橋梁工程論文發(fā)表縱梁式管道支架研究

　　【摘 要】:本文對(duì)火力發(fā)電廠管道支架的設(shè)計(jì)中采用的縱梁式管道支架結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析，總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其優(yōu)越性提出見解。

　　【關(guān)鍵詞】:縱梁式管道支架,受力特性,計(jì)算要點(diǎn),優(yōu)越性

　　1 前言

　　在火力發(fā)電廠的土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，廠區(qū)管道支架是較為常見的特種結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式一般較為簡(jiǎn)單，但設(shè)計(jì)工作卻比較繁瑣。究其原因，一方面是因?yàn)橹Ъ芩惺艿墓艿篮奢d通常比較復(fù)雜，而且同一支架布設(shè)線路上的管道往往不止一種;另一方面則是因?yàn)閺S區(qū)管道支架的設(shè)計(jì)工作多數(shù)是在設(shè)計(jì)末期完成，此時(shí)廠區(qū)的綜合管線布置已基本確定，管道支架的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)會(huì)受到錯(cuò)綜復(fù)雜的地下管線敷設(shè)的影響。如能選擇一種技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、方便設(shè)計(jì)和安全適用的支架結(jié)構(gòu)形式，將給設(shè)計(jì)帶來很大方便，既可避免設(shè)計(jì)中不必要的麻煩，也可方便施工和安裝，同時(shí)節(jié)約工程造價(jià)，使運(yùn)行更加安全可靠。

　　《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《土規(guī)》)中第11.11節(jié)介紹了支架與支架間無縱向構(gòu)件聯(lián)系的獨(dú)立式管道支架的設(shè)計(jì)。該部分內(nèi)容適用于管徑較粗、支架布置較疏、廠區(qū)地下管線對(duì)管道支架基礎(chǔ)影響較小的情況。當(dāng)管徑偏細(xì)，尤其當(dāng)有管徑差異較大的多種管道同時(shí)架設(shè)于一組支架上時(shí)，所需的支架則往往間距較密，一味地采用獨(dú)立式管道支架則會(huì)造成較大浪費(fèi)，且此時(shí)若廠區(qū)地下管線的布置影響到管道支架的基礎(chǔ)生根時(shí)，該結(jié)構(gòu)形式的可行性都將無法保證。如果適當(dāng)減少獨(dú)立式管道支架立柱，在相鄰立柱間用縱梁加以聯(lián)系，并在縱梁上加設(shè)橫梁代替省去的支架，則既解決了支架基礎(chǔ)的生根問題，又在一定程度上減少了支架數(shù)量，使結(jié)構(gòu)更經(jīng)濟(jì)合理、安全適用。在此，本人根據(jù)國(guó)內(nèi)部分工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本人的設(shè)計(jì)實(shí)踐，對(duì)縱梁式管道支架的設(shè)計(jì)作以分析和探討，以便拋磚引玉，供同行在實(shí)踐中不斷改進(jìn)和完善，使之在電力設(shè)計(jì)行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用和推廣。

　　2 縱梁式管道支架的結(jié)構(gòu)組成

　　縱梁式管道支架通常由獨(dú)立式管道支架、縱梁、橫梁和柱間支撐組成，如圖一所示，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖二。

　　獨(dú)立式管道支架結(jié)構(gòu)同《土規(guī)》第11.11節(jié)做法。縱梁和橫梁可采用型鋼梁或鋼筋混凝土梁，橫梁與縱梁間采用簡(jiǎn)支連接，縱梁與柱的連接采用鉸接。每段縱梁式管道支架內(nèi)于靠近中部設(shè)一處柱間支撐。管道固定點(diǎn)設(shè)在橫梁上。

　　當(dāng)管道的架設(shè)不止一層時(shí)，可根據(jù)需要相應(yīng)地將縱橫梁設(shè)計(jì)為多層。

　　3 縱梁式管道支架的受力特性

　　由電力設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知，工藝專業(yè)用于直接支承管道的管道支架常見的有以下4種類型：滑動(dòng)支架、導(dǎo)向支架、固定支架和彈簧支架。其中彈簧支架僅承受管道傳來的豎向荷載Fy作用，滑動(dòng)支架承受豎向荷載Fy和雙向的水平摩擦力Fx、Fz作用，導(dǎo)向支架承受豎向荷載Fy、沿管道方向的水平摩擦力Fx以及垂直于管道方向的水平推力Fz作用，固定支架則不僅要承受豎向荷載Fy和雙向水平推力Fx、Fz作用，還要承受三個(gè)方向的彎矩荷載Mx、My、Mz作用。x、y、z及Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz的方向規(guī)定見圖三所示。

