管廊式管架設(shè)計心得及對其受力的分析和探討_孫超

1、文章編號:10096825(2012)25005802管廊式管架設(shè)計心得及對其受力的分析和探討收稿日期:20120629作者簡介:孫超(1982)，男，助理工程師孫超1呂秀平2(1北京眾聯(lián)盛化工工程有限公司，山西太原0300062中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所，山西太原030001)摘要:介紹了管架的定義和分類，總結(jié)了管廊式管架的設(shè)計特點，并對其進行了受力分析，結(jié)合工程實際探討了管架設(shè)計中水平推力的確定，強調(diào)管架設(shè)計要力求技術(shù)先進、安全適

2、用、經(jīng)濟合理。關(guān)鍵詞:管廊，縱梁，桁架，固定管架，活動管架中圖分類號:TU318文獻標(biāo)識碼:A隨著我國石油化工建設(shè)的迅速發(fā)展，生產(chǎn)裝置規(guī)模擴大，管架設(shè)計工作越來越多。在化工和石油化工企業(yè)內(nèi)，管架是支承全廠工藝生產(chǎn)裝置和供熱系統(tǒng)管道的主要結(jié)構(gòu)，它聯(lián)系著全廠每個生產(chǎn)裝置。一個大型石油化工廠管架多達500個以上，因此合理、經(jīng)濟、美觀的管架設(shè)計就顯得尤其重要。1管架的定義管架是支撐架空設(shè)置的管道系統(tǒng)中除管道外的全部結(jié)構(gòu)的總稱。2管架的分類1)按

3、管道在管架上的支承條件可分為:固定管架和活動管架兩種?；顒庸芗苡址譃閯傂?、柔性和鉸接三種。2)按支撐管線高度不同分為:低管架、中管架和高管架。3)按外形分為:T形，П形，A形，單層，雙層和多層，單榀框架式或組合立體框架式。4)按縱向聯(lián)系結(jié)構(gòu)分為:縱梁式，桁架式，吊索式等。工藝外管架中，因其管線上支線多，小管徑的管道數(shù)量多，且考慮到將來有可能擴建的需要，故常采用管廊式管架。3管廊式管架設(shè)計特點和受力分析31設(shè)計特點1)管廊式管架是在相鄰的

4、獨立式管架間設(shè)置縱向聯(lián)系構(gòu)件，如縱梁或桁架，構(gòu)成空間體系的結(jié)構(gòu)，它分為縱梁式或桁架式管架。2)伸縮縫間距與布置:全鋼結(jié)構(gòu)或縱梁采用鋼結(jié)構(gòu)，柱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時不大于120m，全鋼筋混凝土?xí)r不大于70m應(yīng)盡可能設(shè)置在補償器附近。3)管廊宜在每個溫度區(qū)段兩端設(shè)置縱向柱間支撐。4)桁架式管架的桁架上弦宜設(shè)置交叉形水平支撐，下弦宜在管架柱距左右兩側(cè)橫梁區(qū)域內(nèi)設(shè)置交叉形水平支撐。5)管廊式鋼管架，其節(jié)點連接一般采用焊接形式，可先用安裝螺栓臨時固

5、定，再行施焊，梁柱節(jié)點優(yōu)先考慮設(shè)計成剛接節(jié)點。6)跨馬路的凈距要求:主馬路不小于5m，一般馬路不小于45m。7)構(gòu)件的允許撓度:鋼橫梁L250(L為計算跨度)，鋼縱梁L400，鋼桁架L500。8)縱梁采用H型鋼或蜂窩型鋼梁縱梁或桁架與支柱的連接為鉸接。9)桁架的支座斜桿為升桿，即為壓桿，以減小支柱的計算長度。10)管架設(shè)計要考慮投產(chǎn)后的生產(chǎn)技術(shù)改造，增設(shè)各種管道，應(yīng)考慮設(shè)計余量11～13。11)處于嚴重腐蝕介質(zhì)生產(chǎn)裝置內(nèi)的鋼管架、鋼桁架

