? 架空管道钢结构支架设计张兴成（重庆市市政设计研究院，重庆市 江北区 400020） 【摘 要】：架空管道的支承系统一般包括单片支架、固定支架、摇摆柱支架、桁架、附属检修平台等。过去由于系统较简单，在大多数情况下支架高度有限，管道系统也不甚复杂，因此为了节省投资，采用混凝土的支架、支墩居多。在现代工业建筑中，由于系统的发展和工艺设备的改进，管道系统较之前复杂，高支架增多。架空管道采用钢结构支架支承已经非常普遍，在冶金工业建筑中，架空管道支架的规模大，系统也比较复杂，为了适应跨道路，跨沟壑的大跨度要求，钢结构桁架的应用也越来越多。本文重点讨论架空管道钢结构支架的设计问题。 【关键词】：支架；桁架；钢结构 1 概述架空管道在冶金、矿山、化工、港口码头等行业应用比较普遍。特别是现代的大型炼铁厂、炼钢厂中，燃气管道、热力管道、给排水管道较多，管线长度长，经过的场地地形地貌变化较大，如何设计出安全可靠的架空管道支架，给土建结构设计提出了课题。 以下将根据笔者在实际工程设计中的体会，讨论钢结构的架空管道支架、桁架的设计问题。 2 支架的结构布置及形式管架是支持工艺及各设备专业管道的支承结构，其间距一般根据工艺专业提供的资料确定，且必须满足各设备专业对管道最大跨距的要求。当管道需要跨越河流、公路、铁路、建（构）筑物时，支架最大间距可达60m或以上；此时一般在支架间设置桁架实现跨越，桁架中间设置管道的竖向支承点。管道系统纵向一定间距应设置固定支架，以抵抗纵向水平荷载；其余位置设置单片支架，个别位置可设置单立柱的摇摆支架。 3 支架设计3.1 管架分类及选型 管架是管道的支承结构，分为固定管架、单向活动管架、双向活动管架及组合式管架等。 固定管道支架在纵向（沿管道方向）及横向均视为管道的不移动支点。因此，固定管道支架应有足够刚度，以保证管道系统的稳定。固定管架上的管道，一般采用固定管托（若有不固定的管托时，管托形式由工艺专业决定）。 单向活动管道支架一般设计为沿管道纵向可伸缩变形，管道横向不可变形，纵向的变形量应根据设备专业资料的要求确定。单向活动管道支架可设计为刚性、柔性和半铰接的构造形式。 双向活动管道支架允许管道沿平面内任意方向变形。双向活动管道支架可设计为摇摆管架、双向滑动管架和摇动吊梁管架。 管道跨越河流、山谷、铁路、公路以及其他建筑物而跨距超过允许值时，或因管径较小设立的管架数量过多而不合理时，可设置桁架实现跨越。 支架宽度根据工艺和设备专业资料的管道布置和计算确定，也可按照支架高度的1/8～1/12进行估算，还应注意避开地上、地下设备管线的位置。当支架高度不大于10m时，支架顶部和底部同宽；当支架高度大于10m时，可采用上小下大的梯形样式。 当支架高度不大于10m时，其立柱截面优先采用热轧H型钢或热轧工字钢；当支架高度大于10m时，宜采用焊接H型钢；支架的横梁优先采用热轧H型钢，也可采用焊接H型钢；支撑采用角钢制作，当立柱断面高度不大于300mm时，可设单片支撑，当大于300mm时，宜设置双片支撑。当固定支架（由两片单片支架和垂直支撑、横梁组成）高度大于10m时，宜沿竖向不大于5m且不超过两个垂直支撑的节间高度设置一道水平支撑，以增强固定支架的整体性和抗扭转能力。 3.2 荷载 恒载：①管道重（包括管道、内衬、保温层、管道附件等）；②介质重；③管架重。 活荷载：①检修平台上活荷载；②灰荷载；③管内沉积物；④试压水。 水平推力：①管道补偿器的弹性力；②介质压力作用下的管道盲板力或鼓壁力；③活动管架的管道摩擦力或管架位移反弹力。 风荷载：①管道上的风荷载；②管架上的风荷载。 地震作用。 特殊荷载：事故水。 其他荷载：①冰雪荷载，在寒冷地区，当管壁温度在0℃以下时，应按具体情况考虑；②预留荷载。 3.3 支架结构内力分析 支架的计算应采用不完全铰接的平面杆系进行内力分析。结构计算可手算或采用PKPM的STS支架计算模块进行计算分析。根据支架所承受的竖向和水平力，按照密封试验时充满水和完全中空时两种极端计算状态，这两种状态下都应考虑下列两种组合： （1）垂直荷载+地震作用+风荷载。 （2）垂直荷载+风。 3.4 计算简图 管道支架计算简图一般简化为平面结构体系；固定支架也可简化为两榀单片支架，再用纵向的横梁和垂直支撑连接为空间受力体系。单片支架的立柱计算长度可取立柱高度的1.25倍。