鋼結(jié)構(gòu)管道支架的優(yōu)化設(shè)計

劉 天 怡

(武漢都市環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司,湖北 武漢 430070)

鋼結(jié)構(gòu)管道支架的優(yōu)化設(shè)計

劉 天 怡

(武漢都市環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司,湖北 武漢 430070)

介紹了鋼結(jié)構(gòu)管道支架的一般設(shè)計原則及常用結(jié)構(gòu)類型，以某鋼廠大型煤氣管道支架設(shè)計為例，用有限元方法計算了鋼構(gòu)件采用不同截面時的應(yīng)力及自重，通過比較分析，總結(jié)出合理、經(jīng)濟(jì)的管道支架優(yōu)化設(shè)計原則，以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目的。

管道支架，有限元模型，優(yōu)化設(shè)計

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)管道支架在我國工業(yè)建筑項目中應(yīng)用廣泛，也是管道工程設(shè)計的重要組成部分，管道介質(zhì)主要有熱力管道、煤氣管道、水管、除塵風(fēng)管、煙氣管道、壓縮空氣管道、硫銨溶液輸送管道等。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點可分為獨立式管架和組合式管架。獨立式管架包括固定支架、剛性管架、柔性管架、半鉸接管架、雙向活動管架(搖擺管架)。組合式管架包括橋架式、桁架式、懸臂式、懸索式及吊索式組合管道支架。本文僅討論獨立式鋼結(jié)構(gòu)管道支架，并以某大型煤氣管道支架設(shè)計為例，用有限元方法計算了鋼構(gòu)件采用不同截面時的應(yīng)力及自重，通過比較分析，總結(jié)出合理、經(jīng)濟(jì)的管道支架優(yōu)化設(shè)計原則。

1 鋼結(jié)構(gòu)管道支架設(shè)計的一般原則

鋼結(jié)構(gòu)管道支架(以下簡稱管架或支架)設(shè)計應(yīng)滿足施工及正常使用狀態(tài)下各種作用，偶然事故情況下結(jié)構(gòu)維持必要的穩(wěn)定。以可靠指標(biāo)度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度，用含分項系數(shù)設(shè)計表達(dá)式進(jìn)行計算，一般采用有限元或PKPM計算軟件，通過對支架的受力模型及動力特的分析，抗震地區(qū)還應(yīng)考慮支架的抗震性能分析，從而設(shè)計出合理的鋼結(jié)構(gòu)管道支架。支架設(shè)計的一般原則主要有以下幾個方面:

1)管道支架設(shè)計使用年限為50年。安全等級取一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0取1.1。

2)所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件均應(yīng)進(jìn)行承載力計算；有抗震設(shè)防要求的結(jié)構(gòu)，尚應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震承載力驗算。

3)管道支架橫梁在垂直荷載及水平推力作用下，按照雙向受彎構(gòu)件計算。固定管道支架橫梁的最大撓度不宜大于梁跨度的1/500；其他管道支架橫梁的最大撓度不應(yīng)大于梁跨度的1/250。豎向荷載(標(biāo)準(zhǔn)值)作用下的撓度容許值不大于L/400；管道水平推力(標(biāo)準(zhǔn)值)作用下的撓度容許值不大于L/400。沿管道橫向風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下的柱頂位移不大于H/400；固定管道支架沿管道縱向在管道水平推力作用下的柱頂位移為H/400；H為支架高度。

4)地震基本烈度為8度及8度以上地區(qū)的活動管道支架應(yīng)采用剛性活動管道支架。

2 鋼結(jié)構(gòu)管道支架常用結(jié)構(gòu)類型

獨立式管架包括固定管架、剛性管架、柔性管架、半鉸管架、雙向活動管架(搖擺管架)。相對于固定管架，其他均屬于活動管架。

1)固定管架上的管道一般采用固定管座，管架下端與基礎(chǔ)固定，且多采用四柱式的雙片支架。

2)剛性管架上的管道在管架上均采用滑動或滾動管座，管架下端與基礎(chǔ)固定，一般采用雙柱式單片支架。

3)柔性管架上的主動管道采用滑動或者鉸接管座，其他管道可采用滑動管座，管架下端與基礎(chǔ)固定，一般采用單柱式獨立支架。

4)半鉸接管架上的主動管道采用鉸接管座，管架下端沿縱向為半鉸接，沿橫向為固定。

5)搖擺管架上的主動管道采用固定管座或螺栓連接的鉸接管座，管架下端沿雙向均采用鉸接。

3 某大型煤氣管道支架優(yōu)化設(shè)計實例分析

3.1 有限元模型建立

采用SAP2000有限元軟件計算，建立有限元模型時，煤氣管道支架可視為空間鋼支架，模型和設(shè)計中，所有梁柱、立面斜撐節(jié)點均設(shè)置為鉸接節(jié)點。計算不同高度、相同荷載工況下的固定支架和半鉸接支架，兩種支架形式分別采用型鋼和鋼管截面(見圖1，圖2)。

