架空管道鋼結(jié)構(gòu)支架設(shè)計

張興成（重慶市市政設(shè)計研究院，重慶市　江北區(qū)　400020）

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架空管道鋼結(jié)構(gòu)支架設(shè)計

張興成（重慶市市政設(shè)計研究院，重慶市江北區(qū)400020）

架空管道的支承系統(tǒng)一般包括單片支架、固定支架、搖擺柱支架、桁架、附屬檢修平臺等。過去由于系統(tǒng)較簡單，在大多數(shù)情況下支架高度有限，管道系統(tǒng)也不甚復(fù)雜，因此為了節(jié)省投資，采用混凝土的支架、支墩居多。在現(xiàn)代工業(yè)建筑中，由于系統(tǒng)的發(fā)展和工藝設(shè)備的改進，管道系統(tǒng)較之前復(fù)雜，高支架增多。架空管道采用鋼結(jié)構(gòu)支架支承已經(jīng)非常普遍，在冶金工業(yè)建筑中，架空管道支架的規(guī)模大，系統(tǒng)也比較復(fù)雜，為了適應(yīng)跨道路，跨溝壑的大跨度要求，鋼結(jié)構(gòu)桁架的應(yīng)用也越來越多。本文重點討論架空管道鋼結(jié)構(gòu)支架的設(shè)計問題。

支架；桁架；鋼結(jié)構(gòu)

1　概述

架空管道在冶金、礦山、化工、港口碼頭等行業(yè)應(yīng)用比較普遍。特別是現(xiàn)代的大型煉鐵廠、煉鋼廠中，燃?xì)夤艿馈崃艿馈⒔o排水管道較多，管線長度長，經(jīng)過的場地地形地貌變化較大，如何設(shè)計出安全可靠的架空管道支架，給土建結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了課題。

以下將根據(jù)筆者在實際工程設(shè)計中的體會，討論鋼結(jié)構(gòu)的架空管道支架、桁架的設(shè)計問題。

2　支架的結(jié)構(gòu)布置及形式

管架是支持工藝及各設(shè)備專業(yè)管道的支承結(jié)構(gòu)，其間距一般根據(jù)工藝專業(yè)提供的資料確定，且必須滿足各設(shè)備專業(yè)對管道最大跨距的要求。當(dāng)管道需要跨越河流、公路、鐵路、建（構(gòu)）筑物時，支架最大間距可達60m或以上；此時一般在支架間設(shè)置桁架實現(xiàn)跨越，桁架中間設(shè)置管道的豎向支承點。管道系統(tǒng)縱向一定間距應(yīng)設(shè)置固定支架，以抵抗縱向水平荷載；其余位置設(shè)置單片支架，個別位置可設(shè)置單立柱的搖擺支架。

3　支架設(shè)計

3.1管架分類及選型

管架是管道的支承結(jié)構(gòu)，分為固定管架、單向活動管架、雙向活動管架及組合式管架等。

固定管道支架在縱向（沿管道方向）及橫向均視為管道的不移動支點。因此，固定管道支架應(yīng)有足夠剛度，以保證管道系統(tǒng)的穩(wěn)定。固定管架上的管道，一般采用固定管托（若有不固定的管托時，管托形式由工藝專業(yè)決定）。

單向活動管道支架一般設(shè)計為沿管道縱向可伸縮變形，管道橫向不可變形，縱向的變形量應(yīng)根據(jù)設(shè)備專業(yè)資料的要求確定。單向活動管道支架可設(shè)計為剛性、柔性和半鉸接的構(gòu)造形式。

雙向活動管道支架允許管道沿平面內(nèi)任意方向變形。雙向活動管道支架可設(shè)計為搖擺管架、雙向滑動管架和搖動吊梁管架。

管道跨越河流、山谷、鐵路、公路以及其他建筑物而跨距超過允許值時，或因管徑較小設(shè)立的管架數(shù)量過多而不合理時，可設(shè)置桁架實現(xiàn)跨越。