6、的鋼材和焊縫應(yīng)乘以腐蝕折減系數(shù)085。32受力分析每個溫度區(qū)段為一個計算單元，每個計算單元內(nèi)所承受的荷載有:1)垂直荷載:永久荷載(管道、附件、保溫層、防火層、介質(zhì)、儀表、電纜、平臺、走道板自重)活荷載(2kNm2)充水試驗重積灰荷載2)風(fēng)荷載:Wk=μsμzω0dld(含管道和管架風(fēng)荷載)3)冰雪荷載:(寒冷地區(qū)管壁溫度在0℃以下)Sk=μrs0d4)管道水平推力:由于管架設(shè)計中水平推力的確定尤其重要而且也比較復(fù)雜，所以下面具體探討一

7、下管道水平推力的確定。4管廊式管架水平推力的分析和探討縱梁式管架的管線的水平推力通過橫梁傳給縱梁，縱梁的不平衡力由柱間支撐承受，管架柱一般不承受水平推力。41中間管架水平推力的確定中間管架由于柱剛度不同可分為:Fm＞Ff為柔性中間管架Fm≤Ff為剛性中間管架。Fm=KjGlμ(作用在剛性中間管架上由于管道膨脹產(chǎn)生的摩擦力)qm=FmL(均布在剛性中間管架橫梁上的水平力)Ff=3EcIΔlkjH3n(鋼筋混凝土)Ff=3EIΔlkjH3n

8、(鋼結(jié)構(gòu))(柔性中間管架由于柱頂變位產(chǎn)生的彈性力)qf=FfL(均布在柔性中間管架橫梁上的水平力)。42固定管架橫梁上水平推力值1)管道補償器的彈性力標(biāo)準(zhǔn)值∑Fb2)關(guān)閉閥門時由介質(zhì)產(chǎn)生的內(nèi)壓力標(biāo)準(zhǔn)值∑Fn3)管道變形時:剛性中間管架摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值之和∑ni=1Fmi，柔性中間管架彈性力標(biāo)準(zhǔn)值之和∑ni=1Ffi。我公司在設(shè)計管架時由外管專業(yè)考慮了牽制系數(shù)kj，∑Fb(管道補償器的彈性力)，∑Fn(關(guān)閉閥門時由介質(zhì)產(chǎn)生的內(nèi)壓力)等因素，提

9、出了對每個管架的作用力。我們土建專業(yè)根據(jù)這些條件對管架受力進行分析，確定計算簡圖，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，下面簡述固定管架上管道水平推力確定的原理。43固定管架上管道水平推力的確定圖1為一個溫度區(qū)段內(nèi)的管道布置圖，該段管架不考慮關(guān)閉閥門時由介質(zhì)產(chǎn)生的內(nèi)壓力FN。取管架A～L為研究對象，假設(shè)中間管架為剛性管架，管道受熱膨脹后變形至虛線位置，這時產(chǎn)生兩種力，一種是管道補償器85第38卷第25期2012年9月山西建筑SHANXIARCHITECTURE

10、Vol38No25Sep2012的彈性力即Fb1，F(xiàn)b2另一種是管道變形時在中間管架上產(chǎn)生的摩擦力的反力即Fmi。這段管道內(nèi)無閥門、彎管及盲板等，因此，固定管架E上的管道水平推力F就等于Fb與Fm的合力。圖1一個溫度區(qū)段內(nèi)的管道布置圖Fb1Fb2Fm1Fm1Fm1FFm2Fm2Fm2ABCDEFGHL由圖1可以看出，固定管架E兩側(cè)的Fb與Fm方向相反。因此:F=Fb1－Fb23Fm1－3Fm2。在《化工、石油化工管架、管墩設(shè)計規(guī)定》附錄

11、中考慮不平衡系數(shù)、結(jié)構(gòu)可靠度等因素給出的公式是:F=Fb1－KbFb208(∑Fm1－08∑Fm2)。這說明固定管架上的管道水平推力并不是將外管專業(yè)提出的該計算單元內(nèi)的水平力的簡單疊加，而是經(jīng)過分析后將固定管架兩側(cè)的中間管架上的水平力相互抵消后的力。下面通過一個具體工程實例介紹一下:圖2為管架中的一段，管架D3～D9是兩個補償器之間的一段管架，作為一個溫度區(qū)段，D6為固定管架，將工藝提出的水平荷載加上去后計算簡圖見圖3。圖2管架中段圖1

