架空熱力管道特殊跨越桁架設計探討

張莉娟

摘要：架空熱力管道在遇到過河、過街等特殊跨越時經常會用到鋼桁架結構。鋼桁架由于質量輕、抗震性能好、可跨越的距離大，在熱力管網的特殊跨越中得到廣泛應用。文章通過對桁架結構的分析，提出了桁架結構設計的優化方案。

關鍵詞：架空熱力管道；鋼桁架；縱向受力桁架；水平支撐桁架；特殊跨越桁架 文獻標識碼：A

中圖分類號：TE973 文章編號：1009-2374（2015）13-0020-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.13.010

架空熱力管道在遇到過河、過街等特殊跨越時經常會用到鋼桁架結構。鋼桁架由于質量輕、抗震性能好、可跨越的距離大，在熱力管網的特殊跨越中得到廣泛應用。本人針對鋼桁架在施工圖設計及現場安裝過程中常常遇到的情況及問題做了以下總結。

1 特殊跨越桁架的結構體系

特殊跨越桁架結構實際上是一個空間結構體系，它通常由兩榀縱向受力桁架和上弦、下弦水平支撐系統

構成。

縱向受力桁架由上弦桿、下弦桿和及腹桿組成，承受頂部和底部橫梁傳來的豎向荷載。上弦桿和下弦桿是能夠拼接的連續桿。腹桿通過節點板與上下弦連接。桁架的上弦桿、下弦桿及腹桿一般采用H型鋼、槽鋼或角鋼背靠背設置，跨度大時也常采用鋼管。節點分格通常按照等分原則按偶數劃分，間距在2.2～2.5米左右。桁架上下弦桿和腹桿之間的角度一般控制在35°～55°。

上下弦水平支撐桁架通過水平支撐及橫梁連接，形成水平方向桁架，傳遞水平荷載。水平支撐應采用交叉型腹桿，可以更好地承受側向傳來的水平荷載，交叉腹桿的角度通常控制在40°～50°比較合適。

縱向桁架和水平桁架共同組成空間受力體系。因為在特殊跨越桁架的內部要考慮支撐管道和供工作人員檢修和通行，無法設置交叉支撐，所以這個空間桁架是可變體系。為了防止風荷載作用下上、下弦水平桁架產生錯動，保證橫向剛度和側向穩定，在桁架的端部應設置門型封閉剛架。此剛架作為上弦和下弦水平支撐桁架的支點，將傳來的水平力傳給支座。

2 特殊跨越桁架構件設計

2.1 縱向受力桁架構件設計

縱向受力桁架構件通常采用型鋼或鋼管，因為縱向受力桁架與平面外水平支撐桁架的分格是一樣的，不妨將其平面內外的計算長度取相同值，均為0.9L，L為腹桿。除了在端部和有支點的位置采用封閉剛架的桿件兼做直腹桿之外，其他部位均按照縱向受力桁架的計算內力進行設計。在計算桁架上弦桿和下弦桿的設計內力時注意，不僅要考慮受力桁架的計算結果，尚應將上弦、下弦水平支撐桁架在風荷載作用下產生的最不利內力疊加進去。

2.2 水平支撐桁架構件設計

水平支撐桁架的上弦桿、下弦桿和縱向受力桁架的設計方法是一樣的，根據水平支撐桁架的計算結果設置交叉腹桿，交叉腹桿應按受拉桿件設計；豎直腹桿的軸力，除了在端部和有支點的位置采用封閉剛架的桿件兼做直腹桿之外，其他部位均按照水平支撐桁架的計算內力進行設計。同時，還要將直接承受管道荷載所產生的彎矩和剪力加上，并按壓彎構件計算。為了提高構件的抗彎能力，水平支撐桁架的直腹桿宜選用工字鋼或

鋼管。

2.3 封閉剛架構件設計

端部門型封閉剛架的構件可按框架進行內力計算，并按壓彎構件設計。橫梁和鋼立柱通常采用工字鋼、H型鋼或大直徑鋼管，構件的平面外計算長度可以以構件的幾何長度取值。底部支承桁架的柱可以采用鋼柱或混凝土柱，柱腳在平面內外均應做成剛接。通常情況下，為避免特殊跨越桁架在地震或其他偶然荷載作用下，沿縱向伸縮時產生的對于支承柱的附加彎矩或產生的位移差引起的破壞，可將特殊跨越桁架的支座一端做成固定鉸支座（支座開圓孔），另一端做成可沿桁架縱向自由滑動的支座（開長圓孔）。這樣可使桁架對其下部支承柱在平面外幾乎沒有約束作用，該柱在平面外的計算長度可按懸臂柱計算，取2.0L。

