钢结构管道支架的优化设计
发表时间：2016-11-18T16:56:00.933Z 来源：《低碳地产》2016年9月第18期作者：祁君[导读] 近年来，在我国工业建筑项目中钢结构管道支架应用越来越广泛，它也是管道工程设计的重要组成部分，管道介质主要有热力管道、蒸汽管道、水管、除尘风管、烟气管道、压缩空气管道、硫铵溶液输送管道等。中国新时代国际工程公司陕西省 710018 【摘 要】文章从钢结构管道支架设计的原则，钢结构管道支架常用结构类型，管道支架的选型，支架柱长细比的选择，管道支座的选择，某大型蒸汽管道支架优化设计实例分析六方面来介绍，【关键词】管道支架，有限元模型，优化设计近年来，在我国工业建筑项目中钢结构管道支架应用越来越广泛，它也是管道工程设计的重要组成部分，管道介质主要有热力管道、蒸汽管道、水管、除尘风管、烟气管道、压缩空气管道、硫铵溶液输送管道等。
一、钢结构管道支架设计的原则钢结构管道支架（以下简称管架或支架）设计应满足施工及正常使用状态下各种作用，偶然事故情况下结构维持必要的稳定。以可靠指标度量结构构件的可靠度，用含分项系数设计表达式进行计算，一般采用有限元或PKPM 计算软件，通过对支架的受力模型及动力特的分析，抗震地区还应考虑支架的抗震性能分析，从而设计出合理的钢结构管道支架。支架设计的一般原则主要有以下几个方面：
1、管道支架设计使用年限为50年。安全等级取一级，结构重要性系数γ0 取1.1。
2、所有结构构件均应进行承载力计算；有抗震设防要求的结构，尚应按规定进行结构构件抗震承载力验算。
3、管道支架横梁在垂直荷载及水平推力作用下，按照双向受弯构件计算。固定管道支架横梁的最大挠度不宜大于梁跨度的1/500；其他管道支架横梁的最大挠度不应大于梁跨度的1/250。竖向荷载（标准值）作用下的挠度容许值不大于L/400；管道水平推力（标准值）作用下的挠度容许值不大于L/400。沿管道横向风荷载标准值作用下的柱顶位移不大于H/400；固定管道支架沿管道纵向在管道水平推力作用下的柱顶位移为H/400；H 为支架高度。（4）地震基本烈度为8 度及8 度以上地区的活动管道支架应采用刚性活动管道支架。
二、钢结构管道支架常用结构类型独立式管架包括固定管架、刚性管架、柔性管架、半铰管架、双向活动管架（摇摆管架）。相对于固定管架，其他均属于活动管架。（1）固定管架上的管道一般采用固定管座，管架下端与基础固定，且多采用四柱式的双片支架。（2）刚性管架上的管道在管架上均采用滑动或滚动管座，管架下端与基础固定，一般采用双柱式单片支架。（3）柔性管架上的主动管道采用滑动或者铰接管座，其他管道可采用滑动管座，管架下端与基础固定，一般采用单柱式独立支架。(4) 半铰接管架上的主动管道采用铰接管座，管架下端沿纵向为半铰接，沿横向为固定。
三、管道支架的选型管道支架按材料可分为钢筋混凝土支架、钢支架等；按用途可分为固定支架和活动支架；按结构受力特点可分为刚性支架、柔性支架和半绞接支架;按外形
可分为T 形支架、Π形支架、单层支架、双层支架、多层支架、单片支架、空间刚支架或塔支架等。管道支架的选型,一般按以下几个原则综合考虑。
1、管道支架的结构材料选择一般在经济条件允许或在新建厂的管道支架设计中,施工工期要求紧且场地施工交叉多的情况下,管道支架宜优先采用钢结构；对于厂前区的管道支架,宜优先采用钢结构。采用钢结构的断面比采用钢筋混凝土结构的截面尺寸小,整体效果轻巧、协调、美观。
2、组合式支架的选择当管道跨越铁路或道路时,在管道的允许跨度不满足铁路或道路宽度要求的情况下,需要采用组合式支架,即在相邻支架上附加钢桁架、纵横梁等辅助跨越结构。为了道路的安全通行和机组的安全运行,跨铁路的辅助跨越结构底面(附加钢桁架的下弦或纵横梁的梁底)到铁路轨顶的最小垂直净距离不小于5.5m,跨道路的辅助跨越结构底面到道路路面的最小垂直净距不小于5m。
3、固定支架的选择固定支架的位置由工艺专业确定,支架型式通常为门形支架或Π形支架。当门形支架或Π形支架承受的纵向水平推力较大时,宜优先采用四柱式固定支架,即相邻的Π形或门形的单片支架采用纵梁连接。固定支架在纵向(沿管道轴向)和横向(垂直于管道轴向)均视为管道的不移动支点,应有足够的刚度,以保证管道系统的稳定,减小水平位移。高支架不宜作为固定支架。固定支架除了要承受固定点两侧相邻活动支架之间的垂直荷载外,还要承受2 个固定点之间所有的纵向水平推力。此时,固定支架结构受的水平力大,垂直力相对较小,这样使得基础的偏心距较大。如果高支架作为固定支架,相对作为固定支架的低支架来说,会增大支架柱的基础底面积和支架柱的断面,增加基础和柱的配筋,从经济角度不尽合理。因此,在土建专业施工图具体设计中,在固定支架允许跨距的条件下,适当调整位置,避开高支架作为固定支架。组合式支架不宜作为固定支架。组合式支架是跨铁路、道路的高支架,其纵向刚度较弱,故不宜作为固定支架。
