SolidWorks支架受力分析报告

管道支吊架受力分析总结
管道安装在机电安装工程中占较大的比重，而管道支吊架的制安在管道安装中扮演着
主要的角色，它直接关系到管道的承重流向及观感。

有些支吊架不但影响观感，更存在着安全隐患，为了消除管道支吊架存在的各种隐患，使管道支吊架制安达到较高水平，有必要对管道支吊架进行荷载受力分析，确保支吊架荷载在安全范围以内。

选取宝鸡国金中心-购物中心地下室某段压力排水管道进行受力分析：
系统：压力排水
材质：镀锌钢管
管径：DN100
管道数量：两根
两支架间距：6米
一、管道重量由三部分组成：按设计管架间距内的管道自重、满管水重及以上两项之合10% 的附加重量计算（管架间距管重均未计入阀门重量，当管架中有阀门时，在阀门段应采取加强措施）。

1、管道自重：
由管道重量表可查得，镀锌钢管 DN100: 21.64Kg/m，支架间距按6米/个考虑,计算所得管重为：
f仁21.64*6kg=129.84kg*10=1298.4N
2、管道中水重
2 2
f2= n r p 介质1=3.14*0.106 *1000*6kg=211.688kg=2116.88N
3、管道重量
f=f1+f2+（f1+f2）*10%=3756.81N
4、受力分析
根据支架详图，考虑制造、安装等因素，系数按 1.35考虑，每个支架受力为：
F=3756.81*1.35/2=2535.85N
假设选取50*5等边角钢（材质为Q235做受力分析试验
分析过程：
1、支架建立
1）在REVIT导出要进行分析的支架剖面，然后打开solidworks软件，打开保存好的CA支架剖面图；
2）通过草图绘制工具绘制支架轮廓；
3）通过插入-焊件-结构构件选择50*5等边角钢，并在绘制好的轮廓图上依次描图（如果没有需要的型钢号，可以下载国标型钢库放在 solidworks指定的文件夹）；
绘制型钢轮廓型钢的选择支架建立
4）赋材质：对支架模型赋予普通碳钢材质；
2、支架加载
1）定义受力面：对横担的水管投影区域进行分割，便于为下一步载荷选择指定面（我们等效管道的作用力集中在水平中心截面）；
2）边界条件、载荷的定义：对支架的上端进行固定，保证在力的加载过程中不晃动，对支架进行加载，力的大小为2535.85N;
定义受力面力的加载
3、受力分析
从图中可以看出屈服力大小为220.594MPQ而最大应力只有164.125MPQ最大应力小于屈服力的大小，型钢处于弹性应力应变阶段。

1）应力、应变关系如下：
绘制成应力应变曲线图如下：
从图中可以看出，应力/应变曲率变化不明显，处于弹性应力应变行为阶段，各部位均没有发生屈服现象。

由相关资料可查得50*5等边角钢的抗拉强度（T b=423MPa抗剪强度c r= c
b*0.8=338.4MPa，型钢吊杆拉伸强度小于它的抗拉强度，型钢横担小于它的抗剪强度，所以50*5等边角钢可以满足使用要求。

2）危险部位应力分析
图中的蓝色区域为支架应力最大的地方，也即该处最容易发生变形与开裂，在设计中应对有较大变形的地方，解决办法有两个：1、加固，可以通过增加肋板来加固，在型钢焊接的地方更应该满焊以此增大接触面，从而减小开裂的可能；2、通过选择更大规格的型钢
来试验，直到满足设计要求为止。

通过上述例子，如果我们选择 40*4的等边角钢来试验，通过计算和分析校核，发现可以满足使用要求，从而更加节省了型钢的用量。

以上分析只考虑了垂直方向的载荷，实际上对于有压管道，同时存在水平方向的受力，所以我们分开单独分析一下。

、支架水平方向受力
1 ）补偿器的弹性反力R （仅适用于热力管道）
当管道膨胀时，补偿器被压缩变形，由于补偿器的刚度（对于套筒式补偿器，则由于填料的摩擦力作用），将产生一个抵抗压缩的力量，这个力是通过管道反作用于固定支架，这
就是补偿器的弹性反力，轴向型波纹补偿器的弹性反力H:
-1
R<=AX- Kx- 10 （kg）
式中 A X—管道压缩变形量（即管道的热伸长量）（mm）
Kx —补偿器轴向整体刚度）（N/mm）
其他各类补偿器可通过不同公式计算得出。

2）不平衡内压力Pn （仅适用于热力管道）
当在两个固定支架间设置套筒式及波纹补偿器时，而在其中某一固定支架的另一侧
装有阀门、堵板或有弯头时，且当阀门关闭时，由于内压力的作用，将有使补偿器脱
开、失效或损坏的趋势。

