鋼管架結(jié)構(gòu)設(shè)計探討

高等利

(京鼎工程建設(shè)有限公司，北京 100011)

0 引言

凡支撐管線、電纜等的構(gòu)架，配置穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)者，均可稱為管架。管架在石化企業(yè)里普遍存在，它如同大樹的枝干，將各種生產(chǎn)原料輸送到各個器官。幾乎每個石油化工項(xiàng)目，都包含有管架的設(shè)計工作，以及新廠區(qū)和老廠區(qū)管架的對接工作，以確保生產(chǎn)的需要。因此，管架設(shè)計的合理性對整個工程項(xiàng)目非常重要。

本文總結(jié)了某PTA項(xiàng)目的鋼管架結(jié)構(gòu)設(shè)計的一些經(jīng)驗(yàn)，通過軟件計算分析，明確了管架結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，為該種結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作提供了參考。

1 工程概況及設(shè)計要點(diǎn)

某PTA項(xiàng)目中的主管架設(shè)計資料如下:基本風(fēng)壓:ω0=0.40 kN/m;基本雪壓:S0=0.40 kN/m;抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別Ⅱ類。安全等級為二級，設(shè)計基準(zhǔn)期50年。

管架的設(shè)計需滿足工藝的要求，管架上要通行各種管道，有荷載大的大直徑管道，也有荷載小的小直徑管道。同時管架的結(jié)構(gòu)布置還要滿足人員操作、管道拆卸檢修和人員通行的要求。因此，結(jié)構(gòu)布置的關(guān)鍵是與各專業(yè)協(xié)調(diào)合理確定水平支撐和豎向支撐的位置，以防止管道與結(jié)構(gòu)碰撞，同時要滿足整體管架結(jié)構(gòu)受力合理性的要求。另外，基于經(jīng)濟(jì)性的考慮，應(yīng)合理選擇梁柱截面，在保證安全的前提下，使其受力最優(yōu)化。

本項(xiàng)目管架選用全鋼結(jié)構(gòu)，橫向14 m，縱向271 m。由于篇幅限制，本文取其中一段為例進(jìn)行分析設(shè)計。

2 管架結(jié)構(gòu)布置

結(jié)構(gòu)專業(yè)在進(jìn)行管架布置時，應(yīng)及時與管線、總圖、儀表、電氣等專業(yè)進(jìn)行有效的溝通協(xié)調(diào)，結(jié)合溫度區(qū)段、道路、地下管網(wǎng)的具體情況，在滿足工藝要求的條件下，合理確定管架的結(jié)構(gòu)布置。

1)管架跨度:根據(jù)管架上的管道布置情況，由結(jié)構(gòu)專業(yè)和管線專業(yè)共同確定。本項(xiàng)目中的管架跨度取為6.5 m和7.5 m。

2)管架柱距:管架柱距原則上由管線專業(yè)確定，但是要滿足結(jié)構(gòu)專業(yè)受力合理性的要求。本項(xiàng)目中的管架各柱距為5 m～13 m之間。

3)溫度縫布置:對于長度大于120 m的全鋼管架結(jié)構(gòu)，基于鋼結(jié)構(gòu)溫度變形的考慮，要設(shè)置溫度縫，且在溫度縫處采用雙柱處理。

4)斜撐布置:水平斜撐需與立面斜撐配套布置，形成穩(wěn)定的受力體系，能將水平力可靠的傳給主管架結(jié)構(gòu)。

5)橫向布置:基于使用的要求，為提供管架下方維修、通行空間和方便管道布設(shè)，橫向應(yīng)盡量避免使用立面斜撐，因此，一般情況下管架橫向采用剛接的形式。

6)縱向布置:考慮管架結(jié)構(gòu)受力合理性的要求，縱向梁柱采用鉸接的形式。且縱向每隔幾跨需布置立面斜撐以有效的傳遞水平力，立面斜撐的具體位置要考慮管線進(jìn)出的要求，事先要和管線專業(yè)協(xié)調(diào)綜合布置。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載

3.1 自重

自重包括管架本身自重和電纜自重。其中本管架上電纜自重為4 660 kg/m，折算為線荷載施加在主次橫梁上。電纜層次梁的間距取2.5 m，施加在主次橫梁上的電纜線荷載計算如下:

3.2 管道豎向荷載

管道豎向荷載包括管道的空重、操作重和試水重，由管線專業(yè)提供，這些荷載作用在主橫梁或次梁上，作用形式為均布力或集中力。

1)均布力。

根據(jù)SH/T 3055—2017石油化工管架設(shè)計規(guī)范，小管道采用均布力的形式作用于主橫梁及次梁上;荷載大于10 kN的大管道，宜按集中荷載作用于主橫梁上。管道均布線荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m)可按下式計算:

其中，qv為作用在橫梁上的管道豎向均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m;l為橫梁間距，m;Fi為第i單根管道的垂直荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m;L4為較小管道的分布范圍，m;n為計算區(qū)段內(nèi)的管道數(shù)量(一般大于4根)。

