摘要：针对月牙肋岔管的体型特点，结合锦潭水电站岔管的设计，首次采用CAD作图法，对岔管的外部体型和月牙肋肋板体型进行设计。比解析法提高了设计准确性、精度和设计效率。
关键词：月牙肋 岔管 CAD设计 1 概述
压力钢管是水利水电工程中输水建筑物的组成部分。它将水从水库、前池或者调压室中在承受压力的条件下引入水轮机或其他设备，以满足发电、供水等要求。当一根钢管需要供应多台机组，或者从钢管中引走一部分流量供其他用途时，便需要设置岔管，所以岔管的设计是钢管设计中的重要内容之一。
根据加强方式不同可分为以下几种常见的岔管型式：三梁岔管、月牙形内加强肋岔管、贴边岔管、球型岔管和无梁岔管。设计岔管时，为了满足结构上妥善解决不平衡内外水压力问题，使岔管有足够的安全度，并使材料节约、尺寸缩小、施工方便，还要满足水力学上水流平稳、水头损失小等要求，其体型设计和结构计算十分复杂。本文将对月牙肋型钢岔管的CAD体型设计及计算中遇到的一些问题做进一步的探讨。
锦潭水电站位于广东省英德市西北部，是以发电为主，同时兼顾灌溉，减免洪涝灾害并促进地方经济发展的综合利用工程。枢纽主要建筑物有混凝土双曲拱坝和引水式电站厂房。引水隧洞总长360m，由上、下平段和上、下弯段及斜井段组成，上平段、上弯段、斜井段及下弯段为钢筋混凝土衬砌，下平段为钢管衬砌，主管管径3m，经岔管分出三条支管与三台水轮机前蝶阀相接。
经方案比较，考虑到内加强月牙肋岔管，具有结构合理，水头损失小，要求洞室开挖断面小，制造简单，便于整体运输等优点，且适用于HD值较大的情况，较适合本工程，故给予选用。受工程各方面限制设置为双卜型岔管，见图1。
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图1
2.月牙型内加强肋岔管的体型CAD设计过程
现今的各种关于月牙型内加强肋岔管的设计资料，包括《水电站压力钢管设计规范》（DL/T 5141-2001）中对月牙型内加强肋岔管的体型设计方法，几乎都采用的是数解法，即通过已经定型的公式来计算岔管各点坐标、参数等，从而最后绘出岔管几何体型。
随着CAD技术的发展和CAD出图的普及，使得用CAD法确定及绘制月牙型内加强肋岔管几何体型变得简单可行。下文将结合锦潭水电站钢岔管设计做详细介绍。
2.1确定岔管轴线夹角α
本工程α角选用60°。这里说的α角并不是“规范”中的ω角，α角见“图2”，ω角在后文的几何设计时确定的。
2.2确定岔管公切球半径Ri与公切球位置
为了方便制图与计算，本工程采用管壁中线法制图。根据“规范”，Ri取主管半径1.2倍左右，公切球半径选1815mm。
此时，可绘制出“图2”如下：
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图2
因公切球球心位置在支管2上，故公切球位置已经固定，见图2。
2.3确定岔管钝角区与锐角区转角
钝角区腰线转折角C1、支管腰线转折角C2不宜大于15°，本工程取14°。最大直径处腰线转折角C0不宜大于12°，本工程取12°。C3等过渡角在现行规范中并没有明确规定，同时参考“规范”中弯管相邻管节转角不宜大于10°的规定，本工程C3角取10°。
2.4调整转角斜边长度控制整体岔管体型
这一步是比较复杂和麻烦的，希望读者自行进行调整，在满足规范的前提下使岔管体型变化平顺，尽量接近“规范”中岔管体型，同时注意满足环向焊缝不宜小于300mm的构造要求。本工程调整后见图3：
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图3
需要注意的是，图3中A点并不在公切球上，而是两条公切球切线的交点。
2.5绘制岔管相贯线
相贯线的绘制方法请参考有关书籍，在这里就不详细论述了。相贯线的绘制见图4：
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图4
2.6岔管轴线的确定
岔管由三个主岔管节和若干过渡管节组成，每两个相邻管节间存在一个公切球，公切球球心间的连线即为管轴线。而只需要选择三条切线就可以确定出公切球。如选择图5中线1、线2、线3就可以绘出公切球1。
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图5
