水电站压力钢管单波失效理论对比研究

摘要

水电站埋藏式压力钢管（简称埋管）最主要的失效形式是在外压作用下失稳，目前研究认为埋管在外包混凝土中受外压失稳是受约束稳定失效问题，其临界外压公式建立在稳定失效模式和强度失效准则上。然而，埋管仍有可能发生强度失效或者纯稳定失效。鉴于此，本文系统剖析了计算埋管临界外压的强度失效理论、受约束稳定失效理论和纯稳定失效理论及各自的代表方法——锅炉公式、Jacobsen法和Boot法，并利用埋管临界外压的主要力学影响因素分析了三种临界外压计算公式的关联性，利用埋管设计参数径厚比r/t、缝隙率Δ/r和屈服强度σs量化了锅炉公式、Jacobsen法和Boot法的适用范围。为方便应用，给出了三种公式适用范围的快速查询图，汇总了三种公式计算临界外压的结果查询图。主要结论如下: (1)锅炉公式建立在强度失效模式和强度失效准则上;Jacobsen法建立在稳定失效模式与强度失效准则上;Boot法建立在稳定失效模式与稳定失效准则上。锅炉公式和Jacobsen法的失效准则均为最大应力微元达到屈服强度受压屈曲，故为强度失效准则;Boot法使用失稳区应变能最大的驻值条件作为失效准则，不涉及管材屈服强度σs，是稳定失效准则。Jacobsen法和Boot法的失效模式类似，认为管壁横截面上只存在一个失稳区，内含屈曲波，是典型的稳定失效模式。锅炉公式的失效模式没有考虑失稳区和屈曲波，是强度失效模式。 (2)径厚比r/t是影响埋管在外压作用下发生何种失效模式的关键因素。径厚比r/t减小时，屈曲波振幅减小，最大应力微元靠近外包混凝土，管壁约束增强，埋管从受约束稳定失效向强度失效过渡;径厚比r/t增大时，屈曲波振幅增大，最大应力微元远离外包混凝土，管壁约束减弱，埋管从受约束稳定失效向纯稳定失效过渡。 (3)受缝隙率Δ/r和屈服强度σs影响，径厚比r/t大致在30以下时，埋管发生强度失效，推荐使用锅炉公式;径厚比r/t在30～120之间，埋管发生受约束稳定失效，推荐使用Jacobsen法;径厚比r/t大致在120以上时，埋管发生纯稳定失效，推荐使用Boot法。为提供更详细的临界外压计算公式适用范围并且方便应用，给出了以上3种公式适用范围的快速查询图。

目录

声明

摘要

符号说明

1．1工程和社会背景

1．2埋管受外压失效研究进展

1．2．1临界外压Pcr计算方法

1．2．2埋藏光面管失稳模式及相应理论

1．2．3计算临界外压的影响因素与适用范围

1．3目前研究存在的问题

1．4本文研究的主要内容与创新

1．4．1主要内容

1．4．2创新工作

第二章埋管在外压作用下的主要失效理论及代表方法

2．1基于强度失效理论的锅炉公式

2．2基于受约束稳定失交宅理论的Jacobsen法

2．3基于纯稳定失效理论的Boot法

2．4小结

第三章三种失效理论的关联性

3．1临界外压的主要力学影响因素介绍

3．2强度失效与受约束稳定失效的关联性

3．3受约束稳定失效与纯稳定失效的关联性

3．4小结

第四章利用埋管设计参数量化失效理论适用范围

4．1锅炉公式与Jacobsen法的临界外压Pcr计算结果对比

4．2强度失效理论与受约束稳定失效理论的适用范围

4．3 Jacobsen法与Boot法的临界外压Pcr计算结果对比

4．4受约束稳定失效理论与纯稳定失效理论的适用范围

4．5小结

第五章结论验证与应用

5．1验证径厚比为埋管失效种类的关键影响因素

5．1．1 Amstutz法临界外压计算简化公式介绍

5．1．2 Amstutz法简化公式简化假定的物理含义与偏差预测

5．1．3 Amstutz法简化公式偏差的计算

5．1．4小结

5．2验证三种失效理论的适用范围

5．3三种失效理论适用范围的快速查询图及应用示例

6．1结论

6．2展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

攻读硕士学位期间主要参与的科研项目