架空管道钢结构支架设计

架空管道钢结构支架设计
发表时间：2016-11-14T09:30:18.603Z 来源：《低碳地产》2016年13期作者：苗小磊孙莅[导读] 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。

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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