2)集中力。

對大于10 kN的大管，按集中荷載作用在主橫梁上，當(dāng)上述均布力在主橫梁上滿布時，大管面積范圍內(nèi)的均布力要予以扣除，即:

其中，S為大管道跨度，m;W為大管道每米重量，kg/m;p為大管道投影范圍內(nèi)的均布面荷載，kg/m2;D為大管道直徑，m。

3.3 管道的摩擦力

管道的摩擦力由管道專業(yè)提供，作用方式同管道操作荷載，作用方向?yàn)檠毓艿雷呦虻乃椒较颉?/p>

3.4 管道的錨定力

管道錨定力由管道專業(yè)提供，本項(xiàng)目以每米寬2 kN水平集中力作用于主橫梁上。

3.5 風(fēng)荷載(WL)

根據(jù)大量工程經(jīng)驗(yàn)，對于管架結(jié)構(gòu)，主要是橫向風(fēng)荷載起控制作用。風(fēng)荷載計算包括管道風(fēng)荷載、作用在每根縱梁上的風(fēng)荷載、作用在每榀桁架上的風(fēng)荷載、作用在每榀柱上的風(fēng)荷載、以及作用在每支電纜盤支撐橋架上的風(fēng)荷載。其中每支電纜盤支撐橋架風(fēng)荷載可按下式計算:

其中，h3為電纜橋架高度，m;le為電纜盤支撐橋架的間距，m;μs4為結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載體形系數(shù)，取 1.3。

3.6 地震荷載

本項(xiàng)目中的管架需考慮橫向水平地震作用，根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范，采用底部剪力法進(jìn)行水平地震作用計算。結(jié)構(gòu)底部水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值按下式確定:

4 鋼管架結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 鋼管架的變形及位移控制

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，本項(xiàng)目管架縱梁、橫梁的允許撓度為1/250，鋼桁架的允許撓度為1/500;在風(fēng)荷載作用下，鋼管架沿徑向產(chǎn)生的柱頂點(diǎn)位移與總高度之比值不大于1/250。

4.2 結(jié)構(gòu)承載力計算

軸心受壓受拉構(gòu)件的強(qiáng)度計算公式:

其中，N為軸心拉力或軸心壓力;An為凈截面面積;φ為軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù);Mx，My分別為同一截面處繞x軸和y軸的彎矩;Wnx，Wny分別為對 x軸和 y軸的凈截面模量;γx，γy均為截面塑性發(fā)展系數(shù)。

4.3 結(jié)構(gòu)建模的注意事項(xiàng)

本管架設(shè)計采用STAAD-PRO軟件進(jìn)行建模和計算。建模時最重要的一點(diǎn)是要判斷各桿件節(jié)點(diǎn)的連接形式是否正確(鉸接還是固接)，桿端約束釋放是否正確。對軟件的計算結(jié)果進(jìn)行分析時，要注意手算復(fù)核輸入的垂直及水平反力是否與輸出的反力符合。

另外要注意的是，STAAD-PRO軟件不能自動計算桿件局部受扭的情況，因此對于局部受水平力較大的梁，要單獨(dú)驗(yàn)算梁及其接頭處的抗扭能力。對于在主梁的一邊懸挑出支撐梁的情況，要手工復(fù)核主梁的抗扭轉(zhuǎn)能力。圖1為該項(xiàng)目中鋼管架的計算模型。

圖1 管架結(jié)構(gòu)模型

5 結(jié)語

鋼管架設(shè)計要力求技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、確保生產(chǎn)。本文結(jié)合實(shí)際工程和自己的設(shè)計工作經(jīng)驗(yàn)，對鋼管架的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了一些建議，主要如下:

1)結(jié)構(gòu)專業(yè)在進(jìn)行管架布置時，要與工藝、管線、總圖、儀表、電氣等專業(yè)進(jìn)行協(xié)調(diào)，結(jié)合溫度區(qū)段、道路、地下管網(wǎng)的具體情況，在滿足整體結(jié)構(gòu)傳力合理性的條件下，合理布置管架的跨度、柱距、水平斜撐和立面斜撐，并且要避免管道與構(gòu)件的碰撞。

2)選取荷載時，應(yīng)聯(lián)系實(shí)際并對荷載做合理簡化。

3)當(dāng)對軟件的計算結(jié)果進(jìn)行分析時，要注意手算復(fù)核輸入的垂直及水平反力是否與輸出的反力符合。

4)構(gòu)件設(shè)計時，對于縱梁，一般由撓度控制;對于橫梁，一般由強(qiáng)度和穩(wěn)定性控制;對于柱，一般由強(qiáng)度控制;對于水平斜撐一般由長細(xì)比控制;對于豎向斜撐，結(jié)構(gòu)受力大時由強(qiáng)度控制，結(jié)構(gòu)受力小時由長細(xì)比控制。