綜合管廊管架有限元分析

王旭昶 王勝 王春柏

摘 要：本文結(jié)合某市綜合管廊項(xiàng)目，通過(guò)有限元分析軟件對(duì)比分析了DN500熱力管道懸臂管架和簡(jiǎn)支管架的受力特點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)當(dāng)懸臂管架與簡(jiǎn)支管架剛度控制條件相同時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)懸臂管架用鋼量更少。

關(guān)鍵詞：綜合管廊;管架;有限元

中圖分類(lèi)號(hào)：U173? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2019）08-0110-03

在綜合管廊工程中，管道支架的應(yīng)力分析是比較復(fù)雜的，其根本原因是管架的荷載工況較為復(fù)雜，需要考慮各方向靜力、溫度作用、地震作用以及防連續(xù)破壞。因此，為了得出管架的主控條件，本文結(jié)合實(shí)際工程對(duì)DN500熱力固定管架進(jìn)行了有限元分析。

1項(xiàng)目背景

本文項(xiàng)目所在區(qū)域地抗震設(shè)防烈度為6度，地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，反應(yīng)譜特征周期為0.35s?？拐鹪O(shè)防類(lèi)別為重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)（乙類(lèi)），抗震等級(jí)為三級(jí)，管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1所示。

2計(jì)算模型

模型考慮焊縫尺寸，通過(guò)倒角模擬焊縫，不建立柱腳構(gòu)造，在計(jì)算中通過(guò)柱腳的邊界條件模擬柱腳構(gòu)造。計(jì)算進(jìn)行熱固耦合分析，采用實(shí)體單元，材料選用Q235B，本構(gòu)關(guān)系參考《碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 700-2006）第5.4.1條及表2中的數(shù)值，當(dāng)厚度小于16mm時(shí)，屈服強(qiáng)度采用235MPa，極限強(qiáng)度采用370MPa;當(dāng)厚度為16mm～40mm時(shí)屈服強(qiáng)度采用225MPa，極限強(qiáng)度采用370MPa。鋼材彈性模量采用206×103N/mm2，剪切模量采用79×103N/mm2，線膨脹系數(shù)采用12×10-6mm/℃，質(zhì)量密度采用7850kg/m3。

荷載標(biāo)準(zhǔn)值及介質(zhì)溫度由熱力專(zhuān)業(yè)提供，如表1所示。由于采用壓力平衡型波紋補(bǔ)償器，在試壓工況時(shí)，管道不對(duì)管架產(chǎn)生作用力。

廊內(nèi)溫度由通風(fēng)專(zhuān)業(yè)提供，安裝溫度按5℃考慮，廊內(nèi)允許最高溫度40℃。

進(jìn)行荷載組合后，各工況下荷載沿各坐標(biāo)軸的分量如表2所示。

在初選截面階段，可以?xún)H考慮管道軸向力的作用。截面控制因素如表3所示。

根據(jù)截面控制因素并參考《熱軋H型鋼和部分T型鋼》（GB/T 11263-2017）中的市場(chǎng)常用規(guī)格，對(duì)懸臂管架柱選用HN600×200;對(duì)簡(jiǎn)支管架選用HN700×300。管道橫擔(dān)參考《結(jié)構(gòu)用冷彎空心型鋼》（GB/T 6728-2017）選用200×100×6方鋼管。

僅建立固定管架，簡(jiǎn)支式固定管架與懸臂式固定管架模型如圖2所示。

3計(jì)算結(jié)果

3.1 運(yùn)行工況

經(jīng)過(guò)有限元計(jì)算，運(yùn)行工況下的von-Mises等效應(yīng)力云圖如圖3所示。

柱腳反力如表4與表5所示。

計(jì)算結(jié)果顯示，除去應(yīng)力奇異點(diǎn)后，簡(jiǎn)支式固定管架各項(xiàng)結(jié)果均滿(mǎn)足運(yùn)行工況設(shè)計(jì)要求。

3.2 事故工況

經(jīng)過(guò)有限元計(jì)算，運(yùn)行工況下的von-Mises等效應(yīng)力云圖如圖4所示。

柱腳反力如表6與表7所示。

計(jì)算結(jié)果顯示，除去應(yīng)力奇異點(diǎn)外，簡(jiǎn)支式固定管架各項(xiàng)結(jié)果均滿(mǎn)足事故工況設(shè)計(jì)要求。

4對(duì)比分析

從分析的結(jié)果來(lái)看，固定管架的設(shè)計(jì)是由變形控制的，當(dāng)設(shè)計(jì)的固定管架滿(mǎn)足變形設(shè)計(jì)要求時(shí)，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性往往都滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。因此，固定管架設(shè)計(jì)的控制因素為剛度條件。

從經(jīng)濟(jì)方面考慮，簡(jiǎn)支管架用鋼1730.8kg，懸臂管架用鋼561.47kg。按照熱力管道60m設(shè)置一處固定管架的間距考慮，一公里綜合管廊內(nèi)懸臂式固定管架較簡(jiǎn)支式固定管架用鋼量節(jié)約了18709.28kg。按鋼材4500元/1000kg計(jì)算，每公里綜合管廊內(nèi)固定管架可節(jié)約投資84191.76元。

5結(jié)論

在一般的綜合管廊中，懸臂式管架能更符合管廊內(nèi)部空間的要求，同時(shí)較簡(jiǎn)支式管架更加節(jié)約鋼材和施工時(shí)長(zhǎng)。簡(jiǎn)支式管架只有在熱力艙凈高由熱力管線控制時(shí)更加經(jīng)濟(jì)，但是對(duì)于實(shí)際工程遇到的綜合管廊斷面而言，簡(jiǎn)支式管架的經(jīng)濟(jì)性不高。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院. 發(fā)電廠汽水管道支吊架設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 中西書(shū)局， 2011.

[2]GB/T 17116.1-1997《管道支吊架 第1部分：技術(shù)規(guī)范》

[3]GB/T 700-2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》

[4]GB/T 11263-2017《熱軋H型鋼和部分T型鋼》

[5]GB/T 6728-2017《結(jié)構(gòu)用冷彎空心型鋼》