鋼結構管架的柱間支撐設置方案對比分析

吳軼雄

中國石油天然氣管道工程有限公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110000

在石油、冶金等行業，管道支架的應用極為普遍，當管道需跨越道路或其他障礙物時，通常借助管架實現管道架空。在大跨度管道跨越方案中，鋼結構架空管架因結構輕便、安裝周期短、強度高、跨越能力強等優點，通常成為首選方案。鋼結構架空管架因桿件數量多、空間布置復雜，通常采用三維有限元軟件進行模擬分析。

1 方案基本情況

某工程鋼架為某港口原油罐組區Φ711鋼制原油管道過路管架，全長63.75m，鋼架梁采用桁架式結構，上弦標高為10.8m，下弦標高為8.4m，管道架設于桁架梁下弦層，鋼架整體結構縱向采用兩跨設計，大跨33.75m，小跨27m，柱間支撐處兩柱間距為3m。文章通過對柱間支撐布置于較大跨的邊端（以下簡稱邊固定）及整體結構中間處（以下簡稱中間固定）兩種不同方案進行計算，匯總結果，進行兩方案對比分析。兩個方案如圖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材質均為Q345。環境初始溫度為15℃，最高為40℃，最低為-20℃；設防烈度為6度（0.05g）；基本風壓為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設管托，將相應管段荷載傳遞至鋼架結構。

2 計算結果對比

2.1 工況組合

選取工程實際典型工況進行鋼架結構分析，如表1所示，對柱底反力、桿件應力及節點位移三個方面進行對比分析。其中，定義管道豎向荷載為D，管道水平荷載為L，地震作用為EQ。

表1 荷載工況組合

2.2 反力、應力及節點位移

反力、應力及節點位移匯總如圖3～圖7所示。

圖5 桿件最大拉應力對比圖

圖6 桿件最大壓應力對比圖

圖7 節點最大位移對比圖

2.3 主要結論

（1）僅有豎向荷載作用時，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，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力大于邊固定；

（5）降溫工況下，兩方案節點相對位移差異最大，邊固定大于中間固定；

（6）管道水平荷載沿X軸負方向時，中間固定節點位移大于邊固定。

3 計算結果差異分析

3.1 柱底反力差異分析

根據該工程兩個方案鋼架的實際尺寸，將結構簡化為桿件模型，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 邊固定方案簡化模型彎矩示意圖

圖9 中間固定方案簡化模型彎矩示意圖

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，柱間支撐柱底彎矩與豎向荷載產生的彎矩疊加，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為樁數量；M為通過群樁形心的彎矩；y為第i根樁距群樁形心的距離。

可見，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 桿件應力差異分析

如圖8、圖9所示，兩方案A、D柱對梁桿件約束不同，D柱頂釋放了對梁的約束，因此梁彎矩MED大于梁彎矩MBA。在實際結構中，由鋼架桁架的弦桿及腹桿共同承擔簡化模型中的梁端彎矩，因此中間固定方案對應位置的桿件最大拉壓應力均大于邊固定方案。

3.3 位移差異分析

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

（2）同3.2節原理，中間固定ED跨最大豎向位移大于邊固定BA跨。

（3）通過圖8（c）、圖9（c）可知，當水平荷載沿X軸負方向時，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，因此計算結果顯示，管道水平荷載沿X軸負方向時，中間固定方案顯著大于邊固定方案。

4 結束語

綜上分析，在實際結構設計中，有如下建議：

（1）混凝土構件通常設計為抗壓構件，且柱底拉力較大時，不利于基礎的抗傾覆設計，因此工程中應盡量減小鋼架柱對基礎的拉力。條件允許時，宜先“放”后“抗”，通過優化方案減小柱底拉力，當方案無法優化時，再通過加強或加大構件抵抗柱底拉力或傾覆彎矩。

（2）結構布置宜將剛度中心設置于結構形心位置，以此縮短溫度區段長度，從而減小溫度變化產生的構件內應力及位移。

（3）鋼架中間支座兩側的桁架腹桿承受較大的桿件應力，因此在設計中宜加強處理，尤其當柱間支撐設置于鋼架中間位置時，更有加強必要。