大跨度管道支架不同支撐形式的受力比較

梁定益

(海南省建筑設計院，海南?？?571100)

管道支架在管道敷設的地方都會用到，尤其在冶金、化工、機械、電力、煤炭等各種工業廠區當中，涵蓋面極其廣泛［1，2］。管道支架作為管道的支承結構，根據管道的運轉性能和布置要求，管架分成固定和滑動兩種。在工業中，多個專業的管道如熱力、燃氣、給排水的管道經常會并排在一個管道支架上，或者由于廠區改造工程等原因，導致出現大跨度管道支架的情況。支架支撐形式一般有:交叉支撐、人字和V形交替支撐、人字支撐(見圖1)。由于支撐與柱的夾角宜為35°～55°，在這個條件限制下，大跨度管道支架使用交叉支撐就會使柱子在支架平面內的計算長度增加很多，在柱子長細比限制及受力條件下，柱子斷面將會增大;這不僅使支架用鋼量增加，對柔性支架的受力會產生不利影響。因此大跨度管道支架宜使用人字和V形交替支撐、人字支撐這兩種支撐［3-8］。

1 工程簡介

某鋼廠有一趟大跨度管道支架，上面布置為一層多管，且管徑均較大，取其中一柔性單片支架進行水平受力計算分析。已知該工程地處7度設防區，支架跨度8 m，高16 m，支架頂部受水平荷載標準值為40 kN。現分別設計人字和V形交替支撐、人字支撐兩種形式的大跨度管道支架，對二者的計算結果進行比較分析。

圖1 常用支架支撐形式

2 建立模型

為了更直觀的比較兩種支撐形式對管架受力的影響，因此擬定支架柱及橫梁均為同樣斷面。人字和V形交替支撐按受拉構件設計，人字支撐按受壓構件設計。根據GB 50709-2011鋼鐵企業管道支架設計規范的規定，7度設防時的管道支架支撐長細比限值按受拉桿設計時為300，按受壓桿設計時為200。按此限值初步選定人字和V形交替支撐為∠90×6(長細比為283＜300)，人字支撐為十字組合等邊角鋼2∠90×6(長細比為161＜200);兩種形式的管道支架構件及受力簡圖見圖2。

圖2 支架計算簡圖

圖3 支架應力比圖

3 結果分析

經計算，在支架頂部水平力40 kN作用下，兩種支撐形式的支架構件應力比見圖3，節點位移見圖4。人字和V形交替支撐應力比最大值為0.5，支架位移呈彎曲形，最大節點位移為頂部9.5 mm，與支架高度比值為1/1 684，遠小于限值1/400;人字形支撐應力比最大值為0.36，支架位移亦呈彎曲形，最大節點位移為頂部2.8 mm，與支架高度比值為1/5 714，亦遠小于限值1/400。因此，兩種支撐形式的支架均滿足應力比及位移限值要求。

4 結果比較

圖4 支架節點位移圖（單位：mm）

1)從受力角度來說，兩種支架在柱頂水平力作用下，柱及橫梁應力比十分接近，基本相同;而支撐的最大應力比人字和V形交替支撐為0.5，人字形支撐為0.36。兩者均滿足受力要求，但前者比后者在受力上應力使用的更充分。2)從變形的角度來看，人字和V形交替支撐支架的最大節點位移與支架高度比值為1/1 684，人字形支撐支架的比值為1/5 714，雖然前者的最大節點位移是后者的3.4倍，均滿足1/400的位移限值要求。3)就經濟的角度來說，人字和V形交替支撐的用鋼量僅為人字形支撐用鋼量的50%，由此得出前者更能節省工程造價。4)從適用性的角度來說，人字形支撐支架不僅適用于單層管道，也適用于雙層甚至多層管道支架，故人字形支撐支架適用性更加廣泛。

5 結語

實際上，大跨度支架不僅僅在工業中的管道支架中被用到，在民用建筑乃至體育場館等設計中都會涉及到。如在民用建筑中的鋼與混凝土組合結構中，由于跨度一般情況下都會大于層高，那么支撐的設置就與本論文所述的情況相符合。因此，在大跨度的情況下，在受力、變形、經濟和使用等多方面條件限制下，做好支撐形式的選擇是很有必要的。

［1］滕文川，朱彥鵬.工業系統管道支架的整體分析［D］.蘭州:蘭州理工大學，2011.

［2］張 偉.熱力管道架空支架設計方法研究［D］.北京:北京交通大學，2009.

［3］GB 50017-2003，鋼結構設計規范［S］.

［4］GB 50709-2011，鋼鐵企業管道支架設計規范［S］.

［5］丘 平.管道支架設計若干問題淺議［J］.石油化工設計，2010(4):9-11.

［6］周敬東，吳 磊.鋼結構架空管道支架的設計［J］.工程建設與設計，2010(8):58-60.

［7］劉文遐.綜合管道支架的設計改進［J］.內蒙古電力技術，2007(2):112-115.

［8］馮 雙，王 燕，劉偉學.大型鋼結構管道支架的設計［A］.第九屆全國現代結構工程學術研討會論文集［C］.2009.