固定支架的立柱计算长度可取垂直支撑所划分的长度。十字交叉支撑可假设为单拉杆计算，计算长度按照《钢结构设计规范》的相关规定计算（如图1）。 3.5 节点构造 支架横梁与柱的铰接：此构造的优点是梁和柱的连接构造简单，横梁为一整根型钢，横梁下翼缘与柱头端钢板焊接，横梁可以很方便的左右悬挑；支架横梁与柱连接节点在STS计算分析时，应将柱顶点铰接，柱间交叉支撑设置为单拉杆。  图1 支架柱脚采用插入式柱脚构造时，计算可假定柱脚为刚接；当柱脚采用螺栓连接时，一般设计为铰接，计算时可假定柱脚为铰接。 4 管架体系中的桁架设计4.1 桁架结构的组成和型式 桁架结构一般由平面桁架、上、下弦水平支撑、垂直支撑、检修平台、过跨梯组成。 桁架的结构型式根据计算和工艺、设备专业的不同要求，可采用不同的型式，如图2为单斜腹杆桁架，图3为人字形斜腹杆桁架。  图2  图3 桁架的高度：取决于桁架跨度和它所承受的管道荷载。桁架高跨比一般可取1/10～1/16。常用跨度为10～20m左右，最大跨度可达30以上。 4.2 桁架结构计算分析 （1）进行桁架计算分析时，可将荷载按照桁架节点集中荷载计算，并假定节点为理想铰接点，利用图解法或数解法计算桁架杆件的轴心内力。 （2）桁架上弦杆的节间荷载产生的局部弯矩计算方法： 端节间的正弯矩可取为弦杆按照单跨简支梁计算的最大弯矩的0.8倍；中间节间的正弯矩和节点负弯矩可取为节点两边弦杆按照单跨简支梁计算的最大弯矩的0.6倍。 其中M相应节点作为单跨简支梁计算的最大弯矩。 （3）必要时可将桁架按空间杆系结构模型进行整体分析复核。 4.3 桁架杆件截面 4.3.1 截面型式 桁架上弦杆一般采用单角钢，对于跨度较大的管道体系，可采用双角钢组合截面、槽钢或H型钢截面。 下弦杆一般采用单角钢，角钢布置为肢尖向内、向上，对于大跨度桁架可采用H型钢。 端竖杆：一般采用宽翼缘焊接h型钢，并使截面强轴平行桁架跨度方向。 中间竖杆、斜腹杆及立撑一般采用单角钢直接与上、下弦相焊，但大跨度桁架则应根据计算要求，采用连接板连接。 上、下弦水平支撑采用单角钢通过连接板与上下弦相连。 4.3.2 杆件截面计算 根据桁架内力分析所得的内力对杆件进行截面设计；对于减小弦杆平面外计算长度的支撑体系一般按杆件的长细比确定。 桁架杆件设计为单角钢时，在进行强度和稳定计算时，应按《钢结构设计规范》的相关规定对强度设计值进行折减。腹杆与弦杆不设置节点板而直接焊接连接时，应考虑焊缝落弧对弦杆截面的削弱影响；此外，还应考虑腹杆重心线在上、下弦节点处的交汇点不在弦杆的重心线上所形成的附加弯矩所产生的附加次应力。 4.3.3 桁架的变形控制 桁架的跨中最大挠度值不应超过跨度的1/500。 4.4 管道支承桁架结构构造 （1）桁架的制作分段，当跨度不大于12m时不分段，大于12m时小于20m时分两段，跨度在20m以上时分三段或三段以上，每段长不超过12m，每段之间应采用等强拼接连接。 （2）桁架与支架的连接 桁架两端的支承支架可以都是单片支架，也可以一端单片支架一端为固定支架。桁架可以通过两端的立柱叠接于两端支架的横梁上，也可以用弦杆直接平接于两端支架的立柱上。 5 结语在管道支架的设计时，必须读懂、吃透上游专业设计任务书的意图和对土建专业的要求，合理布置支架的平面位置，使各支架较均匀的分担管道系统的水平荷载，荷载的取值及其组合值尽可能符合实际；截面设计应满足强度、稳定要求，尽可能选择截面回转半径大的截面形式。 参考文献 ［1］《钢结构设计规范》（GB50017-2003）.中国计划出版社，2003. ［2］《构筑物抗震设计规范》（GBJ50191-2012）.中国计划出版社，2012. ［3］《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）.中国建筑工业出版社，2010. ［4］李星荣，等.《钢结构连接节点设计手册》.中国建筑工业出版社，2005. ［5］《钢结构设计手册》编辑委员会.《钢结构设计手册》.中国建筑工业出版社，2004. ［6］魏明钟，主编.钢结构.2000. 作者简介：张兴成（1980-），男，中级，大学本科，主要从事建筑结构设计工作。 【中图分类号】：TU391 【文献标识码】 A 【文章编号】 2095-2066（2016）13-0177-02 收稿日期：2016-4-10 |
|
|
