談供熱工程中鋼結構支架的設計方法

趙 宏

(太原市熱力公司，山西 太原 030012)

0 引言

隨著國家城鎮化的快速發展和日益嚴峻的環境問題，使得供熱工程在近幾年得到了長足的進步，集中供熱成為了解決冬季居民生活和城市環境污染的主要形式。城鎮化的發展使大量的人口涌入城市，給城市的基礎設施和各種配套設施帶來了巨大的挑戰，城市的承載力日益減弱。我國北方許多城市均已禁止在市區修建大型熱源廠給城市提供熱源，而選擇距離市區較遠的區域進行修建，由此導致供熱管道管徑的增大和供熱距離的增長，在長距離的輸送過程中可能會遇到河流、山川、鐵路、公路等其他構建筑物需要跨越。傳統的混凝土結構支架在跨越河流、山川、鐵路、公路等其他構建筑物時往往存在施工場地狹小、運輸條件差、安全生產隱患大等問題，鋼結構支架由于自重輕、施工方便、易于安裝和檢修的優勢越來越多的應用在長距離供熱傳輸中。本文結合太原市某供熱工程實例，對大管徑供熱管道鋼結構支架的設計方法進行探討。

1 工程概況

太古供熱工程是由古交興能電廠至太原城區的長輸供熱工程，該工程設計年供熱量3 506 GJ/年，設計供熱面積為7 600×104m2，管網設計壓力為2.5 MPa，設計供水溫度為125 ℃。該工程共分兩個系統，2供2回，共敷設4根DN1 400 mm的供熱管道，長輸供熱管線在末端與太原城區管網相連接。長輸供熱管線輸送距離為37.8 km，最大高差達180 m，其中跨越汾河處架空敷設約2.6 km，隧道內架空敷設約15.2 km，直埋敷設約20 km。長輸供熱管線沿線設置3座中繼泵站，1座事故補水站。隧道架空敷設段共分三個隧道組成，共計約15.2 km，其中1號隧道全長1.4 km，2號隧道全長2.4 km，3號隧道全長11.4 km。此供熱隧道為供熱專用隧道，隧道內設置檢修車道。

2 鋼結構支架類型

按照支承管道的方式不同，可以將鋼結構支架主要分為：獨立式鋼支架、縱梁式鋼支架和組合式鋼支架。

1)獨立式鋼支架之間沒有任何構件相連接，管道直接安裝于支架上。按其具體用途分為固定支架、活動支架和導向支架。

a.固定支架：管道內介質在流動過程中使管道產生熱脹冷縮現象，主要用以承受熱脹冷縮所產生的水平推力，支架及基礎要保證足夠大的剛度，以保證管道的自身穩定。按照承受荷載的方向及數量可分為重載和減載兩類。重載固定支架主要布置在管道末端，用以承受單方向的水平推力；減載固定支架主要為設置在兩個補償器之間的中間固定支架，用以承受兩個相反方向的水平推力。固定支架是使用最廣泛的支架，支架的間距和數量直接影響工程的經濟合理性。在設計時要合理選擇布置固定支架的位置，在間距允許范圍內盡可能的增大間距，以減少支架的數量。布置固定支架時最大間距須滿足以下條件：管道的熱收縮量必須小于補償器的允許補償量；管道因膨脹所產生的水平推力必須小于固定支架所能承受的水平推力；避免管道產生縱向彎曲。固定支架的最大允許間距與設計管道的直徑、管道敷設形式、管道內流動的介質及運行溫度和補償器的類型等均相關。

b.活動支架：活動支架用以承受管道內介質流動時，管道由于變形方向所產生的單向、雙向推力的支架；按照其受力作用和結構形式可分為剛性支架、柔性支架、半鉸接支架、搖擺支架。

c.導向支架：當設計的運行管道需要綜合考慮風荷載、地震和溫度形變所引起的橫向位移；避免管道運行(彎段管道)產生不平衡內壓、熱脹推力造成管道的軸向失穩；管道補償器安裝時，保證補償器的軸心運行，在補償器的前后支架上均應設置導向支架。