支架寬度根據(jù)工藝和設(shè)備專業(yè)資料的管道布置和計算確定，也可按照支架高度的1/8～1/12進行估算，還應(yīng)注意避開地上、地下設(shè)備管線的位置。當(dāng)支架高度不大于10m時，支架頂部和底部同寬；當(dāng)支架高度大于10m時，可采用上小下大的梯形樣式。

當(dāng)支架高度不大于10m時，其立柱截面優(yōu)先采用熱軋H型鋼或熱軋工字鋼；當(dāng)支架高度大于10m時，宜采用焊接H型鋼；支架的橫梁優(yōu)先采用熱軋H型鋼，也可采用焊接H型鋼；支撐采用角鋼制作，當(dāng)立柱斷面高度不大于300mm時，可設(shè)單片支撐，當(dāng)大于300mm時，宜設(shè)置雙片支撐。當(dāng)固定支架（由兩片單片支架和垂直支撐、橫梁組成）高度大于10m時，宜沿豎向不大于5m且不超過兩個垂直支撐的節(jié)間高度設(shè)置一道水平支撐，以增強固定支架的整體性和抗扭轉(zhuǎn)能力。

3.2荷載

恒載：①管道重（包括管道、內(nèi)襯、保溫層、管道附件等）；②介質(zhì)重；③管架重。

活荷載：①檢修平臺上活荷載；②灰荷載；③管內(nèi)沉積物；④試壓水。

水平推力：①管道補償器的彈性力；②介質(zhì)壓力作用下的管道盲板力或鼓壁力；③活動管架的管道摩擦力或管架位移反彈力。

風(fēng)荷載：①管道上的風(fēng)荷載；②管架上的風(fēng)荷載。

地震作用。

特殊荷載：事故水。

其他荷載：①冰雪荷載，在寒冷地區(qū)，當(dāng)管壁溫度在0℃以下時，應(yīng)按具體情況考慮；②預(yù)留荷載。

3.3支架結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

支架的計算應(yīng)采用不完全鉸接的平面桿系進行內(nèi)力分析。結(jié)構(gòu)計算可手算或采用PKPM的STS支架計算模塊進行計算分析。根據(jù)支架所承受的豎向和水平力，按照密封試驗時充滿水和完全中空時兩種極端計算狀態(tài)，這兩種狀態(tài)下都應(yīng)考慮下列兩種組合：

（1）垂直荷載+地震作用+風(fēng)荷載。

（2）垂直荷載+風(fēng)。

3.4計算簡圖

管道支架計算簡圖一般簡化為平面結(jié)構(gòu)體系；固定支架也可簡化為兩榀單片支架，再用縱向的橫梁和垂直支撐連接為空間受力體系。單片支架的立柱計算長度可取立柱高度的1.25倍。固定支架的立柱計算長度可取垂直支撐所劃分的長度。十字交叉支撐可假設(shè)為單拉桿計算，計算長度按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定計算（如圖1）。

3.5節(jié)點構(gòu)造

支架橫梁與柱的鉸接：此構(gòu)造的優(yōu)點是梁和柱的連接構(gòu)造簡單，橫梁為一整根型鋼，橫梁下翼緣與柱頭端鋼板焊接，橫梁可以很方便的左右懸挑；支架橫梁與柱連接節(jié)點在STS計算分析時，應(yīng)將柱頂點鉸接，柱間交叉支撐設(shè)置為單拉桿。

圖1

支架柱腳采用插入式柱腳構(gòu)造時，計算可假定柱腳為剛接；當(dāng)柱腳采用螺栓連接時，一般設(shè)計為鉸接，計算時可假定柱腳為鉸接。

4　管架體系中的桁架設(shè)計

4.1桁架結(jié)構(gòu)的組成和型式

桁架結(jié)構(gòu)一般由平面桁架、上、下弦水平支撐、垂直支撐、檢修平臺、過跨梯組成。

桁架的結(jié)構(gòu)型式根據(jù)計算和工藝、設(shè)備專業(yè)的不同要求，可采用不同的型式，如圖2為單斜腹桿桁架，圖3為人字形斜腹桿桁架。

圖2

圖3

桁架的高度：取決于桁架跨度和它所承受的管道荷載。桁架高跨比一般可取1/10～1/16。常用跨度為10～20m左右，最大跨度可達30以上。

4.2桁架結(jié)構(gòu)計算分析

（1）進行桁架計算分析時，可將荷載按照桁架節(jié)點集中荷載計算，并假定節(jié)點為理想鉸接點，利用圖解法或數(shù)解法計算桁架桿件的軸心內(nèi)力。

