鋼結(jié)構(gòu)管架的柱間支撐設(shè)置方案對(duì)比分析

吳軼雄

中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司沈陽(yáng)分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000

在石油、冶金等行業(yè)，管道支架的應(yīng)用極為普遍，當(dāng)管道需跨越道路或其他障礙物時(shí)，通常借助管架實(shí)現(xiàn)管道架空。在大跨度管道跨越方案中，鋼結(jié)構(gòu)架空管架因結(jié)構(gòu)輕便、安裝周期短、強(qiáng)度高、跨越能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，通常成為首選方案。鋼結(jié)構(gòu)架空管架因桿件數(shù)量多、空間布置復(fù)雜，通常采用三維有限元軟件進(jìn)行模擬分析。

1 方案基本情況

某工程鋼架為某港口原油罐組區(qū)Φ711鋼制原油管道過(guò)路管架，全長(zhǎng)63.75m，鋼架梁采用桁架式結(jié)構(gòu)，上弦標(biāo)高為10.8m，下弦標(biāo)高為8.4m，管道架設(shè)于桁架梁下弦層，鋼架整體結(jié)構(gòu)縱向采用兩跨設(shè)計(jì)，大跨33.75m，小跨27m，柱間支撐處兩柱間距為3m。文章通過(guò)對(duì)柱間支撐布置于較大跨的邊端（以下簡(jiǎn)稱邊固定）及整體結(jié)構(gòu)中間處（以下簡(jiǎn)稱中間固定）兩種不同方案進(jìn)行計(jì)算，匯總結(jié)果，進(jìn)行兩方案對(duì)比分析。兩個(gè)方案如圖1、圖2所示。

圖1 邊固定方案

圖2 中間固定方案

鋼架柱HW400×400、弦桿HM340×250、腹桿P152×5材質(zhì)均為Q345。環(huán)境初始溫度為15℃，最高為40℃，最低為-20℃；設(shè)防烈度為6度（0.05g）；基本風(fēng)壓為0.6kN/m2。管道豎向荷載為25kN/m，水平荷載為7.5kN/m，于桁架梁下弦層間隔9m設(shè)管托，將相應(yīng)管段荷載傳遞至鋼架結(jié)構(gòu)。

2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

2.1 工況組合

選取工程實(shí)際典型工況進(jìn)行鋼架結(jié)構(gòu)分析，如表1所示，對(duì)柱底反力、桿件應(yīng)力及節(jié)點(diǎn)位移三個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析。其中，定義管道豎向荷載為D，管道水平荷載為L(zhǎng)，地震作用為EQ。

表1 荷載工況組合

2.2 反力、應(yīng)力及節(jié)點(diǎn)位移

反力、應(yīng)力及節(jié)點(diǎn)位移匯總?cè)鐖D3～圖7所示。

圖5 桿件最大拉應(yīng)力對(duì)比圖

圖6 桿件最大壓應(yīng)力對(duì)比圖

圖7 節(jié)點(diǎn)最大位移對(duì)比圖

2.3 主要結(jié)論

（1）僅有豎向荷載作用時(shí)，邊固定柱底反力大于中間固定；

（2）升溫、降溫工況下，邊固定柱底壓力顯著大于中間固定；

（3）管道水平荷載沿X軸正方向時(shí)，邊固定柱底壓力大于中間固定，邊固定柱底拉力大于中間固定；

（4）除溫度工況組合外，中間固定鋼架桿件最大應(yīng)力大于邊固定；

（5）降溫工況下，兩方案節(jié)點(diǎn)相對(duì)位移差異最大，邊固定大于中間固定；

（6）管道水平荷載沿X軸負(fù)方向時(shí)，中間固定節(jié)點(diǎn)位移大于邊固定。

3 計(jì)算結(jié)果差異分析

3.1 柱底反力差異分析

根據(jù)該工程兩個(gè)方案鋼架的實(shí)際尺寸，將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為桿件模型，A、E支座為柱間支撐，定性繪制豎向、水平彎矩示意圖，如圖8、圖9所示。

圖8 邊固定方案簡(jiǎn)化模型彎矩示意圖

圖9 中間固定方案簡(jiǎn)化模型彎矩示意圖

邊固定方案柱間支撐處彎矩顯著大于中間固定方案，管道水平荷載為X正向時(shí)，柱間支撐柱底彎矩與豎向荷載產(chǎn)生的彎矩疊加，因此總彎矩MA顯著大于彎矩ME。

該工程固定端實(shí)際由多根柱及柱間支撐組成，由柱反力形成柱底彎矩，如圖10所示。柱底反力為

圖10 柱底反力形成彎矩(單位：mm）

式中：N為第i根樁的豎向力；F為群樁總豎向力；n為樁數(shù)量；M為通過(guò)群樁形心的彎矩；y為第i根樁距群樁形心的距離。

可見(jiàn)，在管道水平荷載沿X軸正向工況下，邊固定方案柱底最小反力即柱底拉力顯著大于中間固定方案。

3.2 桿件應(yīng)力差異分析

如圖8、圖9所示，兩方案A、D柱對(duì)梁桿件約束不同，D柱頂釋放了對(duì)梁的約束，因此梁彎矩MED大于梁彎矩MBA。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，由鋼架桁架的弦桿及腹桿共同承擔(dān)簡(jiǎn)化模型中的梁端彎矩，因此中間固定方案對(duì)應(yīng)位置的桿件最大拉壓應(yīng)力均大于邊固定方案。

3.3 位移差異分析

（1）兩方案溫度區(qū)段分別長(zhǎng)60.75m、33.75m，溫度區(qū)段長(zhǎng)度的較大差異形成最大位移梁的明顯差異。

（2）同3.2節(jié)原理，中間固定ED跨最大豎向位移大于邊固定BA跨。

（3）通過(guò)圖8（c）、圖9（c）可知，當(dāng)水平荷載沿X軸負(fù)方向時(shí)，中間固定DE跨梁底均受拉，豎向位移大于邊固定AB跨，并與豎向荷載位移同向疊加，因此計(jì)算結(jié)果顯示，管道水平荷載沿X軸負(fù)方向時(shí)，中間固定方案顯著大于邊固定方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上分析，在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，有如下建議：

（1）混凝土構(gòu)件通常設(shè)計(jì)為抗壓構(gòu)件，且柱底拉力較大時(shí)，不利于基礎(chǔ)的抗傾覆設(shè)計(jì)，因此工程中應(yīng)盡量減小鋼架柱對(duì)基礎(chǔ)的拉力。條件允許時(shí)，宜先“放”后“抗”，通過(guò)優(yōu)化方案減小柱底拉力，當(dāng)方案無(wú)法優(yōu)化時(shí)，再通過(guò)加強(qiáng)或加大構(gòu)件抵抗柱底拉力或傾覆彎矩。

（2）結(jié)構(gòu)布置宜將剛度中心設(shè)置于結(jié)構(gòu)形心位置，以此縮短溫度區(qū)段長(zhǎng)度，從而減小溫度變化產(chǎn)生的構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力及位移。

（3）鋼架中間支座兩側(cè)的桁架腹桿承受較大的桿件應(yīng)力，因此在設(shè)計(jì)中宜加強(qiáng)處理，尤其當(dāng)柱間支撐設(shè)置于鋼架中間位置時(shí)，更有加強(qiáng)必要。