渭南市某熱力管道大推力支座精細化分析

張風玲，雷海東

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司西安分公司，西安710000）

1 項目概況

本工程為渭南市熱電聯產集中供熱一期工程，一級熱水管網總長約42km，管徑為250～1400mm，主要解決渭南臨渭區和高新北部區域供熱問題。管道跨越渭河段采用廊橋方式架空敷設，該段管道管徑為1420mm（壁厚10mm），橋頭部位需設置管道固定支座，預期該支座采用鋼結構進行設計，在服役期內將承受最大1800k N的水平推力。故本文將依據具體工況對橋頭部位固定支座進行設計驗算。

2 結構設計

2.1 靜力設計

依據GB 50017—2017《鋼結構設計規范》[2]進行該熱力固定支座的設計以及焊縫承載力驗算。其中，鋼板采用Q235-B級、焊縫依據具體形式施焊。首先通過下式進行焊縫承載力靜力計算，初步進行支座設計。

式中，σ為應力；τ為剪應力；ftw為對接焊縫抗拉強度設計值。

式中，σf為垂直于焊縫長度的應力；τf為沿焊縫長度的剪應力；ffw為角焊縫強度設計值；茁f為正面角焊縫強度設計值增大系數，按規范取值。

該支座設計圖如圖1所示。

圖1 供熱管道固定支座設計

本設計中由于各處焊縫處于復雜的多向應力狀態，僅通過靜力計算難以真實反映焊縫應力狀態，本文通過ABAQUS建立該固定支座有限元分析模型，精確研究了該固定支座焊縫應力狀態以及結構變形形態，對其進行大推力作用下的承載能力驗算。

2.2 精細化有限元分析模型

依據上述固定支座設計方案，本文基于ABAQUS有限元平臺建立固定支座精細化有限元分析模型，包含管道、橫隔板、加勁肋及焊縫等實體單元。

鋼板及管道采用Q235鋼，其初始彈性模量為E=2.06×105N/mm，泊松比為0.3，質量密度7850kg/m3，抗拉強度為滓0=205MPa，屈服強度為滓y=225MPa，極限抗拉強度為滓u=370MPa。

建模時盡可能按照實際施工工藝進行結構模擬，分別建立隔板、加勁肋、底座及管道等模型。考慮實際中焊縫與構件之間的連接，模型中采用Tie接觸建立各構件與焊縫之間的連接，進而使得模型形成整體受力體系。為了預防集中荷載作用下管道結構出現應力集中現象，本模型采用Coupling約束建立加載點與管道端部的約束。同時，由于該支座底板預埋與混凝土墩中，支座底板與混凝土墩間無相對位移，因此，可考慮本模型底部為固定約束。本模型中施加水平推力F=2000k N，考慮了一定的荷載冗余量，以便確保結構安全。

3 結果分析

3.1 焊縫應力狀態分析

本文固定支座圍焊與管道，使得結構整體均勻受力，提高了結構的整體承載能力。該設計隔板兩側均有焊縫存在，隔板外側焊縫受力略大于內側焊縫，靠近支座底部處焊縫應力大于其余部位，焊縫部位結構應力狀態如圖2所示。

圖2 焊縫處應力狀態圖

3.2 結構變形形態分析

本文固定支座在荷載作用下協調變形，各部位呈現不同的變形狀態。圖3為固定支座結構整體沿縱向變形狀態圖。由圖3可知，沿著支座豎向往上變形逐漸增大，支座頂端變形達到最大值1.539mm。分析結果表明，在200t推力作用下，支座變形較小，結構整體可共同受力，整體變形協調一致。

圖3 結構整體變形形態

3.3 結構極限承載力

為求解該熱力支墩的極限承載能力，本文采用位移加載進行求解。加載歷程中荷載-位移曲線如圖4所示，經加載計算當結構危險區域焊縫達到極限強度時，此刻該固定支墩的極限承載力F=9485k N。由圖4可知，隨著加載位移的增大，結構荷載先線性增大隨后荷載增大趨勢減慢，逐漸趨于平緩，這是由于隨著位移的增大結構逐漸由線彈性階段向彈塑性階段過渡所造成的。

圖4 荷載-位移歷程曲線

4 結論

本文基于ABAQUS分析平臺，建立了大推力固定支座精細化有限元分析模型，分析了大推力固定支座應力狀態、變形形態和承載能力，得出以下結論：（1）在200t荷載作用下，焊縫大部分處于彈性階段，應力分布較為均勻，但靠近支座底部處焊縫應力較大，在實際工程設計中應注意加強；（2）結構整體變形較小，支座頂部變形最大，越靠近底部變形逐漸減小，頂部最大變形為1.539mm，滿足實際工程可允許變形范圍，整體變形協調一致；（3）當焊縫達到極限強度時該固定支座的極限承載能力約為950t，隨著荷載繼續增大，支座底部焊縫最先失效，支座進入破壞階段，失去承載能力。

以上分析結果表明，本工程所設計橋頭固定支座受力均勻，變形協調，具有較大的極限承載能力，滿足實際工程需求，可供相關工程參考設計。