（2）桁架上弦桿的節(jié)間荷載產(chǎn)生的局部彎矩計算方法：

端節(jié)間的正彎矩可取為弦桿按照單跨簡支梁計算的最大彎矩的0.8倍；中間節(jié)間的正彎矩和節(jié)點負(fù)彎矩可取為節(jié)點兩邊弦桿按照單跨簡支梁計算的最大彎矩的0.6倍。

其中M相應(yīng)節(jié)點作為單跨簡支梁計算的最大彎矩。

（3）必要時可將桁架按空間桿系結(jié)構(gòu)模型進行整體分析復(fù)核。

4.3桁架桿件截面

4.3.1截面型式

桁架上弦桿一般采用單角鋼，對于跨度較大的管道體系，可采用雙角鋼組合截面、槽鋼或H型鋼截面。

下弦桿一般采用單角鋼，角鋼布置為肢尖向內(nèi)、向上，對于大跨度桁架可采用H型鋼。

端豎桿：一般采用寬翼緣焊接h型鋼，并使截面強軸平行桁架跨度方向。

中間豎桿、斜腹桿及立撐一般采用單角鋼直接與上、下弦相焊，但大跨度桁架則應(yīng)根據(jù)計算要求，采用連接板連接。

上、下弦水平支撐采用單角鋼通過連接板與上下弦相連。

4.3.2桿件截面計算

根據(jù)桁架內(nèi)力分析所得的內(nèi)力對桿件進行截面設(shè)計；對于減小弦桿平面外計算長度的支撐體系一般按桿件的長細(xì)比確定。

桁架桿件設(shè)計為單角鋼時，在進行強度和穩(wěn)定計算時，應(yīng)按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定對強度設(shè)計值進行折減。腹桿與弦桿不設(shè)置節(jié)點板而直接焊接連接時，應(yīng)考慮焊縫落弧對弦桿截面的削弱影響；此外，還應(yīng)考慮腹桿重心線在上、下弦節(jié)點處的交匯點不在弦桿的重心線上所形成的附加彎矩所產(chǎn)生的附加次應(yīng)力。

4.3.3桁架的變形控制

桁架的跨中最大撓度值不應(yīng)超過跨度的1/500。

4.4管道支承桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)造

（1）桁架的制作分段，當(dāng)跨度不大于12m時不分段，大于12m時小于20m時分兩段，跨度在20m以上時分三段或三段以上，每段長不超過12m，每段之間應(yīng)采用等強拼接連接。

（2）桁架與支架的連接

桁架兩端的支承支架可以都是單片支架，也可以一端單片支架一端為固定支架。桁架可以通過兩端的立柱疊接于兩端支架的橫梁上，也可以用弦桿直接平接于兩端支架的立柱上。

5　結(jié)語

在管道支架的設(shè)計時，必須讀懂、吃透上游專業(yè)設(shè)計任務(wù)書的意圖和對土建專業(yè)的要求，合理布置支架的平面位置，使各支架較均勻的分擔(dān)管道系統(tǒng)的水平荷載，荷載的取值及其組合值盡可能符合實際；截面設(shè)計應(yīng)滿足強度、穩(wěn)定要求，盡可能選擇截面回轉(zhuǎn)半徑大的截面形式。

［1］《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017-2003）.中國計劃出版社，2003.

［2］《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》（GBJ50191-2012）.中國計劃出版社，2012.

［3］《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）.中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［4］李星榮，等.《鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點設(shè)計手冊》.中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［5］《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》編輯委員會.《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》.中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［6］魏明鐘，主編.鋼結(jié)構(gòu).2000.

張興成（1980-），男，中級，大學(xué)本科，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

TU391

A

2095-2066（2016）13-0177-02

2016-4-10