压力钢管结构计算书.xls

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 1520 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 Q16.000m/s 钢材的弹性模量 E206000N/mm 钢材的泊松比μ0.3 钢材的重度 γs0.0000785N/mm 水的重度 γw0.0000098N/mm 钢管内径 D2000mm 钢管轴线倾角α44.000 镇墩间距L164000mm 支墩间距 L16000mm 加径环间距 l4000mm 伸缩节与上镇墩的距离L22000mm 伸缩节止水盘根沿管轴向长度b1300mm 伸缩节止水填料与钢管的摩擦系数 μ10.3 支座对管壁的摩擦系数 f0.1 焊缝系数 φ 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 σs235.000N/mm 末跨跨中截面管道中心内水压力 H56250mm 钢管管壁厚度t初估计算表 γwHDσsφ［σ］tmm 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 t≥6.5mm 实际选用管壁厚度t10mm，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 计算截面管道中心内水压力 H56250mm 则0.551N/mm （2）垂直管轴方向的力（法向力） ① 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 DtγsαLqsN/mmQsN 2000100.000078544.000160006.16570956 ② 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 DγwαLqwN/mmQwN 20000.000009844.0001600030.788354353 （3）轴向力∑A ① 钢管自重轴向分力A1 计算公式 w HPg w HPg 4800/ Dt acosLqQ ss ss Dtqgp25. 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L354000mm 钢管自重轴向分力A1计算表 αqsL3A1（N） 44.0006.16554000231259 ② 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D12020mm 伸缩节内套管内径D22000mm 套筒式伸缩节端部的内水压力A5计算表 D1D2γwHPN/mm2A5（N） 202020000.000009878900.0774862 ③ 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 D1b1μ1PA6（N） 20203000.30.07743978 ④ 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 n3个 温升时支座对钢管的摩擦力A7计算表 nqsqwLfαA7N 36.16530.788160000.144.000127592 ⑤ 轴向力的合力∑A 计算公式 轴向力合力∑A计算表 A1A5A6A7∑AN 231259486243978127592407691 PDDA- 2 2 2 15 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σθ1 计算公式 式中θ为计算点半径与管中心铅垂线的夹角θ0为管顶点；θ90为管水平轴线处；θ180 为管底处。 跨中环向应力σθ1计算表 θDrPtHασθ1N/mm2 0200010000.55185625044.00068.025 90200010000.55185625044.00068.906 180200010000.55185625044.00069.787 （2）轴向力∑A在横断面上产生的轴向应力σx1（以拉力为） 计算公式 跨中轴向应力σx1计算表 ∑Artσx1N/mm2 40769110008-8.111 （3）法向力在横断面上产生的轴向应力σx2 计算公式 跨中轴向应力σx2计算表 θqsqwLαMrtσx2N/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σr 计算公式 -qasqcoscos1 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 coscosqagsrHP wr --- 跨中径向应力σr计算表 θγwHrασrN/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［σ］0.55σs 110.500N/mm 跨中断面应力条件复核计算成果表 部位θσθσθ1σx1σx2σxσrσφ［σ］ 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 H56250mm 则0.551N/mm （2）垂直管轴方向的力（法向力） ① 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 DtγsαLqsN/mmQsN 2000100.000078544.000160006.16570956 ② 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 DγwαLqwN/mmQwN 20000.000009844.0001600030.788354353 （3）轴向力∑A ① 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L354000mm 钢管自重轴向分力A1计算表 αqsL3A1（N） 44.0006.16554000231259 ② 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D12020mm w HPg w HPg acosLqQ ss ss Dtqgp25. 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D22000mm 套筒式伸缩节端部的内水压力A5计算表 D1D2γwHPN/mm2A5（N） 202020000.000009878900.0774862 ③ 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 D1b1μ1PA6（N） 20203000.30.07743978 ④ 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 n3个 温升时支座对钢管的摩擦力A7计算表 nqsqwLfαA7N 36.16530.788160000.144.000127592 ⑤ 轴向力的合力∑A 计算公式 轴向力合力∑A计算表 A1A5A6A7∑AN 231259486243978127592407691 4.2.2 加径环的有关参数计算 （1）加径环横截面简图 加径环宽度 a25mm 加径环高度 h100mm （2）加径环参数计算 ① 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 rtk1/mm 100080.014 ② 加径环的净面积AR0 计算公式 加径环净面积AR0计算表 ahtAR0mm2 2510082700 ③ 加径环的有效面积AR 计算公式 加径环有效面积AR计算表 ahktARmm2 251000.01483843 ④ 