架空管道钢结构支架设计

架空管道钢结构支架设计

苗小磊孙莅

1中国市政工程华北设计研究总院有限公司天津300381；2天津万科房地产有限公司天津300221

【摘要】钢结构管道支架目前已经广泛应用于我国工业建筑中，也是当前管道工程设计中的重要内容之一。文章结合工程实例，就架空管道钢结构支架设计进行略述，以供参考。

【关键词】架空管道；钢结构支架；设计

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。

一、钢结构管道支架设计的一般原则

第一，管道支架设计使用年限为50年。安全等级取一级，结构重要性系数γ0取1.1。第二，所有结构构件均应进行承载力计算；有抗震设防要求的结构，尚应按规定进行结构构件抗震承载力验算。第三，管道支架横梁在垂直荷载及水平推力作用下，按照双向受弯构件计算。固定管道支架横梁的最大挠度不宜大于梁跨度的1/500；其他管道支架横梁的最大挠度不应大于梁跨度的1/250。竖向荷载（标准值）作用下的挠度容许值不大于L/400；管道水平推力（标准值）作用下的挠度容许值不大于L/400。沿管道横向风荷载标准值作用下的柱顶位移不大于H/400；固定管道支架沿管道纵向在管道水平推力作用下的柱顶位移为H/400；H为支架高度。第四，地震基本烈度为8度及8度以上地区的活动管道支架应采用刚性活动管道支架。

二、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。

三、架空管道钢结构支架设计要点

（一）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。

（二）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。

（三）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。

（四）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。

（五）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。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。

三、某大型煤气管道支架优化设计实例分析

（一）有限元模型建立

采用SAP2000有限元软件计算，建立有限元模型时，煤气管道支架可视为空间钢支架，模型和设计中，所有梁柱、立面斜撑节点均设置为铰接节点。计算不同高度、相同荷载工况下的固定支架和半铰接支架，两种支架形式分别采用型钢和钢管截面。

（二）管道支架截面设计分析

当支架为10m的高度的时候，可以分别采用型钢和圆钢管截面形式来设计钢支架。基于同等工况条件下，钢构件的应力比保持在20%-60%之间，长细比保持在150的范围内，长度系数取值1.0。固定钢支架若选用钢管截面形式，则其耗钢量仅为型钢截面形式的65%，能够节约35%的钢材量。而半铰支架选用圆钢管截面形式，其耗钢量仅为型钢截面形式的64%，能够节约36%左右的钢材量。

当支架为14m高的时候，同样选用型钢和圆钢管截面形式，工况条件依然保持一致，钢构件的应力比以及长细比分别控制在20%-60%，150范围内，长度系数取值1.0。固定钢支架采用圆钢管截面形式耗钢量是采用型钢截面形式的76%，可以节约24%的钢材量；半铰支架采用型钢截面形式耗钢量是采用圆钢管截面形式的80%，可以节约20%的钢材量。

综合上述分析来看，采用圆钢管截面形式的固定支架能够优化设计，同时更加节约钢材消耗量。半矫支架采用圆钢管截面形式的时候，主要受制于平面外长细比，支架越高，则钢柱的长细比越不容易达到规范的相关要求，因此钢材的消耗量会随着支架高度的上升而增加。因此针对半绞支架的优化设计来说，需要结合支架的具体高度，以便于确定最为合理经济的截面形式。

总之，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。此外还应该考虑到经济效益，确保最大限度的节约资金。

参考文献

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[3]张于,李英民,成培江,李迎涛.基于可靠度的管道支架结构设计表达式研究[J].后勤工程学院学报,2011,06