第
32
卷第
6
期
1999
年
12
月
武汉水利电力大学学报
Vo
1.
32 No.6
Dec.1999
J.
Wuhan
Dniv.
of
Hydr. &
Elec.
Eng.
文章编号:
1α
)6
- 155X( 1999)06 - 032 -
05
地下埋藏式压力钢管非线性有限元分析
陈观福伍鹤卒
2
熊德炎
2
(1.清华大学水电系，北京
100084;2.
武汉水利电力大学水利水电学院，湖北武汉
43
∞
72)
摘要:考虑了回填泪凝土、围岩的弹塑性、初始地应力及开挖支护引起的二次应力的影响和内水压力作用下钢
衬的弯曲、剪切效应，并将罚函数的思想应用于地下埋藏式压力钢管的非线性有限元强度分析，编制了相应的非
线性有限元程序.结合工程实例，通过方案比较得出了对工程设计有参考价值的结论.
关键词:地下埋管;内水压力;结构分析;罚函数
中图分类号:1V
547.2
文献标识码
:A
地下埋藏式压力钢管由于布置灵活，可利用围
岩分担内水压力，节省钢材且安全度高，运行可靠
等优点，而被广泛应用于大中型水电站和抽水蓄能
电站.目前电站规模越来越大，地下埋藏式压力钢
管在水电站建设中的作用也越来越重要.对于高水
头、大直径的地下埋藏式压力钢管，其
m
值已超
过钢管的规定规范值，由于规范方法限制钢管在弹
性范围内工作，视围岩为弹性体，不考虑初始地应
力及开挖支护引起的二次应力的影响，因而不能充
分发挥钢材和围岩的实际承载能力.若按这种方法
设计，对于高
HD
值的工程，就得采用超厚钢板或
采用高强钢.对于超厚钢板，其焊接应力大，安装施
工困难;对于高强钢，冶制工艺复杂，塑性韧性较
低，特别是焊缝及其影响区容易出现裂纹，而且我
国至今尚无工艺性能和力学指标皆令人满意的高
强钢.所以，地下埋藏式压力钢管现行设计方法已
越来越难以适应现代大中型水电站建设的需要.因
此，探讨一种能够充分发挥材料的实际承载能力的
强度分析方法，从而做到既安全可靠又经济合理的
管道设计，具有一定的工程实用价值.
地下埋藏式压力钢管在长度方向的尺寸比横
截面尺寸大得多，当地应力变化不太大、围岩的结
构面垂直管轴线方向分布及不考虑开挖掘进的影
响时，可采用平面变形假定
[2]
当两洞间距大于
3
倍洞径以上，各
j
同之间相互影响较小时，可以作单
收稿日期
:1999-07-19
洞考虑.本文假定围岩、回填混凝土和钢衬为理想
弹塑性体，假定钢衬与周边回填
j
昆凝土之间的缝隙
均匀分布，且按规范
[1]
的建议取值，考虑了初始地
应力及开挖支护引起的二次应力的影响，考虑了内
水压力作用下钢衬的弯曲、剪切效应.用四边形单
元模拟围岩和回填混凝土，用杆单位模拟锚杆，用
梁单元模拟钢衬，用罚单元处理梁单元与四边形单
元的单元搞合问题.作者编制了非线性有限元程
序，结合某实际工程，通过方案比较揭示了初始地
应力及开挖支护引起的二次应力以及内水压力作
用下钢衬的弯曲剪切效应对地下埋藏式压力钢管
承载能力的影响.
1
开挖支护的模拟及围岩稳定的
判据
1. 1
开挖支护的模拟
开挖效果的模拟采用邓肯(J
M
Dancan)
等人提
出的"反转应力释放法
"[2]
根据文献
[3J
，开挖面空
间效应可以这样近似考虑:假定开挖面处因开挖的
空间效应在任一时刻释放了某种比例的释放力
P
1
，
当开挖面向前推进至
Z
处，该研究截面又释放
另一比例的释放力
P
2
(
1 -
e-:)
.于是，在距开挖
面之后
z
处，总的释放荷载为:
p(x)
= P
1
+ P
2
(
1 -
e-:)
作者简介:陈观福(1
974
一)
，江西于都人，博士研究生，从事水电站压力管道方面的研究
基金项目:国家电力公司科学技术项目资助
(SP
阳∞
6
-
08).
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