加径环有效断面重心轴至管中心距离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 ahtrkrkmm 25100810000.0141039.13 ⑤ 距离参数y1、y2 计算公式 距离参数y1、y2计算表 htrrky1mmy2mm 100810001039.1318.8731.13 ⑥ 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 ahkty1y2Jkmm4 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 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 ⑦ 加径环净截面面积与有效截面面积的比值（相对刚度系数）β 计算公式 加径环净截面面积与有效截面面积的比值β计算表 atAR0ARβ 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σθ2 计算公式 加径环及其旁管环向应力σθ2计算表 rPtβσθ2N/mm2 10000.5512580.65124.048 注由于忽略不均匀水压力，管壁横断面上各点的环向应力σθ2相等 （2）轴向力∑A在横断面上产生的轴向应力σx1（以拉力为） 计算公式 加径环及其旁管轴向应力σx1计算表 ∑Artσx1N/mm2 40769110008-8.111 （3）法向力在横断面上产生的轴向应力σx2 计算公式 加径环及其旁管轴向应力σx2计算表 θqsqwLαMrtσx2N/mm2 06.16530.7881600044.00068049314910008-27.076 906.16530.7881600044.000680493149100080 1806.16530.7881600044.0006804931491000827.076 （4）由加径环局部约束产生的轴向应力σx3（管壁内缘，外缘-） 计算公式 加径环及其旁管轴向应力σx3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 βPrtσx3N/mm2 0.6510.551251000881.462 （5）内水压力P在管壁内缘产生的径向应力σr 计算公式 加径环及其旁管管壁内缘径向应力σr计算表 θγwHrασrN/mm2 00.000009856250100044.000-0.544 900.000009856250100044.000-0.551 1800.000009856250100044.000-0.558 注加径环及其旁管管壁外缘径向应力σr0 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［σ］0.67σs 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 θ0（管顶）θ90（管水平轴线）θ180（管底） 内缘外缘内缘外缘内缘外缘 1σx σx1-8.111-8.111-8.111-8.111-8.111-8.111 σx2-27.076-27.0760027.07627.076 σx381.462-81.46281.462-81.46281.462-81.462 合计46.275-116.64973.351-89.573100.427-62.497 2σr-0.5440-0.5510-0.5580 3σθ24.04824.04824.04824.04824.04824.048 4σ40.564130.34765.182103.7191.20677.376 5φ［σ］149.578149.578149.578149.578149.578149.578 大少爷 编制 2003年10月1日 coscosqagsrHP wr --- [ ]sjssssssssss qqq --- rxrxrx 222 2qq ss 321xxxx 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 H49080mm 则0.481N/mm （2）垂直管轴方向的力（法向力） ① 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 DtγsαLqsN/mmQsN 2000100.000078544.000160006.16570956 ② 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 DγwαLqwN/mmQwN 20000.000009844.0001600030.788354353 （3）轴向力∑A ① 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L346000mm 钢管自重轴向分力A1计算表 αqsL3A1（N） 44.0006.16546000196998 ② 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D12020mm w HPg w HPg acosLqQ ss ss Dtqgp25. 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D22000mm 套筒式伸缩节端部的内水压力A5计算表 D1D2γwHPN/mm2A5（N） 202020000.000009878900.0774862 ③ 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 D1b1μ1PA6（N） 20203000.30.07743978 ④ 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 n3个 温升时支座对钢管的摩擦力A7计算表 nqsqwLfαA7N 36.16530.788160000.144.000127592 ⑤ 轴向力的合力∑A 计算公式 轴向力合力∑A计算表 A1A5A6A7∑AN 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 a30mm 支承环高度 h150mm （2）支承环参数计算 ① 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 rtk1/mm 100080.014 ② 支承环的净面积AR0 计算公式 支承环净面积AR0计算表 ahtAR0mm2 3015084740 ③ 支承环的有效面积AR 计算公式 支承环有效面积AR计算表 ahktARmm2 301500.01485883 ④ 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 ahtrkrkmm 30150810000.0141064.43 ⑤ 距离参数y1、y2 计算公式 距离参数y1、y2计算表 htrrky1mmy2mm 150810001064.4318.5756.43 ⑥ 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 ahkty1y2Jkmm4 301500.014818.5756.4315046574 rt k 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 ⑦ 支承环净截面面积与有效截面面积的比值（相对刚度系数）β 计算公式 支承环净截面面积与有效截面面积的比值β计算表 atAR0ARβ 308474058830.765 ⑧ 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 rthrky2ZRAmmZRBmmZRCmm 10008150mm1064.4356.43-93.5756.4364.43 ⑨ 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 ZRAahy1ARSRAmm3SRBmm3SRCmm3 -93.573015018.5758830835650 ⑩ 侧支承反力作用点（支承点）至支承环重心轴的距离b 对于侧支承，一般使b/rk0.04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K0） （1）弯矩MR计算 计算公式 当0≤θ＜π/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 cos 1 25. 