某鋼廠外部管網(wǎng)設計分析

王 靜

(中冶南方工程技術有限公司，湖北武漢 430223)

1 工程簡介

該工程包括水道、通風、燃氣及熱力等專業(yè)的多根管道的支架設計，由于管道眾多、空間有限、已有基礎、道路及管網(wǎng)交錯縱橫，因此管道支架采用格構式支架與桁架相結合的形式;所有管道的支點均支撐在支架或桁架上，支架及桁架主要采用熱軋型鋼，部分采用焊接型鋼。該工程抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.15g，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，特征周期值為0.35 s，結構抗震設防類別為丙類，抗震等級為四級。

2 支架設計

2.1 支架形式及受力特點

該工程采用固定支架、滑動支架、半鉸支架與桁架相結合的形式。固定支架及滑動支架均采用四肢格構式、半鉸支架采用二肢格構式。對于四肢格構式支架，為保證支架的空間整體作用，增加支架的剛度，在直接支撐管道的平面內應設置水平支撐，同時，在支架中部每隔5 m，6 m高度處應增設水平支撐。半鉸支架若超過6 m，應在支架中部適當?shù)奈恢迷O置水平支撐。

固定支架:管道采用固定管托敷設于管道支架上，支架承受管道的垂直荷載、沿管線方向水平推力、垂直管線方向水平推力及風荷載，作用在管道支架上的水平推力及風荷載作用點應取管道斷面中心。滑動支架:管道采用滑動管托敷設于管道支架上，支架承受管道的垂直荷載、沿管線方向水平摩擦力、垂直管線方向水平摩擦力。水平摩擦力作用點位置，采用上滑式管托時，取管道外徑的最低點;采用其他形式管托時，取支撐管道的橫梁頂面。管道風荷載包含在垂直管線方向水平摩擦力中，如果管道風荷載大于垂直管線方向的水平摩擦力，該管系設計有問題。半鉸支架:半鉸支架的柱腳沿管線方向與基礎鉸接，柱頂與管道焊接。支架承受管道的垂直荷載、風荷載，風荷載作用點應取管道斷面中心。半鉸支架應以支柱的傾斜適應管道變形的要求，不應出現(xiàn)相對位移，管架傾斜度不應大于2%。桁架:根據(jù)結構需要桁架采用上承式或下承式兩種形式。由于鋼對鋼滑動時摩擦系數(shù)取0.3，鋼對鋼滾動時摩擦系數(shù)取0.1，為了減小水平摩擦力，桁架與支架一端采用滾動支座連接。滾動支座的滾軸在長時間使用過程中容易生銹，阻礙滾軸滾動，因此應定期檢查并更換支座。桁架計算時，結點均假定為鉸結點，荷載和支座反力都作用在結點上。

2.2 支撐橫梁、管托及檢修平臺

管道支架橫梁一般按雙向受彎構件進行強度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定及變形計算;當梁承受的軸力較大時，尚應按偏心受壓構件進行強度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定計算。管道支承梁一般用工字鋼和H型鋼，必要時用箱形梁。工字鋼和H型鋼的抗拉、抗壓、抗彎性能好，但抗扭性能差;箱形截面的抗側向彎曲剛度和抗扭剛度遠遠大于工字形截面，整體穩(wěn)定性很強。固定支架、滑動支架上的管道對支承梁有較大的水平力，讓支承梁處于受扭狀態(tài)，故該工程支撐梁多為箱形鋼，受荷較小處則采用工字鋼或H型鋼。支撐梁與柱采用剛性連接，有效的減小了支撐梁跨中彎矩，從而減小了梁截面。若支撐梁寬度小于管托寬度+50 mm，須將橫梁面加寬。管道一般通過管托與支撐橫梁連接，管托基本上是軸心受壓構件或偏心受壓構件，管托的有效高度取為100 mm～200 mm，也可根據(jù)實際情況適當調整。管托可分為:固定管托、雙向滑動管托、單向滑動管托、鉸接管托及擋板式管托等。采用下滑式管托的管道支架，應采取防止管托滑落于梁側的措施。對敷設于頂層橫梁上的管道為防止滑落，可設置防震短柱、防震擋板，或設置防震管卡。該工程管托采用固定與滑動兩種形式，通風專業(yè)管道采用聚四氟乙烯支座(即在鋼板之間的滑動面上涂上聚四氟乙烯材料)，有效減小了傳給支架的水平摩擦力(聚四氟乙烯支座滑動摩擦系數(shù)在0.1以下)，支架用鋼量與基礎混凝土用量均有所降低，支架做的相對小巧而美觀。雖然聚四氟乙烯滑板價格較高，但綜合起來工程造價也有所降低。其他專業(yè)管道由于摩擦力相對較小，管托均采用Q235-B鋼材。

檢修平臺是支架設計中極易被忽視的部分，由此造成的設計返工將耗費大量的時間與精力，因此做設計前應理清各專業(yè)資料，把檢修平臺與管道支架設計結合在一起考慮。

3 基礎設計

管道支架基礎分為獨立式基礎與聯(lián)合式基礎。對于固定支架及所有二肢格構式支架，宜采用聯(lián)合基礎;當柱肢距離較大，不能采用聯(lián)合基礎時，可采用分離式基礎。聯(lián)合基礎采用上部結構的整體荷載作為合力對基礎進行地基承載力驗算;分離式基礎采用各柱肢的荷載分別進行地基承載力計算，對于受拉柱肢的基礎應考慮拉力的作用。柱肢底部的拉力由基礎預埋錨栓承擔;柱肢底部剪力:當小于底板與基礎混凝土之間的摩擦力時，由摩擦力傳給基礎，摩擦系數(shù)應取0.4;當大于底板下的摩擦力時，鋼柱底需設置抗剪件，由抗剪件承受全部剪力;有可靠經(jīng)驗時，也可采用錨栓抵抗柱底剪力。由于支架基礎垂直荷載較小，彎矩相對較大，因此應嚴格控制基礎偏心矩，并相對深埋基礎，以免支架傾覆。該工程由于荷載較大，地基持力層較差，故采用樁基基礎，柱腳與基礎均為鉸接連接。

4 抗震設計

該工程抗震設防烈度為7度，支架應進行水平地震作用和作用效應計算，活動管道支架在管道滑動方向可不進行抗震驗算，但應滿足抗震構造要求。抗震設計時，應取合理的抗震計算單元，詳見參考文獻［2］第九章抗震設計的具體要求。水平地震作用點的位置，采用上滑式管托的獨立式管道支架，取管道外徑的最低點;固定支架，取管道的中心處;其他形式的管道支架取支撐管道的橫梁頂面。管廊式支架取支座的支承面處。

5 結語

管道支架是工廠設計中常見的結構形式，在鋼鐵工程中具有舉足輕重的作用。由于涉及的管道數(shù)量多，管線較長，且與其他結構構件(例如主廠房雨篷、道路等)關系復雜，因此總圖專業(yè)的準確定位、工藝專業(yè)管道的合理布置，結構支架的選型及構造都是極其重要的環(huán)節(jié)。在綜合考慮安全可靠、經(jīng)濟適用、美觀大方的條件下也可采用滾動及聚四氟乙烯支座。

［1］GB 50017-2003，鋼結構設計規(guī)范［S］.

［2］GB 50709-2011，鋼鐵企業(yè)管道支架設計規(guī)范［S］.

［3］《鋼結構設計手冊》編委會.鋼結構設計手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［4］GB 50191-2012，構筑物抗震設計規(guī)范［S］.