機電安裝管道支吊架的設計

成乾碩 閻 斌 賈 蒙 孫智君 林 勇 朱若檸

中建一局集團第三建筑有限公司 北京 100161

目前，已有的文獻資料規定了機電管道支吊架的選型與荷載計算的標準與要求，然而在機電安裝施工技術方面，對于大型管道支吊架方面缺少相關計算方法和規范圖集的支持。

支吊架在管道正常運行過程中受豎向荷載與水平荷載作用，支吊架所受豎向荷載為管道、管道附件及介質的重力，水平荷載為管道系統運行過程中產生的水平推力?；瑒又У跫艿乃酵屏χ饕獮楣艿滥Σ亮?，固定支吊架的平推力為管道熱伸長產生的水平推力或管道運行時因為水壓產生的水平力。

在管道支吊架設計過程中還應該重點關注的內容包括：支吊架體系的選擇，支吊架綜合形式的選擇，框架、錨栓、錨板的選型，結構連接的生根方式等[1-5]。

為了明確支吊架深化設計過程中各節點的設計依據，更好地指導施工過程，本文參考鋼結構設計有關計算方法與混凝土后錨固技術及機電安裝的特點，闡述了機電管線支吊架的設計思路及計算方法，將該方法應用在多個項目，結果顯示，該方法具有一定的參考價值和較強的普適性。

1 支吊架體系

目前，機電安裝工程中使用的支吊架體系主要包括2種：柔性支吊架體系與剛性支吊架體系。無論機電安裝中使用柔性支吊架體系或剛性支吊架體系，均可按照本文提出的設計原則進行設計。

1.1 柔性支吊架體系

該體系中滑動支吊架為柔性支吊架，固定支吊架為剛性支吊架。柔性支吊架與結構之間連接支座為鉸接，產生剪力及拉力的作用，不產生彎矩，在管道系統運行過程中柔性支吊架只承受管道豎向荷載，不承受水平荷載。

柔性支吊架體系中，管道系統運行的過程中，假設某一個固定支吊架存在質量問題，對于整個管道系統來說都會出現較嚴重的破壞，從而導致整個系統被破壞，直接造成嚴重的損失，甚至是人員的傷亡。

1.2 剛性支吊架體系

該體系中的支吊架均為剛性支吊架，剛性支吊架與結構支架的連接支座為固端，其垂直方向受力為管道的豎向荷載，其水平方向受力為受荷范圍內的管道運行時產生的摩擦力與水平荷載。因此，支吊架不僅承受管道的質量，還要承受水平摩擦力的質量，同時立桿承受水平力產生的彎矩影響。體系中的支座為固定支座，產生剪力、拉力及彎矩作用。

剛性支吊架體系中，每個滑動支吊架均承擔相應的力，荷載分布均勻，不會出現因為極少數支吊架存在質量問題而導致大面積管道系統支撐體系破壞的情況。

2 支吊架布置

2.1 滑動支吊架設計原則

2.1.1 管道的最大安裝間距要求

在給排水、通風空調等施工設計相關規范中均對管道支吊架的最大設置間距進行了規定，本文僅以通風空調專業的鋼管道支架舉例。

2.1.2 滑動支吊架間距注意事項

1）支吊架間距設計必須遵循最大間距排布要求，排布間距可以小于最大間距要求，但不能超出最大間距要求。

2）不同管徑管道布置在同一個支吊架體系內時，支吊架布置間距應按最小管徑要求進行布置；此外，也可為小管徑管道單獨增設支吊架。

3）結構樓板厚度小于120 mm時，支吊架盡量布置在梁側。

4）支吊架設置在樓板下，樓板厚度應不小于2倍機械錨栓的有效深度，否則應采用對穿的形式進行連接。

2.2 固定支吊架間距設計原則

2.2.1 固定支吊架間距設計總原則

1）管道變形與管道直徑沒有關系。

2）由于鋼材線膨脹系數為常數，可知管道的熱伸長與管道的溫差成正相關關系。

2.2.2 溫度補償器處兩端固定支吊架設計原則

1）應滿足上述固定支吊架間距設計總原則，管道的熱補償量應控制在40 mm以內。

2）為保證管道系統運行安全可靠，在民用與公共房屋建筑中，有分支的長直管道的總長度應控制在50 m左右。

3）補償器的補償量應能夠滿足兩固定支吊架之間管道變形量，一般選用的補償器的額定補償量為管道計算變形量的1.5倍。

4）固定支吊架與補償器之間的距離應控制在4倍管道公稱直徑的范圍內。

2.2.3 L形補償兩固定支吊架間距設計原則

1）L形補償器管道允許最大長度。圖1為管道L形補償器固定支吊架設置示意，圖中L1為長臂，L2為短臂。

圖1 L形補償支吊架設置示意

表1為不同管徑下的L形補償器常用的長短臂組合。2）L形補償器固定支吊架布置要點。

① 在進行支吊架布置時，長臂與短臂的取值可參考表1。此外，長臂與短臂的比值應在現場條件允許的范圍內取最小值。

表1 L形補償器長短臂常用取值（管道溫差為60 ℃）

② 當L形補償器的夾角大于150°時，表1不再適用，長臂與短臂的設計取值應參考《實用供熱空調設計手冊》。

2.2.4 Z形補償量固定支吊架間距設計原則

1）設計管道Z形補償器時，應保證管道的補償量控制在40 mm以內。

2）管道Z形補償支吊架的設置如圖2所示。其中，L1與L2的取值可參考表2中列出的不同管徑下Z形補償器常用L1＋L2、h的組合。3）當Z形補償器的夾角大于150°時，表2不再適用，應參考《實用供熱空調設計手冊》進行設計取值。

