本發明涉及水電站壓力鋼管受力分析，具體涉及一種壓力鋼管與混凝土聯合受力分析方法。

背景技術：

1、水電站上游的水經過壓力鋼管進入水輪機室，帶動轉輪轉動發電。通常，水電站上游水位較高，壓力鋼管及其它引水管路(以下統稱壓力鋼管)要承受較大的水壓力，特別是鋼管開孔的位置，要求壓力鋼管必須具有足夠的安全系數。近年來，隨著抽水蓄能電站的蓬勃發展，尤其是超高水頭抽水蓄能電站的建設，必須考慮壓力鋼管具有足夠的安全裕度。否則，壓力鋼管的破壞會進一步造成混凝土的破損，對電站的安全造成巨大的影響。

2、在目前壓力鋼管的受力分析中，主要通過明管的方式進行分析，即在壓力鋼管及開孔分析時，將壓力鋼管及其分支完全暴露在空氣中，鋼管外側不受任何約束，然后在鋼管內側施加水壓進行分析。此方法沒有考慮壓力鋼管在受水壓膨脹時，當壓力鋼管變形大于鋼管與混凝土的澆筑間隙時，混凝土會和壓力鋼管一起協同受力，造成壓力鋼管的受力遠高于真實狀態，造成鋼材浪費。

3、另外，也有很少一部分研究者對壓力鋼管與混凝土進行聯合受力分析，但沒有考慮鋼管變形小于鋼管與混凝土澆筑間隙時的鋼管單獨受力的階段，而是讓壓力鋼管與混凝土直接接觸，這導致混凝土要承受更多的力，造成壓力鋼管的受力遠低于真實狀態。

4、第一種計算判斷壓力鋼管受力的方法過于保守，第二種聯合受力方法導致設計安全系數不足，都不能對水電站壓力鋼管的真實受力進行準確分析和評估。

技術實現思路

1、本發明的目的在于提供一種壓力鋼管與混凝土聯合受力分析方法，考慮了澆筑間隙的水電站壓力鋼管與混凝土聯合受力情況，對水電站壓力鋼管的真實受力進行更準確分析和評估。

2、本發明通過下述技術方案實現：

3、一種壓力鋼管與混凝土聯合受力分析方法，包括下述步驟：

4、s1、確定水電站運行時，壓力鋼管內部承受的水壓力p；

5、s2、澆筑穩定后，將壓力鋼管與混凝土之間的澆筑間隙記為δ，通過參數化分析模型與計算反求法，得到壓力鋼管在明管狀態下，內部承受水壓變形為δ時的水壓p1；

6、s3、再將真實運行狀態下，壓力鋼管受力過程簡化為兩個階段，第一階段：壓力鋼管與混凝土接觸前，壓力鋼管單獨受力；第二階段：壓力鋼管與混凝土接觸后，壓力鋼管與混凝土聯合受力，并建立壓力鋼管最終的應力狀態σ3的計算模型，；

7、s4、最后得到離散狀態下，壓力鋼管所有離散單元的受力狀態，并對此狀態的壓力鋼管應力、應變狀態進行評估，以優化壓力鋼管的尺寸設計。

8、進一步的，所述步驟s2中，混凝土與壓力鋼管的間隙為δ通常為0.5～1.5mm。

9、進一步的，所述步驟s2中，壓力鋼管在明管狀態下，內部承受水壓變形δ與水壓p1的關系獲取方法如下：

10、s2.1、澆筑穩定后，建立所要分析的壓力鋼管的單獨模型，即壓力鋼管的參數化分析模型；

11、s2.2、基于響應面的參數化分析，得到內部水壓與壓力鋼管變形相關性的數值替換模型；

12、s2.3、通過計算反求，得到壓力鋼管在明管狀態下，內部承受水壓變形為δ時的水壓p1。進一步的，所述步驟s3中，不同狀態下，壓力鋼管受力狀態的獲取方法包括下述步驟：

