浅谈民用建筑大型管道联合支架的选型方法及应用

浅谈民用建筑大型管道联合支架的选型方法及应用

作者：王定球 聂平 谢飞飞 程保祥 许志敏 来源：《城市建设理论研究》2012年第31期

摘要：作为综合管线平衡技术的延伸，结合工程实例根据管道综合布置，通过受力分析和型钢选型，使管道联合支架达到安全可靠和经济实用的效果。 关键词：管道、联合支架、钢结构、选型应用 中图分类号： TU81 文献标识码： A 文章编号：

越来越多的民用建筑大型工程已推广使用管线综合平衡技术，而在实施该技术的关键一环必会涉及到管道支架的联合问题，特别是在空调和换热站等大型管道集中的部位非常普遍采用联合支架。为了保证大型管道支架安装的安全合理和经济实用，势必需要通过对这种大型联合支架进行受力分析，合理选型以期达到最佳的配置。现就从管道联合支架的受力分析和选型校核等方面进行说明。 一、联合支架荷载说明

无论管道支架的形式是怎样的，都是用来承担管道系统各方面的荷载。主要考虑竖向和水平方向的荷载。竖向荷载主要考虑管道和介质、支架及保温层等重力，垂直于地面；水平荷载为管道热应力和介质推力，均沿管道轴线方向，介质推力只有在管道有口径变化和盲端处才产生。实际施工过程中的联合支架的荷载可以简化分为两大部分：垂直方向能承受管道及管道内介质重力和沿管道方向能承受管道波纹补偿器的变形反力和介质冲击力等力。 二、各种荷载解析： 竖向荷载计算：

1、大型管道的联合支架的计算间距暂按6米考虑（一般两跨主梁的距离，每个支架承重按6m的管线的重力计算）。单个联合支架上的重力荷载确定：

1）各类钢制管道自重， 根据经验公式：M=0.02466*(D—d)*L (D 管外径、d壁厚、L管长)估计。其他管材参照各相应的标准选取；

2）各类管道重量按保温管与不保温管两种情况计算。

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① 保温管道：按设计管架间距的管道自重、满管水重、40mm厚度保温层及以上三项之合计算。保温材料容量按岩棉100Kg/m3计。

②不保温管道：按设计管架间距内的管道自重、满管水重及以上两项之合计算。 ③各联合支架间的管重均未计入阀部件重量，大型阀部件另外采取加强措施。 3) 管道中介质重量=πr2ρ介质L(r管外半径)

考虑制造、安装等因素，垂直荷载采用管架间距的重量荷载乘1.2~1.35（保险系数）。 2、水平荷载可以从波纹补偿器的技术参数里查出，并注意补偿器的盲端力。由于补偿器的形式不同，其产生的变形反力也不同，不考虑自然微补偿，只考虑波纹和套管式补偿器因变形产生的弹力。管道内的水压力产生的推力是在管道内的水压力的作用下，当管径发生变化或管道的盲端都会产生推力，该力一般在水泵的出口处重点考虑。管内水压力的作用，会在垂直于管道内壁面上形成冲击力，这个冲击力需要根据水流产生冲量进行计算考虑。 3、 其他荷载处于室内不考虑风荷载，另外偶然荷载如地震等不考虑。 二、联合支架的受力分析：

如何选用经济合理的型材来制作支架就是本文所需面临的课题。运用《钢结构设计规范》GB50017-2003（以下简称《规范》）的相应公式进行计算，主要从以下几个方面进行联合支架的受力分析、选型和校验。 1、竖杆的选型计算和校核：

主要针对支架受到管道及管内介质及保温层的重力引起的拉力或压力可能将支架拉断或压断的情况，要求所选定的型钢在最大的受拉或受压力［Nmax］下，选用最小横截面的型钢满足强度和稳定性的要求。

支架拉杆或压杆按轴心受拉或受压构件计算，并考虑了一定的腐蚀余量，竖杆净面积An按《规范》5.1.1式： 1.5N An≥———— 0.85f

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式中：An- 吊杆净截面积（mm2）、N - 吊杆拉力设计值（N）、f -钢材强度设计值（N/mm2）,型钢为215Mpa

根据计算得出的An，对照型钢参数表选用相应的型钢作为拉杆或压杆，然后对强度和稳定性进行校核。

2、横梁的选型计算和校核：

主要针对竖向荷载可能引起下端横梁因受剪力断裂和弯矩的变形的问题，要求所选定的型钢在受拉或受压力Vmax和Mmax下，选用最小横截面的型钢满足其强度要求。 横梁的选型计算，根据《规范》4.2.2式： Mmax Wx≥——— f

式中：Wx - 截面抵抗矩（mm3）、f-型钢的抗弯强度设计值（N/mm2）、Mmax-横梁上的最大弯矩

根据计算得出的Wx，对照型钢参数表，选用合适的型钢，再进行横梁的强度校核正应力和切应力。

3、联合支架的稳定性校验

支架的失稳状态主要由于受到支架平面内和管轴方向的外力造成支架整体倒塌的情况。一般情况下应考虑的管道外力有，管道与支架的摩擦力、管道热应力和水力冲击力。

1）摩擦力F摩=μ*q (kgf/m)*L (m) (μ摩擦系数一般取0.3；q单位管长的重量, L等于热力管长)

2）管道热力应力计算：

① 补偿器弹性力Pd1= K（kg/mm)*ΔL (mm) (K刚度、ΔL轴向补偿量)

（刚度查补偿器参数表；轴向补偿量：0.012*(T工作温度-T环境温度)*L（L等于热力管道长度，室内补偿器设置距离按30m考虑）

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② 盲端推力P盲=P(Mpa)*10*(A1-0.7A2)( P管道介质的静压力(A1为、A2为补偿器的有效面积)

3)水力冲击力F冲=ρ水*S*υ^2（ρ水水密度、S管道过水截面积、υ水流流速，一般为水泵启泵流速）。

三、依据上述的分析思路，结合实际的工程情况，现以西安市儿童医院门诊医技综合楼安装工程的制冷机房内常见的落地联合支架进行受力分析、选型和校验。

1、计算单管荷载按照上述管道布置图，根据前述计算荷载的规则，每米单管质量：380.16kg/m=3.801KN/m。每根单管作用于支架上的荷载：3801.6*6/2=11.40KN,乘以分项保险系数1.30，单管的荷载设计值为N=11.40*1.30=14.82KN，便于计算取整N=15KN。