为了保护补偿器，要求固定支架有足够的刚度和强度，这个力
就是管道的不平衡内压力。

Pn=P • A（kg）
式中P o—热介质的工作压力（kg/cm2）
A—按套筒式及波纹式补偿器外径计算的横截面积（cm2
当支架布置在两不同管径之间时：
Pn=P • （AiA）（kg）
式中A—直径较大者补偿器横截面积（cm2
A—直径较小者补偿器横截面积（cm2）
3）管道移动的摩擦力：Pm
Pm=jx qL
式中卩一管道与支撑间的摩擦系数
卩的取值一般为：钢与钢滑动接触取 0.3
钢与钢滚动接触取0.1
管道与土壤接触取0.4〜0.6
q —计算管段单位长度的结构荷重，N/m
L—管段计算长度,m
当水平管道位移方向与原管道轴线方向成斜角时，摩擦力可分解为由轴向力Pm（及横向力Pmh且可近似取Pm0=Pmh=0.7Rm
三、其他影响因素
1、管道上带有阀门的管道固定支架受力分析
⑴作用于90°弯管的内压轴向推力计算
在流体力学中，对于解决流体与管壁之间的作用力时，应用动量方程。

如图1所示, 对于一个水平放置的90°弯管而言,流体作用于弯管的合力R可由Rx与Ry合成,当弯管的流动截面不变，并不计阻力损失时，则
Rx =Ry =P • f + p • Q - V
合力 R=(P・ f + p • Q- V) • cos45°
作用于90。

弯管的分角线上。

Rx与Ry正是作用于延伸两方固定支架上的内压轴向推力。

式中:P —弯管内介质的工作压力,Pa ;
f —弯管的截面积,m2 ;
p —弯管内介质的容重,kg/m3 ;
Q —弯管内介质的流量,m3/s ;
V —弯管内介质的流速，m/s
⑵方形补偿器的内压轴向推力计算：
根据图2所示，方形补偿器可看成是由4个90°弯管对接组成如⑴所述，每个转弯处流体对弯管都存在作用力,每处作用力的合力记为R1、R2、R3、R4 ,由理论力学可知，R1 和R4可合成为R14 , R2和R3可合成为R23 ,而R14与R23大小相等,方向相反,且作用于同一直线上，它们是互相平衡的。

即方形补偿器由于内压产生的作用力，在其自身就已平衡，不会形成对固定支架的轴向推力。

⑶虚线方框内固定支架的轴向推力计算
a.原设计管线虚线方框内固定支架的轴向推力计算
由图2可知方形补偿器对固定支架不会形成轴向推力，根据固定支架所承受水平推力
的三项(即摩擦反力Pm、各种补偿器的弹性反力Pk、不平衡轴向内压力Pn)可知，该固定支架的轴向推力F1可用下式表达(此时Pn =0)。

F1 =1.5 • k •卩• q1 • L1 +Pk1 -0.7 • (1.5 • k •卩• q2 • L2 +Pk2)
式中:q1、q2 —计算管段的管道单位长度重量，N/m ;
L1、L2 —计算管段的长度,m ;
k —牵制系数；
卩一管道与支架间的摩擦系数；
Pk1、Pk2 —补偿器的弹性力，N
b.增设阀门后管线虚线方框内固定支架的轴向推力计算（阀门关闭后）
当阀门打开时，固定支架的轴向推力计算方法与F1相同，阀门关闭时，根据上述可知此时固定支架的轴向推力F2可用下式表达：
F2 =1.5 • k •卩• q1 • L1 +Pk1
从上述两式可以看出 F2比F1多一项0.7 • （1.5 • k •卩• q2 • L2 +Pk2）。

因此增设阀门后，当阀门关闭时，固定支架轴向推力增大。

2、管道打压未采取支撑措施固定支架的受力分析（两个施工单位分段施工、分段打压而未采取支撑措施）
a.原设计管线固定支架（中间的）的轴向推力计算
该固定支架仅承受卡箍式柔性管接头的弹性反力 Pk o
即 F1 =Pk o
b .管道打压时未采取支撑措施，固定支架（中间的）的轴向推力计算
当管道打压时，根据对每一个工程实例的分析可知，此时该固定支架的轴向推力F2可用下式表达：
F2 =Pk +Pn
从上述两式可以看出F2比F1多一项不平衡内压力Pn ,而Pn的计算公式为：
Pn =P • f
⑴在实际工作中，使用项目若要对原有管线增设阀门、弯头等附件时，必须对附近的固定支架进行轴向推力验算，因为这时固定支架除了承受原有的轴向推力外，还要承受由于系统变化（如:增设阀门）所产生的附加轴向推力，否则将会导致固定支架损坏等事故。

⑵各项目在管道试压过程中，特别是一条管线多个单位施工，分段施工、分段试压时，必须对试压封头附近的固定支架轴向推力进行验算，一般情况下，都必须采取外力支撑来
抵抗这个轴向推力，否则将会发生事故，造成经济损失。

参考资料：
《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》
《03S402室内管道支架及吊架图集》
《钢结构设计规范》-新规范2014。