绘制出所有公切球，并将公切球球心连线，就可绘出岔管轴线。
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图6
绘制出了轴线，分岔角ω角也就确定了，如图6，本工程ω角为75°。
2.7确定过渡管节相贯线
做过渡管节公切球的目的就是绘制过渡管节间相贯线。非对称锥型管节只需将转折点与相应公切球切点连线，对称管节将两个转折点连线即可。这样做的目的也是保证过渡管节间相贯线位于同一个平面内。
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图7
至此，岔管的重要几何体型已经设计完成。
2.8肋板体型设计
在现行“规范”中，相贯线方程是根据解析法得出的，将试图用CAD制图法（几何法）推出相贯线方程。
为了得到肋板外边缘线曲线，必须绘制管壁中线与肋板中线相贯线。将图7中阴影部分单独取出，以做相贯线的方法来寻找管壁中线与肋板中线相贯线的椭圆曲线。图8中AB线段长度就为椭圆长轴长度，椭圆短轴为，故可绘出管壁中线与肋板中线相贯线的椭圆曲线。根据“规范”规定管外只留约50mm～100mm宽度能够焊接即可绘出肋板外缘边线，见图9。
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图8
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图9
在施工图中管壁中线与肋板中线相贯线是不需要示出的，但它对CAD制图起着非常大的作用。施工图需要的是绘制出管壁外缘线与肋板外缘线相贯线，便于厂家制作安装时的定位。管壁外缘线与肋板外缘线相贯线的制图方法几乎与管壁中线与肋板中线相贯线的制图方法一致。所不同的是需要将管壁中线向外侧放半个管壁厚度，转换成为管壁外缘线，再类似取出图8阴影部分，将图8中的AB线段向肋板中线两侧各偏移半个肋板厚度，即可绘出两支管管壁外缘线与肋板外缘线的两条相贯线。
当把肋板外缘线、管壁外缘线与肋板外缘线相贯线放置在同一个坐标系中时，需要特别注意的是，它们的坐标圆点（即椭圆中心点）在水平方向上不重合，偏移量也可通过做图法求出，如图10。把岔管中线图与外缘线图一起绘出，并绘出各自的长轴。X1、X2为管壁外缘线与肋板外缘线相贯线的椭圆中心相对于管壁中线与肋板中线相贯线的椭圆中心沿肋板方向的偏移量。
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图10
最后进行肋板内缘线的确定。“规范”中并没有提供肋板内缘线的方程，只能根据“规范”中的肋板应力计算公式做多个截面的验算从而确定肋板内缘线。《压力钢管》（潘家铮）与《水电站机电设计手册金属结构（二）》（1988年12月水利电力出版社）中，对肋板内缘线的确定方法都是依据肋板外缘线和肋板上只受轴心拉力的轴心线之间的距离确定的，但此法较复杂烦琐，且肋板上只受轴心拉力的轴心线方程不易找出。在《水电站压力钢管设计规范》(SL281-2003)中有确定肋板内缘线抛物线方程，方程中参数通过上面肋板CAD制图法很容易得到。在实际工程中，可以依据此方程确定肋板内缘线，再通过“规范”肋板应力计算公式进行验算。
按此法对本工程岔管肋板其余截面进行验算均安全，应该说水利规范推荐此曲线是留有安全裕度的。
3. 结语
利用CAD技术进行月牙型内加强肋岔管体型的设计，优点有很多，如准确、快速、直观、修改方便等。现在得到普遍应用的AUTODESK公司开发的AUTOCAD系列软件产品，其准确性与精确性已经得到广泛的认可。利用AUTOCAD软件绘制岔管图形，很多需要复杂推算公式才能得出结果的参数可以在图形中直接量取，极大方便了设计者的工作量，并相当程度减少了人为的计算误差，使其充分展示了快速、直观和便于修改的优点。锦潭水电站采用CAD制图的方法进行了岔管的体型设计，其结果与解析法完全一致，表明设计方法是准确可靠的。
作者简介：张剑，男，河南郑州人，毕业于郑州工业大学（现郑州大学），水利水电建筑工程专业，助理工程师，工作年限5年，从事水利水电工程设计工作。
陆伟，男，江苏宿迁人，毕业于河海大学，水利水电建筑工程专业，工程师，工作年限9年，从事水利水电工程设计工作。
