民用建筑燃氣管道應(yīng)力分析

古春雷

（深圳市市政設(shè)計研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

民用建筑燃氣管道應(yīng)力分析

古春雷

（深圳市市政設(shè)計研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

在民用建筑中，燃氣管道的設(shè)計是非常關(guān)鍵的一個要素和重點內(nèi)容之一。主要針對民用建筑燃氣管道的應(yīng)力展開了分析，通過七個方面對民用建筑燃氣管道的應(yīng)力分析作了詳細的闡述，以期能為有關(guān)方面的需要提供參考借鑒。

民用建筑；AUTOPIPE軟件；燃氣管道；應(yīng)力

1 概述

如今，燃氣管道的建設(shè)在民用建筑中十分廣泛，因此，如何有效地進行燃氣管道建設(shè)，做好受力方面的分析，得到了相關(guān)工作人員的高度重視。我們需要認真分析燃氣管道在沉降、自重、溫度變化影響下的變形、受力和應(yīng)力情況，以此為基礎(chǔ)進行燃氣管道的施工設(shè)計。基于此，本文就民用建筑燃氣管道的應(yīng)力進行了分析，相信對有關(guān)方面的需要能有一定的幫助。

2 AUTOPIPE應(yīng)力分析軟件介紹

AUTOPIPE是美國Bentley公司旗下的專業(yè)管道應(yīng)力分析軟件。它被廣泛地應(yīng)用于石油、石化、化工等行業(yè)，是以梁單元模型為基礎(chǔ)的有限元分析程序，可以用于分析計算當(dāng)一管道系統(tǒng)受到靜態(tài)及動態(tài)荷載時，系統(tǒng)所承受的應(yīng)力、荷載力及變形量，并根據(jù)ASMEB31系列以及其他國際標準進行應(yīng)力校核。本文在計算中采用ASMEB31.8輸氣和配氣管道系統(tǒng)規(guī)范并對管道應(yīng)力進行校核。

3 計算基礎(chǔ)條件

北京市高層住宅燃氣管道設(shè)計主要采用設(shè)置區(qū)域中低壓調(diào)壓箱，低壓進戶，下環(huán)上行的供氣模式。燃氣管道引入方式為室外地上引入，引入口設(shè)混凝土保護臺和閥門箱。管道材料在引入口穿墻處采用無縫鋼管焊接連接，室內(nèi)管道采用鍍鋅鋼管絲扣連接，每兩層設(shè)1個活接頭，每6層設(shè)1個分段閥門。本文在計算中考慮單廳引入供氣，每戶設(shè)一臺雙眼灶、一臺熱水器，經(jīng)水力計算，對于16層管系，1、2層立管管徑采用DN50，3～11層立管管徑采用DN40，12～16層立管管徑采用DN25；對于26層管系，1～3層立管管徑采用DN50，4～18層立管管徑采用DN40，19～26層立管管徑采用的是DN25；對于36層管系，1～5層立管管徑采用DN50，6～22層立管管徑采用DN40，23～36層立管管徑采用DN25。每層層高為2.8 m，戶內(nèi)支管管徑為DN15。為了便于計算，假定忽略各層套管對管道的約束；管系中所有支架、管卡均為剛性支架。

4 高層建筑沉降影響

建筑物建成后，都會有不同程度的沉降，雖然燃氣管道的施工一般在主體結(jié)構(gòu)基本完成后進行，建筑物沉降可以認為在施工過程中已完成了大部分，但高層建筑竣工后至其建成后的幾年內(nèi)的沉降量仍然不可忽視。經(jīng)AUTOPIPE應(yīng)力分析軟件計算，建筑沉降量分別在10 mm、20 mm、30 mm時的引入口受力、力矩及應(yīng)力情況，詳見表1、表2.

表1 引入口力和力矩

表2 引入口管道應(yīng)力

由上表看出，隨著建筑物層數(shù)增高，沉降量增大，燃氣引入口的管道應(yīng)力幾乎成線性增加。雖然上表計算出的引入口管道應(yīng)力與許用應(yīng)力之比（σ）都在0.5以下，但建筑物沉降都不是單獨發(fā)生，而是伴隨著管道自重、環(huán)境溫度變化同時進行的，因此在設(shè)計時必須與結(jié)構(gòu)專業(yè)明確沉降量范圍，嚴格按照規(guī)范采取相應(yīng)措施。

