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獨(dú)立式管支架的設(shè)計(jì)

王飛*王飛：工程師。2008年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)獲碩士學(xué)位。從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話：(010)58675756， E-mail：wangfei@hqcec.com。中國(guó)寰球工程公司北京100012

摘要分析同樣條件下剛性管支架和柔性管支架設(shè)計(jì)的區(qū)別，介紹判斷獨(dú)立式管架是剛性管支架還是柔性管支架的方法，科學(xué)地進(jìn)行獨(dú)立式管架設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞獨(dú)立式管支架剛性管支架柔性管支架

在化工設(shè)計(jì)中，獨(dú)立式管支架是除管廊外，應(yīng)用非常廣泛的管支架形式。獨(dú)立式管支架按照柱剛度分為剛性管支架和柔性管支架。從工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)所見(jiàn)分析，獨(dú)立式管支架很多時(shí)候只是按照剛性管支架進(jìn)行設(shè)計(jì)，即根據(jù)上游專業(yè)所提的管架頂部受力情況，計(jì)算出水平摩擦力，進(jìn)而對(duì)管架進(jìn)行受力分析和管架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。這樣致使有些情況下，尤其是管道熱膨脹量小時(shí)的管架設(shè)計(jì)并不合理。

1獨(dú)立式管支架定義

根據(jù)《化工、石油化工管架、管墩設(shè)計(jì)規(guī)定》 HG/T 20670-2000(以下簡(jiǎn)稱“規(guī)定”)，獨(dú)立式管支架是相鄰管架之間無(wú)縱向聯(lián)系構(gòu)件的管架。獨(dú)立式管支架分為剛性管支架和柔性管支架。

剛性管支架的管架柱剛度較大，管架頂?shù)淖冃尾荒苓m應(yīng)管道受熱變形的需要，管道與管架頂部接觸面產(chǎn)生相對(duì)位移，承受管道膨脹時(shí)產(chǎn)生的摩擦力。

柔性管支架的管架柱剛度較小，管頂?shù)淖冃文苓m應(yīng)管道受熱的變形需要，管道與管架頂部接觸面無(wú)相對(duì)位移，承受柱頂變位產(chǎn)生的水平推力。

2剛性和柔性管支架的設(shè)計(jì)對(duì)比

剛性管支架由于頂部變形不能適合管道的熱變形，發(fā)生相對(duì)位移，承受的是管道施加的摩擦力Fm；柔性活動(dòng)支架由于頂部變形能夠滿足管道的熱變形，沒(méi)有相對(duì)位移，管架承受的是頂部變位產(chǎn)生的水平推力Ff?！耙?guī)定”說(shuō)明：Fm>Ff時(shí)按照柔性支架計(jì)算，F(xiàn)m≤Ff時(shí)，按照剛性支架計(jì)算?；顒?dòng)管架水平荷載簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1　活動(dòng)管架水平荷載簡(jiǎn)圖

下面，以實(shí)際工程中“T”型獨(dú)立活動(dòng)管支架(見(jiàn)圖2)為例說(shuō)明獨(dú)立式管架剛、柔性判斷及設(shè)計(jì)的區(qū)別。

圖2“T”型獨(dú)立活動(dòng)管支架簡(jiǎn)圖

獨(dú)立式管道支架間跨度為10m，荷載設(shè)計(jì)值3kN/m(包括管道自重、介質(zhì)重等)，運(yùn)行期間管道由于溫度變化發(fā)生變位△=40mm，管架柱高度為H=4m，柱腳設(shè)計(jì)為剛接。

2.1　判斷管架類型

初選管架柱截面：HW150X150。根據(jù)“規(guī)定”4.1.3，牽制系數(shù)Kj=1.0。根據(jù)“規(guī)定”第4.3.3條：

Fm=0.3·G·Kj=0.3×30×1.0=9 kN

G=3×10=30 kN

根據(jù)“規(guī)定”第4.3.5條：

Ff=3·E·I·Δ·Kj÷H3

=3×206×106×564×10-8×40×10-3×1.0÷43

=2.18 kN

因?yàn)镕m>Ff，這意味著管道與支架頂板之間不發(fā)生相對(duì)位移，根據(jù)“規(guī)定”4.3.2，按照柔性管支架進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)圖1(b)。

2.2　強(qiáng)度計(jì)算

管架柱底部彎矩：

My=Ff·H+G·Δ=2.18×4+30×0.04

=9.92 kN·M

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003，公式5.2.1：

強(qiáng)度滿足要求。

2.3　整體穩(wěn)定計(jì)算

λx=μx·H/ix

=2.03×4000/63.9=127.07<200

λy=μy·H/iy

=1.5×4000/37.3=160.86<200

長(zhǎng)細(xì)比滿足要求。

根據(jù)《鋼規(guī)》表5.1.2-1，對(duì)于x軸，屬于b類截面，查附錄C，得穩(wěn)定系數(shù)φx=0.401，對(duì)于y軸，屬于b類截面，查附錄C，得穩(wěn)定系數(shù)φy=0.273。

根據(jù)《鋼規(guī)》公式5.2.5-1，穩(wěn)定應(yīng)力：

整體穩(wěn)定滿足規(guī)范5.2.5-1式。

根據(jù)《鋼規(guī)》公式5.2.5-2，穩(wěn)定應(yīng)力：

=147.07 N/mm2

整體穩(wěn)定滿足規(guī)范5.2.5-2式。

2.4　基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

地基承載力取80kPa，基礎(chǔ)埋深2m，計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)尺寸選用：1400×1000可滿足要求。

如果事先不判斷管架類型，只考慮管架頂部受力，按照剛性管架設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖1(a)。

管架柱底部彎矩最大：

M=Fm·H=9×4=36 kN·m

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50017-2003，公式5.2.1，強(qiáng)度計(jì)算：

=428.31>f=215 N/mm2

這時(shí)，HW150×150不能滿足強(qiáng)度要求，需加大鋼柱截面。

進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，同樣地基承載力取80kPa，基礎(chǔ)埋深2m，計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)尺寸選用：2300×1000 才能滿足要求。

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)具體的算例可以看出，當(dāng)進(jìn)行獨(dú)立式管道支架設(shè)計(jì)時(shí)，管架頂部的水平力是關(guān)鍵。所以，設(shè)計(jì)起始，判斷管架頂部是承受管道膨脹時(shí)產(chǎn)生的摩擦力還是頂部變位產(chǎn)生的水平推力，進(jìn)而按照剛性管架或者柔性管架設(shè)計(jì)是非常必要的，可以使同樣情況下的管架設(shè)計(jì)更加科學(xué)、合理。

進(jìn)行獨(dú)立式管架剛、柔性判斷的前提之一是了解管道的熱膨脹情況，這就要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在專業(yè)間的溝通方面，扮演積極的角色，不但要和上游專業(yè)了解管道傳給管架的力的情況，而且要知道管道在管支架頂部的熱膨脹量或者其溫度變化情況。

參考文獻(xiàn)

1HG/T 20670-2000，化工、石油化工管架、管墩設(shè)計(jì)規(guī)定[S].

2GB 50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

收稿日期(2015-03-30)