2)縱梁式支架：縱梁式支架由獨立式支架、縱梁、橫梁、柱間支撐組成，一般不設中間固定支架?？v梁式支架之間通過縱梁或桁架等水平構件相連接，多用于布設管徑較小、支線較多、管道根數較多的管線。

3)組合式支架：組合式支架包括桁架式支架、懸索支架、吊索支架、拱管支架等，常布設桁架式支架。桁架式支架由桁架、高支架、低支架組成。多適用于管道跨距較大、設置支承立式補償器的管線或管徑較小且避免設立過多支架的管線。

3 鋼結構支架設計原則

通常情況下供熱管道直接安裝在支架上，由于介質溫度和大氣溫度的差異，管道將產生熱脹冷縮現象，在設計熱力管道時必須將這一現象處理好，保證管線的正常穩定運行。為保證管道在熱狀態下安全穩定運行，減少管道在熱脹冷縮時所產生的溫度應力，應對管道受熱時的熱伸長量進行補償。管道熱補償有如下兩種方法：1)補償器；2)利用管道自身彎曲的自然補償。本工程中主要采用了補償器的辦法，局部采用了管道自然彎曲的自然補償。該工程采用外壓軸向型波紋管補償器來承擔管道在運行期間熱脹冷縮產生的變形，補償管道的位移量。

鋼結構支架設計應滿足施工及運行期間的各種荷載組合作用、不利因素的影響和管道內內力產生的推力，鋼結構支架必須維持其穩定性。設計時一般采用有限元或PKPM計算軟件，用含分項系數設計表達式進行計算，通過對支架的受力模型及動力特性的分析，抗震地區還應考慮支架的抗震性能分析，從而設計出合理的鋼結構管道支架。支架設計的一般原則主要有以下幾個方面：

1)根據GB 50068—2001建筑結構可靠度設計統一標準規定：對安全等級分別為一、二、三級或設計使用年限分別為100年及以上，50年，5年時，重要性系數分別不應小于1.1,1.0,0.9。

2)鋼結構支架包括的所有結構構件均進行承載力計算；對有抗震設防要求的結構，此結構構件應進行構件抗震承載力驗算。

3)鋼結構支架水平梁在垂直荷載及水平推力作用下，按照雙向受彎構件進行內力計算、強度、穩定性驗算。固定鋼結構支架水平梁的最大撓度不宜大于梁跨度的1/500；其他支架水平梁的最大撓度不應大于梁跨度的1/250。豎向荷載(標準值)作用下的撓度容許值不大于L/400；管道水平推力(標準值)作用下的撓度容許值不大于L/400。

4)焊縫應根據結構的重要性、荷載特性、焊縫類型、工作環境及應力狀態等情況綜合考慮，選擇不同的質量等級進行焊縫連接計算。

4 鋼結構支架計算實例

根據GB 50017—2003鋼結構設計規范的規定和上述鋼結構設計的基本原則，采用PKPM的STS支架計算模塊進行計算分析。所有梁柱、立面斜撐節點均設置為鉸接節點。當使用計算模塊根據不同荷載的組合分布情況計算出內力之后，需要對于每個構件進行穩定性驗算，其中包括撓度的驗算、強度驗算和系統整體穩定性的驗算。該工程對受彎構件的強度與穩定性進行驗算、構件立柱的撓度、強度和穩定性驗算及焊縫的連接計算如表1～表3所示。

表1 受彎構件強度與穩定性計算表

表2 水平梁構件強度與穩定性計算表

表3 焊縫連接計算表

5 結語

架空管線隨著長輸供熱管線的廣泛應用，設計應用也越來越廣泛。當供熱管道需要通過某些特殊地形時，可采用鋼結構架空形式進行布置，但應合理進行鋼支架的布局和設計。本文介紹了鋼結構支架設計的原則，并通過計算軟件對工程實例進行了計算。但是，在鋼支架設計過程中，不僅要在結構計算方面進行優化，在施工材料和施工工藝方面也需要進行優化創新，才能達到更加經濟合理的施工方式。