《城鎮(zhèn)燃氣規(guī)范》（GB 50028—2006）第10.2.17條規(guī)定：建筑物設(shè)計沉降量大于50 mm時，可對燃氣引入管采取如下補償措施：①加大引入管穿墻處的預(yù)留洞尺寸；②引入管穿墻前水平或垂直彎曲2次以上。

5 引入管穿墻前設(shè)置金屬柔性管或波紋補償器

其中第2條由于受樓前空間限制通常較難實現(xiàn)，而第1條則必須要保證，因為計算中發(fā)現(xiàn)，如果引入口穿墻套管尺寸過小，限制管道沉降，管道將無法承受建筑物通過套管施加的作用力，極易引起管道破壞。由于波紋補償器補償能力有限、安裝要求高，價格也高，因此多采用在引入口穿墻前的水平管段加金屬軟管的防沉降措施。

6 管道自重影響

高層建筑因立管較長，立管的自重和溫度變化引起的熱脹冷縮也比多層建筑大很多，設(shè)計中應(yīng)在燃氣立管的底部設(shè)置有效的承重支撐，每層設(shè)置1處管卡，限制立管道水平位移。以此為條件，本文應(yīng)用AUTOPIPE應(yīng)力分析軟件計算了16層、26層和36層燃氣管道在重力作用下的變形和應(yīng)力情況，詳見表3.

表3 不同高度管道自重影響

根據(jù)上表的計算結(jié)果，當(dāng)建筑高度達到36層，雖然燃氣管道的最大應(yīng)力并不是很大，但底部支架需要承受的重力已將近0.5 t，一般建筑設(shè)計中首層地面的荷載為0.5 t，二層及以上樓層地面荷載為0.2 t，可見如果燃氣管道繼續(xù)加高，將超過地面的允許荷載，必須分段支撐，并且為滿足管道柔性，兩固定支架中間需采取補償措施。

7 溫度變化影響

建筑環(huán)境溫度的變化將引起管道的伸縮變形和熱應(yīng)力，熱應(yīng)力的改善一般采取增加管道柔性、合理設(shè)置支吊架以及設(shè)置補償器等措施。管道局部溫度分布不均的熱脹冷縮受支架約束而產(chǎn)生熱應(yīng)力，《城鎮(zhèn)燃氣規(guī)范》（GB 50028—2006）規(guī)定有空氣調(diào)節(jié)的建筑物內(nèi)燃氣管道的計算溫差取20℃。由于溫度變化與重力荷載是同時發(fā)生的，因此，表4、表5、表6中的計算值為在溫差、重力荷載組合條件下的最大管道位移、受力和應(yīng)力情況。

從表4、表5、表6可以看出，當(dāng)溫差達到-20℃時，26層和36層燃氣管道應(yīng)力均超出許用應(yīng)力范圍，其中應(yīng)力最大處發(fā)生在頂層下一層支管與立管相接處，由于管道變形量大，螺紋三通接頭處應(yīng)力集中，不能很好地吸收管道位移，導(dǎo)致熱應(yīng)力已超出許用應(yīng)力。但通過分析實際工程發(fā)現(xiàn)，由于活接頭、管卡等的局部變形，能夠吸收一部分管道形變，從而并未導(dǎo)致管道破壞。支管管卡設(shè)置應(yīng)遵循《城鎮(zhèn)燃氣室內(nèi)工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)范》（CJJ 94—2009）中給定的管道支架間距，無需人為縮小間距，避免過多約束管道位移。由于波紋補償器用于住宅用戶的案例并不多，因此需要慎重考慮使用，在空間允許的情況下盡量采取自然補償?shù)姆绞健?/p>

表4 不同溫差條件下管道位移量

表5 不同溫差條件下管道受力

表6 不同溫差條件下管道熱應(yīng)力

8 結(jié)束語

綜上所述，燃氣管道是人們生活的必需設(shè)施。在燃氣設(shè)計中，如果考慮不周或處理不當(dāng)，就有可能引發(fā)管道的損壞，嚴重的會引起爆炸以及火災(zāi)等惡性事故的發(fā)生。所以，我們需要認真分析燃氣管道在沉降、自重等情況下的影響，做好燃氣管道的設(shè)計工作，從而為燃氣管道的施工帶來幫助。

［1］陳樂.燃氣管道應(yīng)力計算方法與應(yīng)用［J］.鋼鐵技術(shù)，2009（01）.

［2］王迪，劉恩斌.天然氣站場管道應(yīng)力分析［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，2015（02）.

〔編輯：張雅麗〕

TU996.9

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.13.112

2095-6835（2017）13-0112-02