固定管架水平受力淺談

孫普

【摘要】固定管架是管架體系中不可缺少的組成部分，固定管架除承受管道豎向荷載外，主要承受管道的水平推力，筆者通過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)程中的體會(huì)，淺析固定管架水平受力計(jì)算時(shí)應(yīng)注意的一些問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】固定管架縱向水平力設(shè)計(jì)優(yōu)化零應(yīng)力區(qū)

中圖分類(lèi)號(hào)：S611文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

在化工和石油化工企業(yè)內(nèi)，管架是支承全廠(chǎng)工藝生產(chǎn)裝置和供熱系統(tǒng)管道的主要結(jié)構(gòu)，它聯(lián)系著全廠(chǎng)每個(gè)生產(chǎn)裝置。一個(gè)大型石油化工廠(chǎng)管架可達(dá)500個(gè)以上，而固定管架除了承受管道豎向荷載外，還承受區(qū)段間產(chǎn)生的全部縱向水平力，不允許產(chǎn)生相對(duì)位移，因此固定管架的設(shè)計(jì)和優(yōu)化尤為重要。

固定管架的結(jié)構(gòu)形式

管架可為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)，混凝土結(jié)構(gòu)固定管架，由于混凝土梁柱本身剛度較大，能夠很好的抵抗水平推力作用，因此常見(jiàn)的四柱式框架形式便可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；而鋼結(jié)構(gòu)固定管架一般需要設(shè)置柱間支撐和水平支撐，加強(qiáng)管架的縱向剛度和整體穩(wěn)定，并采取一定的構(gòu)造措施，防止橫梁在水平力作用下扭轉(zhuǎn)破壞。

固定管架水平荷載受力特點(diǎn)

固定管架除了承受管道豎向荷載外，由于管道支座與管架的固定連接，還承受縱向水平力作用以及風(fēng)荷載作用下的橫向水平力作用。

2.1 水平荷載受力點(diǎn)

1. 縱向水平力，管道支座與管架為擋板式連接時(shí)，受力作用點(diǎn)在據(jù)梁頂以下e/3處，焊接連接時(shí)，作用在梁頂面，如下圖：

2. 橫向水平力，風(fēng)荷載作用點(diǎn)位置為管道中心。

2.2 水平荷載分類(lèi)

1. 管道補(bǔ)償器的彈性力標(biāo)準(zhǔn)值∑Fb

該值是指管道膨脹時(shí)，使補(bǔ)償器壓縮或拉伸變形，由于補(bǔ)償器的彈性而產(chǎn)生的相反方向的變形力通過(guò)管道傳遞到固定管架上，一般由管道專(zhuān)業(yè)提供。

2. 關(guān)閉閥門(mén)時(shí)，介質(zhì)產(chǎn)生的內(nèi)壓力標(biāo)準(zhǔn)值，由管道專(zhuān)業(yè)提供。

3. 管道變形時(shí)，剛性中間管架摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值總和或柔性管架彈性力標(biāo)準(zhǔn)值總和 。

4. 風(fēng)荷載作用下的橫向水平力

Wk = μs μz w0 d ld

其中d為管道外徑（包含保溫層），多根管道取平均外徑，實(shí)際工程中一般取該管架上最大直徑管道。

ld 為管道跨度，兩側(cè)跨度不等時(shí)，取平均值。

固定管架的設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 管架結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化

1. 合理選擇管架的結(jié)構(gòu)形式

管架的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況選用，原則上外形復(fù)雜，改擴(kuò)建可能性較大的管架采用鋼結(jié)構(gòu)，外形簡(jiǎn)潔且改擴(kuò)建可能性不大時(shí)可采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，大中型化工裝置采用管廊式鋼結(jié)構(gòu)，也可采用底層混凝土、上層鋼結(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)形式。在滿(mǎn)足凈空的前提下，盡可能的采用中低管架。

2. 合理布置管線(xiàn)、合理設(shè)置固定管架的位置和數(shù)量。

固定管架處，一般需設(shè)置柱間支撐，因此固定管架處柱距不宜過(guò)大。

管線(xiàn)長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，熱漲（冷縮）變形量很大，為了有計(jì)劃的分配管線(xiàn)的膨脹量，固定管架的位置極其重要，根據(jù)《化工、石油化工管架、管墩設(shè)計(jì)規(guī)定》附錄1中總水平推力F計(jì)算公式，考慮固定管架兩側(cè)傳來(lái)的水平推力方向相反，因此固定管架兩側(cè)為對(duì)稱(chēng)布置時(shí)，會(huì)很大程度上減少水平推力。

由于固定管架承受區(qū)段間的全部縱向水平推力，一般受力較大，而規(guī)范對(duì)固定管架的長(zhǎng)細(xì)比要求較高，因此當(dāng)管架上的管道數(shù)量較多時(shí)應(yīng)將各管道的固定點(diǎn)設(shè)置在同一榀管架上，減少固定管架的數(shù)量，降低工程投資。

從縱向水平推力的作用點(diǎn)可知，當(dāng)管線(xiàn)為多層布置時(shí)，應(yīng)盡量將大直徑熱力管道等能產(chǎn)生較大應(yīng)力的管道布置在下層，減小力臂，降低彎矩對(duì)柱腳及基礎(chǔ)的影響。

