不同支吊架及压力形式对风管系统的影响

不同支吊架及压力形式对风管系统的影响

夏臻

-上海上安物业管理有限公司，上海，200083

摘要：本文针对某工程中的风管系统，利用有限元仿真的方法揭示不同支吊架和压力形式对风管及其支吊架受力的影响。通过不同工况设置，揭示了在组合式支吊架中间设置加固连接杆以及管道设置加固法兰的积极作用，希望对工程实践起到借鉴作用。

关键词： 风管、支吊架、有限元分析、压力、仿真

在风管系统中，组合式支吊架作为承载管道重量的构件，为风管及附属部配件的安全使用起到了非常重要的作用。受不同安装工艺、风管材质和管道重量体积的影响，支吊架的设置形式变得多样化。对于大型风管，有必要采取仿真技术预测分析不同状态下风管及其支吊架的受力情况，进而优化支吊架的设置形式，以此在节材的同时保证其安全性能。

本文受国家重点研发项目《建筑工程现场工业化建造集成平台与装备关键技术开发》（编号：2018YFC0705800）以及企业年度科研计划《机电安装工业化建造技术研究》（编号：17JCSF-30）的基金支撑，分析了上海某工程中半室外风管不同支架形式与管内不同压力的系统受力情况，希望对今后类似工程起到一定的借鉴。

1计算模型的建立

1.1支吊架形式的设计

下列两种设计方案的支吊架结构均由通丝吊杆连接槽钢横梁，支吊架设置间距均为2m。风管壁厚均为1.5mm，风管表面包裹一层8mm厚的防火板。

方案一（见图1（a））：上下横梁无中间吊杆连接的吊架。可以分为上、下两部分：上端吊架支撑一个大风管，尺寸为4000*600，横梁长度4120mm，吊杆长度880mm；下端支吊架支撑并齐排列的两个风管，下端风管尺寸为2800*1500，其横梁长度5920mm，吊杆长度2750mm。

方案二（见图1（b））：上下横梁增设了2根中间吊杆连接的吊架。中间位置设计了2根16#通丝，从上端吊架的横梁竖直连接到下端吊架的横梁，通丝长度为1890mm，两通丝间距100mm，距离左右风管各50mm，其余结构与方案一相同。

（a）无吊杆连接（方案一）        （b）有吊杆连接（方案二）

图1  风管支吊架的不同设置形式

由于大口径风管的跨距大，容易发生较大变形，同时风管壁在系统运转时易发生振动并辐射噪声。为了避免断面变形和减少噪声，就需要对风管壁进行加固。加固形式参考国家标准图集《薄钢板法兰风管制作与安装》07K133[1]。角钢框加固的强度大，效果好，目前被广泛采用。本文采用的风管加固方式为L6*6角钢加固，在上端风管4000*600系统中均匀设置间隔0.5m的角钢加固框，下端风管2800*1500中间隔1m设置角钢加固框。通过对两种方案及有无加固的力学仿真对比，获得最优支架形式，解决安全性不足的问题，见图2所示。

图2 模型中设置的加固形式

本工程中风管外部根据设计应包裹一层8mm厚的防火板，根据提供的防火板物性参数，为了简化仿真模型，将防火板的重量附加在风管上，即只建立风管模型，同时增加风管的当量密度，同时采用标准载荷乘以1.35的荷载分项系数[2]进行重量加载，计算后得到风管的等效密度为2.810×10-8t/mm3，具体参数见表1。

表1 风管系统的材料物性参数

1.2有限元建模

按照上述设计的方式建立风管模型，见图3，并设定边界条件，由于吊架顶端与楼板通过膨胀螺丝固定，故在吊杆的顶部设置为全约束；此外，风管两端面施加全约束。风管及其法兰和吊架均需考虑自重载荷。在ANSYS有限元模型中定义竖直向下的重力加速度g=9810mm/s2。内部压力对风管系统受力体系影响的仿真分析中，分别模拟最高1500Pa的正压和负压对支架及本体的受力载荷。

图3 风管及其支吊架系统的有限元模型（方案二）

2有限元模拟与分析

2.1基于不同支架体系的受力分析

下述仿真是管内1500Pa正压条件下进行的，其中方案一的Mises等效应力（Mises等效应力考虑了X、Y、Z方向的受力情况进行综合）最大值为112.987MPa，见图4（a），低于材料的屈服强度，最大值发生在下端风管吊架的第二根横梁，处于梁截面的底端最外侧，总体上横梁的应力分布从中间向两边逐渐减小。图4（a）中同样可见横梁底部的Mises应力较大而上端的应力很小，吊杆上应力分布比较均匀。观察方案一E截面（支吊架水平面的中心截面）的支吊架受力可以发现，最大应力处于下端风管的横梁上，最大值为67MPa（满足许用拉应力标准）；上端风管横梁的应力分布从中间向两边先减小后增大。吊杆的最大应力处于上端风管右侧吊杆的底部，最大值为48.6MPa，满足强度条件，且从下往上的应力变化趋势为先变小后变大，下端风管的吊杆应力变化不大，最大值也处于吊杆的底部。

