节的可行性，可以得出以下结论。

（1）从钢管受力、镇墩抗滑稳定和支座滑动角度分析，在取消伸缩节后，在不同温度作用下，钢管的Mises 应力比设置伸缩节时有增有减。取消伸缩节后，钢管轴向约束增强，钢管轴向滑移减小，对支座受力和设计有利。在设计合理的条件下，地面式明钢管也是可以取消伸缩节的。

（2）取消伸缩节后，温度作用对管道结构的影响不容忽视，钢管轴向温度压应力将有大幅增大。尤其是钢管放空时非均匀温度作用对管道轴向应力的影响更大，钢管局部区域最大轴向压应力已经逼近钢管轴向受压屈曲稳定的允许压应力。因此对于取消伸缩节的明钢管，除了关注其强度之外，钢管轴向受压屈曲稳定问题也不容忽视。

（3）目前关于地面式明钢管取消伸缩节的研究尚少，钢管轴向受压屈曲稳定的研究也很少，其分析方法还不够成熟，在实际工程设计中若有需要取消伸缩节，应进行深入研究。□