3 用正確計算模型分析縱向桁架

在應用PKPM軟件進行鋼桁架設計計算時，應注意以下六點：（1）桁架結構桿件的選用。桁架結構的計算模型為一邊簡支、一邊固定。在模型輸入時應將桁架所有的節點包括支座桿件全部設置為“鉸”，所有構件均為鉸接構件，否則計算出的內力是不準確的；（2）在桁架結構模型中選用桿件時，所有桿件均應設置為柱，沒有梁，所有的荷載（包括作用上弦桿、下弦桿上的豎向荷載、水平荷載、風荷載等）應全部作用在節點位置，不能加在柱上；（3）計算時，上弦桿和下弦桿平面內的計算長度系數通常取-1，平面外計算長度按照水平支撐間距的大小來取值；（4）根據規范《鋼結構設計規范（GB50017-2003）》第8.4.5條規定，分析桁架桿件內力時，可將節點視為鉸接。當桁架桿件為H形、箱形等剛度較大的截面，且在桁架平面內的桿件截面高度與其幾何長度（節點中心間的距離）之比大于1/10（對弦桿）或大于1/15（對腹桿）時，應考慮節點剛性所引起的次彎矩；（5）在計算中，在總信息參數中，鋼柱計算長度系數計算方法項應勾選無側移桁架的計算方法；（6）地震作用的計算：計算原則符合下列條件的支承結構，可不進行抗震驗算，但應采取抗震措施。6度區；7度硬、中場地時鋼支承結構；7度或8度硬、中硬場地和9度硬場地土的鋼支承結構。其他桁架支承結構，應按主軸方向（縱向與橫向）分別計算地震作用。地震烈度8度、9度，跨度≥24m的桁架應計算豎向地震作用。9度時，尚應考慮豎向地震作用與水平地震作用的不利組合。

4 桁架的桿件截面的優化設計

目前，在鋼桁架的設計中，其桿件普遍采用角鋼、槽鋼或工字鋼，它們都是單軸對稱，在計算時大多需要設計人員手工復核桿件平面外強度和穩定；采用型鋼的桁架在節點處的設計和安裝也比較復雜，為了計算簡便和方便施工，設計時通常在同一個單元內的桿件會選用同樣的截面，也造成了一定的浪費。在桁架設計中可以用方鋼管或圓鋼管桁架代替傳統的型鋼桁架，主要有以下三個方面的優勢：（1）鋼管管壁比較薄，回轉半徑大，對稱截面使得截面材料繞中和軸分布的非常均勻，具有非常好的抗壓和抗彎扭性能及較大的剛度和較好的穩定性。閉合的截面與有局部懸挑板件的開口截面（H型鋼、工字型鋼）相比，結構整體性好，扭轉剛度大，承載能力好，更能充分發揮材料性能；（2）在相同截面積的情況下，鋼管的表面積較小，與空氣的接觸面積也較小，同時鋼管的兩端通常都是封閉的，這樣就避免了鋼管內部生銹的問題，減少了防腐防火涂料的涂刷面積。而且比開口截面更容易清潔、油漆，維護更為簡便；（3）鋼管外表美觀，制作簡單、加工便利、安裝容易。

綜合以上優點可見，鋼管結構在鋼桁架結構形式中可以作為優先選用的基本結構形式之一。

5 結語

本文通過對架空熱力管道鋼桁架結構體系、結構計算方法的分析，指出在特殊跨越桁架設計中應注意的問題，并提出了相應的優化措施，希望能對此類工程的設計提供一點借鑒。

參考文獻

[1] 陶帆，陳思源.獨立式架空熱力管道滑動支架優化設計與方案比較[J].特種結構，2004，（1）.

[2] 高天，班春艷.城市集中供熱管網設計的探討[J].煤氣與熱力，2001，（2）.

[3] 馬鳴.供熱管道支架設計初探[J].大連大學學報，2005，（2）.

[4] 石永春，劉劍鋒，王文娟.管道內檢測技術及發展趨勢[J].工業安全與環保，2006，（8）.

[5] 袁立方.熱力管道設計中的應力分析[J].廣西輕工業，2009，（7）.

（責任編輯：周 瓊）endprint