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水屯站压力钢管明管膜应力
区模糊优化设计
广西栏林水电设计院肖振荣
一概述、
水电站压力钢管明管绝大部份处在膜应力区工作, 设计好压力钢管膜应力区, 对水电站建设
有重要经济价值。目前,水电站压力钢管设计是采用经典的数学模型,有些指标的规定用严格数值
区分是不太合理的。例如: 对某种钢的允许应力规定一. , 它意味着.≤.
是允许的,而。.是不允许的从概念和数学模型而论,但实际上两者并无本质上
的区别。允许应力应是一个牵涉多方面因素的模糊集合即允许应力不是一个值,而是一个区
间。这些因素有:设计条件及水平;制造水平:安装水平;钢材质量;钢管破坏造成的灾害大
小等,而这些因素又各是一个模糊集合。侧如制造水平很高或一般, 怎样才算很高或一般, 没有
清晰的边界。滁此之外, 还有正常运行情况, 特殊运行情况等, 这些概念都是模糊的, 没有清晰
的边界, 硬性地给与清晰的边界是不能很好地反映实际情况的。
模糊优化设计是在优化设计中考虑了种种模糊因素的设计。本文采用这一理论, 对水电站压
力钢管明管在确定了经济直径后进行优化设计, 旨在解决把一个或多个模糊集合人为地规定为一
个具有明确边界的普通集台所带来的矛盾,但还不很成熟,如有不当之处,还望同行们指正.
现将《水电站压力钢管设计规范》以下简称规范和潘家铮著的《压力钢管》计算公式列
如表及表。、
计算点的主应力√:仃;一仃口:口;
环向稳定要求。≥;
整体轴向稳定要求≤三不代人负值
局部稳定要求≤。.器不代八负值
、
裹
断面、踌中蕈近下支座附近
’口; 。
丸\、,
. 管壁外缘营壁外缘
鼽断面●孚音⋯
且
横晰面巾
—//’,’
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裘
作用力方向作用力名称上段『下段
计算公式
温度
开辟升降
钢管自重分力一三。
关闭的阀门或罔头上的力,一孚士
弯管上的内水压力,一孚
÷ :.一:。
曾轴方向
伸鲭节端部的内水压力。÷ :一;
温度变化时伸鳍节止术填科的摩
, .. 。
擦力
温度变化时立座对铜管的摩擦力,
弯管中术的离心力丹力单孚
钢管重分力。一。
垂直管轴方向
钢管中水重分力。昌
径向内水压力脚.
注: .管轴向作用力符号: 为钢管下行方向一为钢管上行方向。
.上段指悄墩上、下段指镇墩;【下
振动要求,。≤『一或,≤,。一;
, ≥或,≥
以上各式中:。为钢管内径: 。:为渐缩管最大和最小内径; 、为套管式伸缩节内套
管外径和内径;为管壁平均半径; 为管壁计算厚度; 为支承环问距; 为伸缩节止水盘根沿
管轴向长度; 为管道轴线倾角; , 为钢材弹性摸量、波桑比; 为水的容重。为钢的容
重;为每米管长管内水重;.为每米管长钢管自重:一每跨管内水重;。为每跨钢管自重;
.; ’为内水压力, 分别以压力强度和水柱高度计; 。为伸缩节止水盘根与钢管的
摩擦系数; ,为支座对管壁的摩擦系数;伪钢管计算截面的轴向力;, 为管重和水重作
用下连续粱弯矩剪力; 为地基相对沉降【起的弯矩、.为地震力作用下, 连续梁弯
矩, 剪力, —.注意符号正负规定; —.: 暑、为由计
算断面算到伸缩节;为钢管平均直径; 为主应力盯为轴向应力,盯一. 为环向
应力; 为剪应力; ,、、为钢管自振频率、尾水管中压力波动频率、水流对水轮机叶一片
撞击的振动频率。计算简图见图.
根据规范规定:压力钢管跨中的应力计算点取在幅角一的点;支座旁膜应力区计算点取
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在目。的点, 此两点主应力最大, 但剪应
力为零、弯矩舾在此两点引起的轴向应力为
压应力负值。
二建立普通优化设计的数学模型
根据以上公式, 建立普通优化设计的数学
模型因镇墩与支墩、支墩与支墩的相对位移
匝计算越田
反映到钢管的弯矩上, 轴应力包括镇、支墩相
互之问相对位移的影响, 不再设位移约束, 求、.
.目标函数
警半半瞩.
当条形支承即时,直接计算、、.
.约束条件
、主应力约束√盯;一盯一。≤
上
环向稳定约束一占≤
整体轴向稳定约束,二一≤盯为压力、代入负值
局部稳定约束·一. 芊一≤为压力、代入负值
振动约束,一,一≤
,一,。一≤
, 一,≤
。一,. 一,,≤
≥
一≥儿
以上各式中: 为总造价。为钢体积单个支座用钢量: 占为两镇墩间伸缩节至计算点的
长度。为单个支墩混凝土体积: 为混凝土单价: 为钢单价:。为单个支墩开挖体积;
为开挖单价