　　當(dāng)采用縱梁式管道支架時(shí)，由于管道固定點(diǎn)設(shè)在橫梁上，以上4種類型支架的荷載(Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz)便通過橫梁傳遞給縱梁，轉(zhuǎn)變?yōu)榭v梁的拉力、壓力和彎矩作用，詳見圖四(a)～(f);縱梁垂直于管道方向的水平荷載(見圖四(e))分配傳遞給兩端的獨(dú)立式支架;整個(gè)縱梁式管道支架的所有縱梁沿管道方向的不平衡推力則由各柱和柱間支撐共同承受,如：工藝管道支架作用于縱梁式管道支架上的x方向水平荷載共有n個(gè)，分別為F1～Fn,則對(duì)于整個(gè)支架體系而言，所受的x方向水平荷載Fx合應(yīng)為：

　　Fx合=F1+F2+…+Fn= 。

　　4 縱梁式管道支架的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　在收到工藝專業(yè)提供的相關(guān)管道支架布置和荷載資料后，應(yīng)根據(jù)資料情況確定最簡(jiǎn)單合理的縱梁式管道支架布置方式。根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本人認(rèn)為，當(dāng)管道直段部分總長(zhǎng)度小于鋼結(jié)構(gòu)的最大溫度區(qū)段長(zhǎng)度限值時(shí)，管道支架可設(shè)計(jì)成連續(xù)的縱梁式管道支架，也可分成較均勻的幾段各自獨(dú)立的縱梁式管道支架。當(dāng)縱梁式管道支架較長(zhǎng)時(shí)，可在靠近兩端頭處的對(duì)稱位置上各設(shè)一道柱間支撐;當(dāng)縱梁式管道支架較短時(shí)，可在靠近支架中段處設(shè)一道柱間支撐。為避免獨(dú)立式支架柱承受更多的不平衡水平荷載，柱間支撐應(yīng)盡可能布置在固定支架附近。這樣既可減少水平荷載對(duì)縱梁的影響，又可使整個(gè)結(jié)構(gòu)受力均衡。管道轉(zhuǎn)向處，兩個(gè)方向應(yīng)分別設(shè)各自獨(dú)立的縱梁式管道支架，避免出現(xiàn)兩個(gè)方向的縱梁式管道支架相交并共用支架柱的情況，因?yàn)榇俗龇ú粌H不能從梁柱數(shù)量上節(jié)省材料，而且會(huì)使整個(gè)結(jié)構(gòu)變得混淆不清，受力情況更加復(fù)雜，導(dǎo)致計(jì)算失真。

　　當(dāng)縱梁隨管道的分層布置設(shè)為多層時(shí)，為保證結(jié)構(gòu)的合理性，柱間支撐也應(yīng)每層均設(shè)。這樣便于增加整個(gè)結(jié)構(gòu)的x方向剛度，減小各獨(dú)立式管道支架的柱中段彎矩。當(dāng)柱間支撐的斜桿受壓穩(wěn)定計(jì)算難以通過時(shí)，可視其為單向受拉桿件，即柱間支撐按單向拉桿計(jì)算。