圖2 Z形補償支吊架設置示意

表2 Z形補償器長短臂常用取值（管道溫差為60 ℃）

2.2.5 U形補償量固定支吊架間距設計原則

14K206《金屬管道補償設計與選用》中明確規定了U形補償器固定支吊架的設計原則，本文不再贅述。

2.3 導向支吊架間距設計原則

機電管道安裝過程中，波紋補償器和U形補償器的兩側需要安裝導向支架，以防止管道的非軸向位移對支吊架系統產生破壞。

2.3.1 波紋補償器導向支吊架設置

14K206《金屬管道補償設計與選用》第28頁明確規定了導向支吊架設置的要求：

1）第1導向支吊架距離波紋補償器應不大于4倍管道公稱直徑。

2）第2導向支吊架距離第1導向支吊架應不大于14倍管道公稱直徑。

3）其他導向支架的安裝距離按照圖集中給出的表格進行設計。

2.3.2 U形補償導向支吊架設置

14K206《金屬管道補償設計與選用》第15頁明確規定了U形補償器處導向支吊架設置要求：當管道長度大于給定數值或幾根熱力管道共架時，應在距外伸臂45倍公稱直徑處設置導向架，其直徑以其中最大管徑選取。

3 支吊架選型

3.1 各類型鋼特點

支吊架框架選型常用型鋼特點及適用范圍見表3。

表3 常用型鋼特點及適用范圍

3.2 截面選型計算依據

柔性支吊架體系中滑動支吊架的吊桿與橫擔的選型在各專業對應的圖集中均有詳細的介紹，本文不再贅述。

對于柔性支吊架體系中的固定支吊架與固定支吊架體系設計，鋼材強度指標是支吊架截面選型重要依據。

GB 50017—2017《鋼結構設計標準》表4.4.1指出，機電管線支吊架的框架鋼材受力形式主要是抗拉、抗壓、抗彎，在實際工程中機電管線支吊架鋼材厚度小于16 mm，在進行框架內力驗算后，其最大應力小于215 N/mm2，即滿足要求。

無論采取軟件計算還是人工計算，其計算結果滿足上述結論即可。

4 支吊架生根

對于混凝土結構支吊架生根有2種形式：后置錨栓、結構預埋件。

4.1 后置錨栓

4.1.1 錨栓的設計

機電安裝支吊架后置錨栓建議使用膨脹錨栓，且為扭矩控制式錨栓。

錨栓長度選擇：錨栓長度＝有效錨固長度＋墊片厚度＋錨栓螺母厚度＋外露2～3個絲扣長度。

4.1.2 錨栓錨固的要求

混凝土基材厚度應不小于2倍有效埋置深度，且混凝土基材厚度應大于100 mm。

4.1.3 錨板設計

1）錨板厚度。厚度取值參考JGJ 145—2013《混凝土結構后錨固技術規程》相關規定與機電管線支吊架錨板的受力特點，錨板厚度按照錨栓間距的1/8取值。

2）錨板孔徑。錨板螺栓孔徑需要比錨栓直徑長1～3 mm，錨板開孔禁止開長圓孔。

3）錨板尺寸設計。錨板設計如圖3所示。錨板設計包括對錨板的長度、寬度及厚度進行設計。其中，錨板寬度B＝c＋2d（建議c≥50 mm）；錨板高度H＝c＋2d；錨栓間距“b”的取值主要由支吊架框架吊桿的截面積決定；錨板的厚度取值不宜小于錨栓間距b的1/8。

圖3 錨板示意

4.2 結構預埋件

4.2.1 錨筋的設計

1）錨固長度。錨筋的錨固長度按式（2）計算。

2）鋼筋錨固形式。如果直錨長度大于現場板厚度，可選擇鋼筋彎鉤與機械錨固，其錨固長度為0.6倍的基本錨固長度，鋼筋錨固示意如圖4所示。

4.2.2 錨板的設計

1）錨板長、寬。最外層錨筋中心到錨板邊緣的距離c

應大于2d（d為錨筋直徑）或20 mm；錨板寬度B≥2c＋橫向錨筋總間距；錨板高度H≥2c＋縱向錨筋總間距。錨板設計如圖5所示。

圖5 預埋件錨板示意

2）錨板厚度。錨板厚度應不小于錨筋直徑的0.6倍，受拉和受彎預埋件的錨板厚度應大于b/8（b為錨筋間距）。

5 結語

將本文提出的計算方法與設計原則應用于實際工程中，可為支吊架設計、計算及選型提供依據。目前，該技術已在多個項目中進行了實踐應用，并已證實在管道運行過程中，支吊架未產生異常，管道系統運行情況良好。因此，本文提出的機電管線支吊架設計方法與原則具有較強的工程實用性，可供業內人士參考，并在相關工程施工時使用。