0 4 -K 当π/2＜θ≤π时 ① 系数K3、K4计算 系数K3、K4计算表 部 位θK3K4 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 ② Q值计算 Q值计算表 qsqwLQ（N） 6.16530.78816000591248 ③ 弯矩MR计算 支承环弯矩MR计算表 部 位QrkαK3K4b/rkMRNmm 管顶5912481064.4344.0000.011268-0.068310.043864159 管水平轴（上部）5912481064.4344.00000.250.044527108 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≤θ＜π/2时 当π/2＜θ≤π时 ① 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 cosKBKQNRa kk r b r r B- 1 qqq p sincos5 . 1 2 1 1 -K p qcos 2 K []qqpq p sincos5 . 1 2 1 1 --K q p cos 1 25. 0 4 -K 部 位θrrkb/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 ② 轴力NR计算 支承环轴力NR计算表 部 位QαK1B1K2NR（N） 管顶59124844.000-0.2387320.899470.3183120235 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≤θ＜π/2时 当π/2＜θ≤π时 ① 系数C、K5、K6计算 系数C、K5、K6计算表 部 位θrrkb/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）9010001064.430.04-0.10053-0.0795770.31831 管底18010001064.430.04-0.1005300 ② 剪力TR计算 支承环剪力TR计算表 部 位QαK5CK6TR（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 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σθ2 计算公式 支承环及其旁管环向应力σθ2计算表 rPtβσθ2N/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σθ2相等 （2）轴向力∑A在横断面上产生的轴向应力σx1（以拉力为） 计算公式 支承环及其旁管轴向应力σx1计算表 ∑Artσx1N/mm2 37343010008-7.429 （3）法向力在横断面上产生的轴向应力σx2 计算公式 支承环及其旁管轴向应力σx2计算表 θqsqwLαMrtσx2N/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σx3（管壁内缘，外缘-） 计算公式 支承环及其旁管轴向应力σx3计算表 βPrtσx3N/mm2 0.7650.4809841000883.525 （5）内水压力P在管壁内缘产生的径向应力σr rt A 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σr计算表 θγwHrασrN/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σr0 （6）支承环MR产生的环向应力σθ4 计算公式 θ0、θ180支承环及其旁管环向应力σθ4计算表 参数 θ0θ180 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 σθ4-24.0314.49216.54624.03-14.492-16.546 θ90支承环及其旁管环向应力σθ4计算表 参数 θ90 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-93.5756.4364.43-93.5756.4364.43 Jk150465741504657415046574150465741504657415046574 σθ4-28.15316.97819.38528.153-16.978-19.385 （7）支承环NR产生的环向应力σθ3 计算公式 θ0、θ180支承环及其旁管环向应力σθ3计算表 参数 θ0θ180 A点B点C点A点B点C点 NR202352023520235-20235-20235-20235 AR588358835883588358835883 σθ33.443.443.44-3.44-3.44-3.44 coscosqagsrHP wr --- k RR J ZM 4q s R R A N 3q s θ90支承环及其旁管环向应力σθ4计算表 参数 θ90 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 σθ3-18.074-18.074-18.07418.07418.07418.074 （8）支承环TR产生的剪应力τθr 计算公式 θ0、θ180支承环及其旁管剪应力τθr计算表 参数 θ0θ180 A点B点C点A点B点C点 TR000000 SR08356500835650 Jk150465741504657415046574150465741504657415046574 a303030303030 τθr000000 θ90支承环及其旁管剪应力τθr计算表 参数 θ90 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 τθr0-8.78500-8.7850 （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τxθ 计算公式 ① V值计算 剪力V值计算 qsqwLαV（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 ② 剪应力τxθ计算 θ0、θ180支承环及其旁管管壁剪应力τxθ计算表 参数 θ＝0θ＝180 A点B点C点A点B点C点 V02126542126540212654212654 r100010001000100010001000 t888888 τxθ000000 θ90支承环及其旁管管壁剪应力τxθ计算表 参数 θ＝90 管轴上部管轴下部 A点B点C点A点B点C点 V02126542126540212654212654 r100010001000100010001000 t888888 τxθ08.4618.46108.4618.461 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τxr在管壁内外缘上等于0，在管壁中心处最