　　在管道跨路等支架柱較高處，縱梁式管道支架柱往往因計(jì)算長(zhǎng)度較長(zhǎng)而導(dǎo)致截面過大或計(jì)算難以通過，此時(shí)可將柱根與基礎(chǔ)連接處設(shè)計(jì)成鉸接，即x方向上柱變成了兩端鉸接的搖擺柱(見圖五(a))，這樣，柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)便可取為1.0。在 z方向上，該柱所在的獨(dú)立式管道支架就成了兩柱腳鉸接的門形架。如果z方向上柱的計(jì)算難以通過，則可考慮在柱中段處增加橫梁以減小柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)(見圖五(b))。在縱梁式管道支架總長(zhǎng)度較短、高度較低、荷載較小時(shí)，為計(jì)算和施工方便，甚至可以把所有獨(dú)立式支架柱均設(shè)計(jì)成x方向?yàn)閾u擺柱、z方向?yàn)殚T形架的形式，此時(shí)如果柱間支撐按單向拉桿考慮，則x方向便成為靜定結(jié)構(gòu)(見圖六)，從而大大方便了計(jì)算。同時(shí)，獨(dú)立式支架柱基礎(chǔ)僅受軸向力作用，不僅計(jì)算更加方便快捷，而且基礎(chǔ)尺寸也變得非常經(jīng)濟(jì)。

　　值得一提的是，在結(jié)構(gòu)計(jì)算的過程中，由于橫梁直接承受工藝管道支架傳來的荷載，受力情況往往比較復(fù)雜。例如，當(dāng)梁上布置有彈簧支架時(shí)，橫梁為受彎構(gòu)件;當(dāng)梁上布置有滑動(dòng)支架或?qū)蛑Ъ軙r(shí)，橫梁可視為雙向偏心受壓構(gòu)件或雙向受彎構(gòu)件(受壓穩(wěn)定性不起控制作用);當(dāng)梁上布置有固定支架時(shí)，將同時(shí)承受Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz六種荷載，此時(shí)，橫梁處于壓、彎、剪、扭的復(fù)雜受力狀態(tài)，依靠現(xiàn)有的計(jì)算公式不僅計(jì)算過程復(fù)雜，而且難以得出符合事實(shí)的計(jì)算結(jié)果。針對(duì)這一問題，結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本人建議固定支架采用雙橫梁進(jìn)行承擔(dān)，即將固定支架生根處的橫梁設(shè)為兩道，其間距在滿足工藝安裝要求的前提下盡可能加大，這樣一來，原來由單榀橫梁承受的平面外彎矩My便轉(zhuǎn)化成了兩榀橫梁的z方向的軸力，原來由單榀橫梁承受的扭矩Mz便轉(zhuǎn)化成了兩榀橫梁的跨中豎向荷載。荷載的轉(zhuǎn)化示意見圖七。

　　另外，橫梁生根于縱梁上，傳遞給縱梁的作用力可能包括Fx、Fy、Fz、Mz四種荷載。由于水平荷載Fx靠縱梁傳遞至獨(dú)立式管道支架和柱間支撐，縱梁所受的軸向力作用效應(yīng)就不能忽略。在這四種荷載的作用下，縱梁應(yīng)按雙向偏心受壓構(gòu)件計(jì)算。

　　5 縱梁式管道支架的優(yōu)越性

　　與傳統(tǒng)的獨(dú)立式管道支架相比，縱梁式管道支架存在以下優(yōu)越性：

　　一、適于解決廠區(qū)地下設(shè)施復(fù)雜、立柱難的問題。這一點(diǎn)開篇已提到，在此不再贅述。

　　二、在工藝管道支架間距較小的情況下，能夠減少立柱，節(jié)省造價(jià)，同時(shí)，當(dāng)縱梁式管道支架采用鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，還可以有力地減少柱基礎(chǔ)的混凝土施工量，縮短施工周期。

　　三、將由多個(gè)獨(dú)立式管道支架承受的沿管道布置方向(即x向)的水平荷載F1～Fn相互抵消，合并為一個(gè)不平衡推力Fx合，有力地降低了作用于支架柱和柱間支撐頂部的x向水平推力，使柱根彎矩變小，從而大幅度減小了支架中各獨(dú)立式管道支架的柱斷面和柱基礎(chǔ)，進(jìn)一步節(jié)省了造價(jià)。

　　四、設(shè)計(jì)過程中縱梁如果保留一定的安全儲(chǔ)備，使橫梁在縱梁上的定位能夠適當(dāng)根據(jù)需要調(diào)整，則可使工藝專業(yè)的管道支架布置變得靈活，既能減少設(shè)計(jì)過程中的專業(yè)間配合工作量，又能增加對(duì)工藝專業(yè)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的容錯(cuò)性，在工藝專業(yè)圖紙存在差錯(cuò)時(shí)減小設(shè)計(jì)和施工的返工工作量。