方案二中，吊架的Mises等效应力的最大值为112.9MPa，最大值发生在吊杆的最下方。E截面处最大应力处于下端风管横梁的增加的吊杆的右侧，最大值为91.5MPa（相比方案一的67.7MPa稍大，但仍满足许用拉应力标准），上下吊杆的最大应力都分布在横梁连接吊杆的位置附近。另外最大应力处于中间连接上下横梁的右侧吊杆，最大应力位于吊杆的上端值为41.65MPa，应力分布从上到下先减小到中间位置后逐渐增大。

（a）方案一                       （b）方案二

图4  不同方案支吊架的Mises等效应力云图

不同方案下，支吊架系统的位移变量见图5。方案一中，横梁上的位移分布与风管所处位置相关，风管所处的中间位置位移值最大并向两边逐渐减小，其中上端风管的第二根横梁的位移最大，为9.49mm，其挠度小于横梁长度的1/200，满足刚度要求。吊杆中下部分的位移较大，位移最大在0.979mm左右；观察图5（c）方案中的E截面可以发现，最大位移发生在上端横梁上，最大值为9.4mm，且从中间向两边逐渐减小，下端横梁的位移变化不大，仅为2mm左右。对于吊杆来说，最大位移处于下端风管右侧吊杆中间位置，最大值为1.77mm，说明吊杆的位移极小，符合刚度条件。

方案二最大位移位于上端风管的第一根横梁，最大值为8.44mm，从风管所处中间最大值位置向两边逐渐变小，吊杆的位移极小且变化很小，上部几乎不产生位移，中下部位移最大在1.9305mm左右，均满足刚度要求。从E截面（见图5（d））处整体的位移图中可发现，最大位移处于偏右侧风管下端横梁的中间位置，最大值为4.5mm，较方案一的设置形式小了近一半（方案一为9.4mm），另外上端横梁的位移差别很小仅为1mm左右，说明在上下横梁中间增加吊杆连接可以有效减小横梁的最大位移，效果比较明显。另外吊杆位移最大的区域处于连接上下横梁的右侧吊杆上部位置，最大位移为3.5mm。

（a）方案一整体位移              （b）方案二整体位移

（c）方案一E截面位移         （d）方案二E截面位移

图5不同方案支吊架的位移云图

从图6中可知风管的最大Mises应力位于上端弯曲段外侧风管与管卡所接触的位置，大小为199.297MPa，故风管整体上依然满足强度条件。Mises等效应力在风管中与管卡、法兰接触部分明显大于中间未接触部分，未接触部分的应力极小，仅为0.092MPa。经过计算风管的最大位移处于下端外侧风管弯曲段，位于两个相邻法兰条中间位置，最大位移为18.7mm，由于此段风管长度为4000mm，根据《通风管道技术规程》JGJ141-2017[3]中的规定，变形量不应超过风管长边的1.5%（即60mm），故满足刚度条件。方案二中，最大应力处于上端风管的内测，大小为193.652MPa，风管整体强度安全。

（a）方案一                         （b）方案二

图6 风管应力云图

2.2基于不同管压对风管及支吊架的受力分析

下述仿真是方案一管内1500Pa负压条件下进行的，风管的Mises应力（见图7）最大值为185.6MPa，该危险点位于上端风管的弯折处，风管与管卡和法兰的接触区域可以观察到应力分布为82MPa左右，表明风管壁与法兰及管卡存在接触约束，可以看出法兰对风管系统有加固的作用。负压状态下，风管系统的位移分布见图8，风管的最大位移位置位于下端风管弯折区域的上端，最大值为19.5mm，另外图示风管的位移较大区域均位于法兰及管卡的中间区域，说明风管的法兰可以有效减少风管的位移。

图7 负压风管Mises应力云图         图8负压风管位移云图

负压状态下支吊架的受力分布见图9，其中最大位置处于下方第二根横梁，最大值为104MPa，该危险点处于下端横梁的上端翼缘，应力分布从该点向两边先逐渐减小后在接近吊杆处开始增大；上部分横梁的应力大小变化不大，分布也是从中间向两边减小再最后接近吊杆区域增大。支吊架的位移分布见图10，支吊架的最大位移位于上端的第三副吊架的中间位置，该区域的最大位移为7.4mm，局部放大后可以看出位移值从该横梁中间向两边逐渐减小，并且到两边达到最小位移为1.6mm。

图9负压管道支架的Mises应力云图    图10负压管道支架的位移云图

3结论 

本文针对某工程中风管支吊架系统，采用有限元模拟的方法分析了不同设置形式和管内不同的压力对风管及其支吊架受力的影响，得出了以下结论：

（1）文中两种设置形式的支吊架均可满足力学标准，其最大变形量符合规范。

（2）方案二中，支吊架中间设置连接杆可以有效减小横梁的最大位移，但X方向的拉应力有所增加。

（3）针对方案一支吊架设置形式下的管内压力仿真揭示，正负压力的不同对管道受力和位移有一定影响，但构不成威胁，同时管道的法兰对管道加固和变形影响有积极的作用。

参考文献

[1] 07K133《薄钢板法兰风管制作与安装》 [M]. 中国计划出版社, 2007.

[2] 08K132《金属、非金属风管支吊架》 [M]. 中国计划出版社, 2008.

[3] JGJ141-2017《通风管道技术规程》[M]. 中国建筑工业出版社, 2017.