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1、水利学报2009年10月SHUILIXUEBAO第40卷第10期文章编号:055929350(2009)1021175209基于弹性补偿有限元法的无梁岔管安全评价张伟1,杨绿峰1,韩晓凤2(1.广西大学工程防灾与结构安全省部共建重点实验室,广西南宁53004;2.广西电力工业勘察设计研究院,广西南宁530023)摘要:引入承载比和广义屈服准则,提出基于弹性补偿有限元法的无梁岔管安全评价方法,该法根据塑性极限分析原理,先利用承载比改进采用无量纲内力表达的板壳单元广义屈服准则,扩展了广义屈服准则的适用范围,同时利用弹性补偿有限元法设置了单元弹性模量调整的广义应力阈值,改进了
2、传统弹性补偿法的收敛问题,提高了板壳结构极限分析的精度。方法的可靠性通过3个算例得到验证。在此基础上,对某大型水电站的四通无梁岔管通过求解岔管的壳体安全系统和破坏模式进行安全评价。实际应用表明,弹性补偿有限元法可应用于结构极限分析,其收敛性、计算精度和稳定性均较好,可用于无梁岔管的安全评价。关键词:无梁岔管;弹性补偿有限元法;安全评价;承载比;广义屈服准则中图分类号:TV73214文献标识码:A1研究背景无梁岔管是在月牙肋岔管和球形岔管基础上发展起来的一种岔管结构形式,采用主、支锥管逐渐过渡,并与公切球球壳衔接,构成以锥管为主体、岔管顶部和底部存在小面积球壳、整体结构较平
3、顺的组合壳体结构。这种岔管通过膜应力以及不大的弯曲应力承受内水压力,具有耗材经济、加工和检测容易、运输和安装方便等优点,20世纪60年代开始在前西德和瑞士应用[1],70年代中期开始在我国应用,西洱河二级电站的三通无梁岔管、喀什河二级电站的四通无梁岔管、柴石滩电站的四通无梁岔管是典型的应用实例。岔管布置上通常接近厂房,其安全性直接影响厂房的安全,对岔管进行合理的安全评价是重要的应用研究课题。本文集中在三个关键问题上:安全评价指标的计算,评价指标的综合考虑方法和控制标准的确定。安全性评价通过各评价指标的综合函数值与控制标准相比较实现。对于无梁岔管,目前通过应力分析得到应力评
4、价指标,采用基于应力分类的强度理论对各应力指标进行综合考虑,控制指标采用应力控制指标。无梁岔管应力分析方面,早期主要基于旋转薄壳弹性理论的解析法,通过不同壳体连接处的径向位移和转角位移协调条件,得到壳体截面的弯矩和薄膜力,从而得到控制部位的近似应力[2-3]。经与线弹性有限元法和模型试验结果相比较,解析法在弹性承载下具有良好的计算精度,并可根据不同的管壁厚度和母线转折角,给出便于使用的应力系数表[4]。水电站压力钢管设计规范[5-6]中主要推荐采用解析法作为无梁岔管的应力分析方法。随着数值分析方法和计算机技术的发展,线弹性有限元法开始在无梁岔管应力分析中应用[7],并可与
5、CAD等设计软件联合应用,实现由结构体形到应力分析的优化设计过程[8]。通过与多个工程模型试验和原型水压试验对比分析表明,有限元计算结果可作为岔管设计的依据[9],无梁岔管的有限元应力分析方法也已开始引入规范。收稿日期:2008208212基金项目:国家自然科学基金资助项目(50909021;50768001);广西省自然科学资助项目(桂科青0991006;桂科自0991020Z);工程防灾与结构安全教育部重点实验室基金项目(2009TMZR002)作者简介:张伟(1977-),男,四川达县人,博士,副教授,主要从事水电站压力管道研究。E2mail:zh.ei@163.c
6、om应力分类方面,参照压力容器的分析设计方法,根据产生的原因、作用和分布不同,对压力管道中的应力进行分类,以便按等安全裕度原则设计[10]。无梁岔管将控制应力分为三类:转角点最大峰值应力;转角点附近局部薄膜应力;距离转角点为015Rt处整体薄膜应力。强度理论应用方面,在应力分类基础上,为全面考虑各单向应力对安全性能的影响,通常采用基于强度理论的折算应力进行安全评价。欧盟标准EN13445《非接触火焰压力容器规范》[11]采用第三强度理论,美国ASME《锅炉及压力容器规范》第八卷第二分册早期也采用第三强度理论,目前已改用第四强度理论[12]。国内无梁岔管安全评价主要有两种做
7、法,一种是采用第四强度理论折算应力进行评价,另一种是直接采用基于应力分类的环向应力进行评价。应力控制标准方面,研究工作集中在安全度取值和可靠度理论的引入上。安全度主要通过允许应力或安全系数体现,后者可由材料强度除以前者得到,参考工程实践和国内外相关标准的取值[13],基本荷载组合下,以钢材屈服强度为基准,岔管的膜应力区和局部应力区的安全系数分别为2100和1125[6]。不同分类应力的安全系数比例关系按照应力分类确定,可由截面塑性极限分析推求出[14]。可靠度理论已引入我国水电站压力管道规范的安全评价中[5],这在国内外压力容