3.2 管道支架截面設(shè)計分析

表1 管道支架對比表(一)

從表1可看出，當(dāng)支架的高度為10 m時，鋼支架分別采用型鋼和圓鋼管截面形式，在同等工況條件作用下，鋼構(gòu)件的應(yīng)力比控制在20%～60%之間，長細(xì)比控制在150之內(nèi)(長度系數(shù)取1.0)。固定鋼支架采用圓鋼管截面形式耗鋼量是采用型鋼截面形式的65%，可以節(jié)約35%的鋼材量；半鉸支架采用圓鋼管截面形式耗鋼量是采用型鋼截面形式的64%，可以節(jié)約36%的鋼材量。

從表2可看出，當(dāng)支架的高度為14 m時，鋼支架分別采用型鋼和圓鋼管截面形式，在同等工況條件作用下，鋼構(gòu)件的應(yīng)力比控

制在20%～60%之間，長細(xì)比控制在150之內(nèi)(長度系數(shù)取1.0)。固定鋼支架采用圓鋼管截面形式耗鋼量是采用型鋼截面形式的76%，可以節(jié)約24%的鋼材量；半鉸支架采用型鋼截面形式耗鋼量是采用圓鋼管截面形式的80%，可以節(jié)約20%的鋼材量。

表2 管道支架對比表(二)

根據(jù)表1，表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，固定支架采用圓鋼管截面形式在耗鋼量上占優(yōu)勢，可以優(yōu)化設(shè)計，更為經(jīng)濟(jì)合理；半鉸支架采用圓鋼管截面形式時，主要受到平面外長細(xì)比的制約，支架越高，鋼柱長細(xì)比越不容易滿足規(guī)范要求，因此用鋼量也會隨著支架的高度而增大，耗鋼量甚至?xí)哂谛弯摻孛嫘问?，因此對于半鉸支架的優(yōu)化設(shè)計，應(yīng)根據(jù)支架的高度情況綜合分析，選擇合理經(jīng)濟(jì)的截面形式。

4 結(jié)語

本文介紹了鋼結(jié)構(gòu)管道支架設(shè)計的一般原則，并對實際算例進(jìn)行了有限元分析，計算了鋼支架采用不同截面時的應(yīng)力及自重，通過比較分析，在同等工況條件下，固定支架采用圓鋼管截面形式更為經(jīng)濟(jì)合理，可以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目的。除固定支架外，當(dāng)支架構(gòu)件采用圓鋼管截面形式時，由于支架鋼柱受到長細(xì)比的影響，對于高度較小的支架，采用圓形鋼管截面形式更為經(jīng)濟(jì)合理；對于高度較大的支架，可能要根據(jù)實際情況進(jìn)行綜合分析判斷，選擇更為經(jīng)濟(jì)合理的截面形式，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目的。

在實際工程中，圓形鋼管在外型上簡潔美觀，在一定的條件下更為經(jīng)濟(jì)合理，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目的，但是圓形鋼管的加工制作比較復(fù)雜，人工成本費(fèi)用偏高，在鋼支架設(shè)計時，不僅在結(jié)構(gòu)計算上需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，在鋼材加工及施工方面，也需要進(jìn)行優(yōu)化，才能達(dá)到整體優(yōu)化設(shè)計的目的，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究和探討。

[1] GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[2] 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》編寫組.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[3] 《管道支架設(shè)計手冊》編寫組.管道支架設(shè)計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1996.

[4] 祝遠(yuǎn)馳.余熱利用電廠鋼管道支架設(shè)計[J].山西建筑,2012,38(10):26-28.

Optimization design of steel structure of pipe support

LIU Tian-yi

(WuhanCityEnvironmentProtectionEngineeringLimitedCompany,Wuhan430070，China)

Introduces the general design principles of steel structure of pipe support and common structure type, taking a large gas pipe support design for example, steel members with different section of the stress and weight is calculated by using finite element method, through comparative analysis, summarize the reasonable, economical pipe support design principles， so as to achieve the goal of optimal design.

pipe support, finite element modeling, optimization design

1009-6825(2014)03-0054-02

2013-11-14

劉天怡(1981- )，女，碩士，工程師

TU318

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