12、2000120001200030001200015000D3D4D5D6D7D8D9F=5008(3205－082205)=7296kN。綜合考慮到其他荷載后，管架D6計算結(jié)果見圖4。其中優(yōu)化結(jié)果包括對管道水平推力計算的改進、柱計算長度允許長細比的改進、地區(qū)屬于7度區(qū)且符合可不進行抗震驗算等因素。圖3計算簡圖20.5kN20.5kN20.5kN50kN20.5kN20.5kN5500D3D4D5D6D7D8D9圖4管架D6計算結(jié)果圖17

13、5175150150KZ135035012準(zhǔn)22準(zhǔn)8@100200KZ13003008準(zhǔn)20準(zhǔn)8@100200a）優(yōu)化前b）優(yōu)化后175175150150從以上分析可以看出管架水平推力的精確計算確實是在整個管架系統(tǒng)的計算中起很重要的作用，同時在工程造價方面和整個廠區(qū)的美觀方面也有不容忽視的作用。5結(jié)語管架設(shè)計要力求技術(shù)先進，安全適用，經(jīng)濟合理，美觀大方，節(jié)約能源。一套好的管架布置方案應(yīng)該是工藝、土建和總圖專業(yè)共同商定，在滿足管道工藝安裝

14、要求，躲避擬擴建預(yù)留場地，盡可能減少與公路、鐵路、河道等的交叉等要求的同時，盡量達到各個管道聯(lián)合起來對管架牽制作用最大的效果。參考文獻:［1］HGT206702000，化工、石油化工管架、管墩設(shè)計規(guī)定［S］［2］SHT30552007，石油化工管架設(shè)計規(guī)范［S］［3］曲昭嘉，王瑾，曲圣偉簡明管道支架計算及構(gòu)造手冊［M］北京:機械工業(yè)出版社，2002［4］GB500172003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］［5］李鈺，李懋星石油化工生產(chǎn)裝置工藝外

15、管架的設(shè)計［J］化工設(shè)備與管道，2005(1):810AnalysisexplationonpiperackpipeframedesignexperienceitsstressSUNChao1LVXiuping2(1BeijingZhonglianshengChemicalEngineeringCo，Ltd，Taiyuan030006，China2InstituteofShanxiCoalChemistry，ChineseAcademy

16、ofSciences，Taiyuan030001，China)Abstract:Thepaperintroducesthedefinitionclassificationofthepipeframe，sumsupthedesignfeaturesfthepiperackpipeframe，undertakesitsstressanalysis，explestheidentificationofthehizontalthrustinthe

17、pipeframedesign，emphasizesthatitshouldbeadvanced，safe，applicable，economicalreasonableKeywds:piperack，longitudinalbeam，purlinframe，fixedpipeframe，櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅movablepipeframe(上接第12頁)［8

18、］沈克寧建筑師［J］國外建筑思潮，1998(3):2728［9］徐磊青，楊公俠環(huán)境心理學(xué)［M］上海:同濟大學(xué)出版社，2002［10］小原二郎，加藤力，安藤忠雄室內(nèi)空間設(shè)計手冊［M］北京:中國建筑工業(yè)出版社，2000OniginsfdesignfromperceptionbehavisinbuildingsXIEQing1，2MAZhongjun3(1TongjiUniversity，Shanghai，200000China2Shangh

19、aiPublishingPrintingCollegeArtDesignDepartmentofShanghaiUniversityofTechnology，Shanghai200093，China3ShijiazhuangRailwayCollege，Shijiazhuang050000，China)Abstract:Combiningwiththeessenceofthearchitecture，thepaperexplesthei

20、ginofthedesignbytakingtheresidentialbuildingastheresearchobject，illustratesthedesignpointsfthebehavispacetheperceptualspacesomeapplicationexamples，pointsouttheiginofthearchitecturaldesigniginatesfromthevarioushumanisticn