　　五、采用縱梁式管道支架，整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力則更加明確，便于在設(shè)計(jì)中使用PKPM等結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，從而使計(jì)算變得相對(duì)簡(jiǎn)單。同時(shí)，由于多個(gè)獨(dú)立式支架合并成為一個(gè)整體，當(dāng)個(gè)別工藝管道支架失效時(shí)，其荷載由相鄰的支架分擔(dān)，大大提高了結(jié)構(gòu)的安全度。

　　六、當(dāng)支架采用鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)的獨(dú)立式管道支架，縱梁式管道支架顯得更加輕捷、美觀大方，更具現(xiàn)代氣息。

　　6 工程實(shí)例

　　華電滕州新源熱電有限公司二期擴(kuò)建工程中的廠區(qū)熱網(wǎng)和回水綜合管道支架設(shè)計(jì)中，考慮到地下管線布置錯(cuò)綜復(fù)雜，管架上各管道支座間距不一且荷載形式多樣，便采用了縱梁式管道支架結(jié)構(gòu)形式。茲選取較為典型的局部支架段布置為例(見圖八)，在該支架段中，縱向?yàn)閹еg支撐的多跨排架結(jié)構(gòu)，橫向?yàn)閱螌踊騼蓪涌蚣芙Y(jié)構(gòu)，形成完整的受力結(jié)構(gòu)體系。所有導(dǎo)向支架、固定支架和彈簧支架均采用雙次梁支承。因結(jié)構(gòu)荷載布置和結(jié)構(gòu)計(jì)算過于繁瑣，在此不再贅述。

　　7 存在的問題

　　在工程設(shè)計(jì)中，管道荷載的準(zhǔn)確采用與否直接決定了結(jié)構(gòu)計(jì)算是否符合實(shí)際。而由于專業(yè)間設(shè)計(jì)思路和認(rèn)識(shí)往往存在差異，致使提供給土建結(jié)構(gòu)專業(yè)的工藝管道荷載通常與土建的設(shè)計(jì)要求不匹配，這些荷載常常是匯聚了所有工況下的全部最大荷載的絕對(duì)值。如管架的縱向推力，在實(shí)際中其荷載并非都朝向同一方向。在接到荷載資料后，為保證結(jié)構(gòu)的安全性，土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員往往把這些荷載機(jī)械地加在同一方向上，既與實(shí)際不符，又造成了材料浪費(fèi)。目前國(guó)內(nèi)電力行業(yè)常用的用于計(jì)算管道荷載的程序主要有西北院和東北院開發(fā)的GLIF程序以及從美國(guó)引進(jìn)的CAESAR II程序，這些程序不但能計(jì)算正常工況下的管道荷載，還能計(jì)算出在地震、水擊等偶然荷載發(fā)生下的管道荷載，計(jì)算結(jié)果中支架受力既有大小，又有方向，完全能夠滿足土建專業(yè)的設(shè)計(jì)要求。因此，要想進(jìn)一步提高管道支架設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理性，就應(yīng)設(shè)法與工藝專業(yè)加強(qiáng)交流與溝通，通過深入探討找出既符合實(shí)際又滿足設(shè)計(jì)要求的荷載。對(duì)這些荷載進(jìn)行進(jìn)一步分析和計(jì)算，篩選出最不利的荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

　　8 結(jié)束語

　　縱梁式管道支架在冶金、化工和石油工程等行業(yè)中已被廣泛采用，而在電力行業(yè)，目前尚無較完善的規(guī)程規(guī)范與之適應(yīng)。希望本文與同仁的交流能夠達(dá)到共同開拓和提高的目的，以期早日實(shí)現(xiàn)管道支架設(shè)計(jì)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，使這一設(shè)計(jì)更加安全、可靠、合理、經(jīng)濟(jì)。

　　參考文獻(xiàn);

　　[1] 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)

　　[2] 《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(DL 5022—2012)

　　[3] 《簡(jiǎn)明管道支架計(jì)算及構(gòu)造手冊(cè)》曲昭嘉 王瑾 曲圣偉 主編機(jī)械工業(yè)出版社， 2002年8月