13、s3.1、建立所要分析的壓力鋼管與混凝土聯合模型，該聯合模型不考慮壓力鋼管與混凝土之間的間隙；

14、s3.2、根據下述式(1)控制方程離散化壓力鋼管與混凝土模型；

15、

16、式中，[m]為結構質量矩陣；[c]為結構阻尼矩陣；[k]為結構剛度矩陣；{x}為位移矢量；{f(t)}為載荷矢量；

17、s3.3、分別設置壓力鋼管與混凝土的約束條件、材料屬性；

18、s3.4、設置兩個分析步驟，通過接觸開關控制壓力鋼管與混凝土的接觸屬性，模擬壓力鋼管與混凝土的不同接觸狀態下，獲取壓力鋼管的受力狀態。

19、進一步的，所述步驟s3中，壓力鋼管外包圍的混凝土徑向尺寸至少應大于壓力鋼管外徑的8倍。

20、進一步的，步驟s3.4中，通過接觸開關css控制壓力鋼管與混凝土的接觸屬性，獲取壓力鋼管的受力狀態方法為：

21、s3.4.1、定義css＝no，即壓力鋼管與混凝土脫開，此時壓力鋼管單獨承受p1水壓，混凝土不受力，并計算當前壓力鋼管的受力狀態σ1；

22、s3.4.2、定義css＝yes，即壓力鋼管與混凝土接觸，此時壓力鋼管與混凝土聯合承受p-p1水壓，計算當前壓力鋼管的受力狀態σ2；

23、s3.4.3、定義組合關系comb，用以計算壓力鋼管離散狀態下的最終受力狀態σ3，即σ3＝σ2+σ1，σ3狀態即為水電站正常運行時，考慮壓力鋼管與混凝土間的澆筑間隙，壓力鋼管與混凝土聯合受力的真實狀態。

24、進一步的，所述步驟s3.4.3中，建立壓力鋼管最終的應力狀態σ3的計算模型，滿足下述式(2)的關系：

25、式中，δ為壓力鋼管的壁厚，單位為mm；

26、p為壓力鋼管所承受的內壓力，單位為mpa；

27、d為壓力鋼管的內徑，單位為mm；

28、δ為壓力鋼管與混凝土之間的澆筑間隙，單位為mm；

29、e為為壓力鋼管的彈性模量，單位為mpa。

30、進一步的，步驟s4中，對壓力鋼管應力、應變狀態進行評估的方法為：

31、s4.1、提取模擬水電站正常運行時，即考慮壓力鋼管與混凝土間的澆筑間隙時，壓力鋼管與混凝土聯合受力的真實狀態下，壓力鋼管的應力和應變之間的關系；

32、s4.2、若評估結果滿足設計要求，則分析結束；若評估結果不滿足設計要求，則需要重新設計壓力鋼管的結構參數，按照步驟s2～s4的過程，重新進行分析計算。

33、進一步的，所述步驟s4.2中，對結果的評估主要區分以下兩方面：

34、s4.2.1、對于截面尺寸恒定，且不存在分支的壓力鋼管，考慮澆筑間隙且壓力鋼管充壓后，除了按本發明提供的技術方案計算壓力鋼管的最終的應力狀態σ3外，還可以按以下公式直接計算壓力鋼管充壓后最終的應力狀態。或用式(2)檢驗采用其他方法計算結果的準確性，優選的，兩者計算的結果的誤差不得超過3％。

35、

36、s4.2.2、當壓力鋼管截面尺寸存在變化，且存在多條分支等復雜情況，可取壓力鋼管在幾何均勻且遠離應力集中區處，通過下面式(3)檢驗計算結果的正確性：

37、

38、對于復雜的幾何模型，σ3可表達為：

39、

40、其中，α、β分別為第一、第二階段的應力集中系數。

41、本發明與現有技術相比，具有以下優點及有益效果：

42、一、本發明中，考慮壓力鋼管與混凝土之間的澆筑間隙δ(δ通常為0.5～1.5mm)，通過參數化分析模型與計算反求技術，得到壓力鋼管在明管狀態下，內部承受水壓變形剛好為δ時的水壓。再將真實運行狀態下，壓力鋼管受力過程簡化為兩個階段，第一階段：壓力鋼管與混凝土接觸前，壓力鋼管單獨受力；第二階段：壓力鋼管與混凝土接觸后，壓力鋼管與混凝土聯合受力。最后得到離散狀態下壓力鋼管所有離散單元的受力狀態，并對此狀態的壓力鋼管應力、應變狀態進行評估。

43、二、本發明中，提出了一種通過css接觸開關定義兩個分析階段壓力鋼管與混凝土的接觸屬性的方法，使壓力鋼管與混凝土位于同一個坐標空間，便于獲得可靠的結果。

44、三、本發明中，提出了一種基于響應面參數化分析，得到內部水壓與壓力鋼管變形相關性的數值替換模型的方法。再通過計算反求，可得到壓力鋼管在明管狀態下，內部承受水壓變形剛好為δ時的水壓p1。

45、四、本發明中，第二階段不用考慮壓力鋼管與混凝土的真實間隙，極大的簡化的了分析模型復雜程度，可以成倍提高分析模型的收斂性，大幅縮短計算時間。