3.2 管架構(gòu)件和荷載優(yōu)化

1. 管道的牽制系數(shù)

管道與管架之間具有相互制約作用，管道對(duì)管架除有荷載作用外，尚應(yīng)考慮其對(duì)管架的約束作用。當(dāng)鋪設(shè)較多管道時(shí)（3根或以上），由于每根管道的水平推力不可能同時(shí)出現(xiàn)、管道內(nèi)介質(zhì)溫度不可能同時(shí)升高，對(duì)管架變形及摩擦力不能單純的求和，應(yīng)計(jì)入牽制系數(shù)Kj的影響，Kj可根據(jù)熱力管道所占比例根據(jù)規(guī)范查出。

2. 剛性活動(dòng)管架采用摩擦系數(shù)較小的材料

剛性管架水平推力計(jì)算公式： Fm=Ki x G1 x μ

其中μ 為摩擦系數(shù)，鋼與鋼滑動(dòng)取0.3，鋼與混凝土取0.6

當(dāng)管架上管線(xiàn)不多，且主要管道為應(yīng)力管道時(shí)，可考慮采用摩擦系數(shù)更小的材料如聚四氟乙烯板，其與鋼接觸面摩擦系數(shù)為0.1，可大大降低水平推力。

3. 關(guān)于管道專(zhuān)業(yè)所提水平荷載

在實(shí)際工程中，管架上的水平推力一般由管道專(zhuān)業(yè)提供，其大小即摩擦力，而管架的縱向水平力，剛性管架是按摩擦力計(jì)算，柔性管架則是按反彈力計(jì)算，剛性管架和柔性管架與管架的剛度EJ有關(guān)，在確定梁柱尺寸之前，是無(wú)法判斷管架是剛性還是柔性的，因此把摩擦力當(dāng)成縱向水平力是不恰當(dāng)?shù)摹?/p>

固定管架的水平力與活動(dòng)管架類(lèi)型有關(guān)，與該區(qū)段管道的補(bǔ)償量有關(guān)，與該區(qū)段補(bǔ)償器的壓縮力、波壁力和補(bǔ)償器的級(jí)數(shù)有關(guān)，而且與管道的EJ值和反彈力系數(shù)有關(guān)，管道專(zhuān)業(yè)所提的固定管架水平推力一般都是按中間活動(dòng)管架為半鉸管架提出，缺少對(duì)柔性管架、剛性管架的考慮。

管架的水平力計(jì)算非常繁瑣復(fù)雜，既要考慮簡(jiǎn)化，又要考慮實(shí)際受力，大型化工、石油行業(yè)設(shè)計(jì)院多采用應(yīng)力分析軟件如Autopipe、CaesarⅡ等模擬實(shí)際管道、管架布置，從而得出較為準(zhǔn)確的數(shù)值。

3.3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化

1. 固定管架基礎(chǔ)允許出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)

當(dāng)有風(fēng)荷載、地震作用時(shí)，管架基礎(chǔ)底面允許出現(xiàn)的零應(yīng)力區(qū)面積有單獨(dú)規(guī)定。

與風(fēng)荷載組合時(shí)，受力方向的基礎(chǔ)底邊脫離尺寸與其相應(yīng)底邊邊長(zhǎng)之比不應(yīng)大于0.2 。

與地震作用組合時(shí)，受力方向的基礎(chǔ)底邊脫離尺寸與其相應(yīng)底邊邊長(zhǎng)之比不應(yīng)大于0.25 。

固定管架基礎(chǔ)垂直荷載較小，水平荷載較大，偏心距超出基礎(chǔ)范圍，將產(chǎn)生基底大面積脫離的現(xiàn)象，如果嚴(yán)格控制基底部容許產(chǎn)生脫離，勢(shì)必將基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的過(guò)大。

2. 采用聯(lián)合基礎(chǔ)或設(shè)置拉梁、采用合理的基礎(chǔ)埋深

因固定管架主要承受水平荷載作用，上部傳給基礎(chǔ)的彎矩很大，采用聯(lián)合基礎(chǔ)或設(shè)置拉梁，增大基礎(chǔ)的抵抗矩，可以有效的避免基礎(chǔ)出現(xiàn)大面積脫離。

適當(dāng)?shù)脑黾踊A(chǔ)的埋深，利用土的自重壓力抵抗水平力產(chǎn)生的彎矩，一定程度上也能解決基礎(chǔ)過(guò)大的問(wèn)題。

結(jié)語(yǔ)

管架是化工、石油化工設(shè)計(jì)的重要組成部分，其聯(lián)系著廠(chǎng)中各個(gè)生產(chǎn)裝置，是化工裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)的樞紐，其重要性不言而喻。管架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)與管道、應(yīng)力專(zhuān)業(yè)密切配合，通過(guò)合理選擇管架的結(jié)構(gòu)形式，統(tǒng)籌考慮固定管架的位置，優(yōu)化管線(xiàn)的布置和荷載組合，在保證安全的前提下做到經(jīng)濟(jì)美觀(guān)。

參考文獻(xiàn)：[1] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).《化工、石油化工管架、管墩設(shè)計(jì)規(guī)定》

HG/T 20670-2000

[2] 中華人民共和國(guó)石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).《石油化工管架設(shè)計(jì)規(guī)范》

SH/T 3055-2007