4、门形支架和Π形支架的选择门形支架和Π形支架的抗扭能力和整体刚度都较强,特别适用于管道直径较大、根数较多的情况。只要条件允许,宜优先选用门形支架；当管道数量多,支架横梁跨度及横梁截面过大时,为减小横梁跨度和横梁截面,可选择Π形支架；当支架遇到挡土墙、地下沟道等障碍物时,可采用Π形支架,在不改变横梁位置的同时,调整支架柱的位置,使支架柱基础和支架柱避开障碍物。
四、支架柱长细比的选择实践效果表明,管道支架柱的截面尺寸大小,不仅要满足本身安全稳定性的要求,而且要注意与管道直径大小协调,避免产生头重脚轻或头轻脚重的感觉。根据经验,长细比范围为:对于钢筋混凝土结构的固定支架柱,一般在25～30;对于钢筋混凝土结构的活动支架柱,一般在35～40;对于钢结构的固定支架柱,一般在100～125;对于钢结构的活动支架柱,一般在125～150。
五、管道支座的选择
管道支座主要分固定支座、滑动支座和滚动支座。管道的固定支座用在固定支架上。由于管道的纵向水平推力较大,需要通过固定支座传递到固定支架上,所以一般采用管道与管托焊接,管托与支架柱顶部埋件焊接的连接方式。同时,为了保证顶部埋件的受力安全可靠,常常在顶部埋件下设置抗剪连接件。管道的滑动支座和滚动支座用在活动支架上。活动支架主要承受管道的垂直荷载和一定的水平摩擦力。为了减小水平摩擦力,以前常常采用低摩擦系数的滚动支座。由于滚动支座的滚轴在长时间的使用过程中容易生锈,阻碍滚轴的滚动,影响滚动摩擦的效果,因此,目前很少采用滚动支座。为了解决滚动支座中出现的问题,并同时达到滚动支座低摩擦系数的效果,目前常常采用聚四氟乙烯滑动支座,即在钢板之间的滑动面上涂上聚四氟乙烯材料。由于聚四氟乙烯具有低摩擦系数和很高的承载能力,其滑动支座不但滑动摩擦系数在0.10 以下(当施工安装有保障时,可达0.06；而钢板之间的滑动摩擦系数为0.30),而且具有较长的使用寿命和较长的低摩擦效果。
六、某大型蒸汽管道支架优化设计实例分析
1、有限元模型建立
采用SAP2000 有限元软件计算，建立有限元模型时，蒸汽管道支架可视为空间钢支架，模型和设计中，所有梁柱、立面斜撑节点均设置为铰接节点。计算不同高度、相同荷载工况下的固定支架和半铰接支架，两种支架形式分别采用型钢和钢管截面。
2、管道支架截面设计分析
从表1 可看出，当支架的高度为10 m 时，钢支架分别采用型钢和圆钢管截面形式，在同等工况条件作用下，钢构件的应力比控制在20% ～ 60% 之间，长细比控制在150 之内( 长度系数取1.0) 。固定钢支架采用圆钢管截面形式耗钢量是采用型钢截面形式的65% ，可以节约35% 的钢材量; 半铰支架采用圆钢管截面形式耗钢量是采用型钢截面形式的64% ，可以节约36% 的钢材量。从表2 可看出，当支架的高度为14 m 时，钢支架分别采用型钢和圆钢管截面形式，在同等工况条件作用下，钢构件的应力比控制在20%～ 60%之间，长细比控制在150 之内( 长度系数取1．0) 。固定钢支架采用圆钢管截面形式耗钢量是采用型钢截面形式的76%，可以节约24%的钢材量; 半铰支架采用型钢截面形式耗钢量是采用圆钢管截面形式的80%，可以节约20%的钢材量。
根据表1，表2 的数据进行综合分析，固定支架采用圆钢管截面形式在耗钢量上占优势，可以优化设计，更为经济合理; 半铰支架采用圆钢管截面形式时，主要受到平面外长细比的制约，支架越高，钢柱长细比越不容易满足规范要求，因此用钢量也会随着支架的高度而增大，耗钢量甚至会高于型钢截面形式，因此对于半铰支架的优化设计，应根据支架的高度情况综合分析，选择合理经济的截面形式。
在实际工程中，圆形钢管在外型上简洁美观，在一定的条件下更为经济合理，达到优化设计的目的，但是圆形钢管的加工制作比较复杂，人工成本费用偏高，在钢支架设计时，不仅在结构计算上需要进行优化设计，在钢材加工及施工方面，也需要进行优化，才能达到整体优化设计的目的，还需要进行进一步的研究和探讨。
参考文献：
[1]罗邦富，魏明钟等，钢结构设计手册（第三版）北京，中国建筑工业出版社，2009.
[2]《钢结构设计手册》编辑委员会.《钢结构设计手册》.中国建筑工业出版社，2004.
[3] 祝远驰．余热利用电厂钢管道支架设计[J]．山西建筑，2012。38(10)：26-28．
