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獨立式管支架的設計

王飛*王飛：工程師。2008年畢業(yè)于河北工業(yè)大學結構工程專業(yè)獲碩士學位。從事結構設計工作。聯(lián)系電話：(010)58675756， E-mail：wangfei@hqcec.com。中國寰球工程公司北京100012

摘要分析同樣條件下剛性管支架和柔性管支架設計的區(qū)別，介紹判斷獨立式管架是剛性管支架還是柔性管支架的方法，科學地進行獨立式管架設計。

關鍵詞獨立式管支架剛性管支架柔性管支架

在化工設計中，獨立式管支架是除管廊外，應用非常廣泛的管支架形式。獨立式管支架按照柱剛度分為剛性管支架和柔性管支架。從工程設計經驗和項目現(xiàn)場所見分析，獨立式管支架很多時候只是按照剛性管支架進行設計，即根據上游專業(yè)所提的管架頂部受力情況，計算出水平摩擦力，進而對管架進行受力分析和管架基礎設計。這樣致使有些情況下，尤其是管道熱膨脹量小時的管架設計并不合理。

1獨立式管支架定義

根據《化工、石油化工管架、管墩設計規(guī)定》 HG/T 20670-2000(以下簡稱“規(guī)定”)，獨立式管支架是相鄰管架之間無縱向聯(lián)系構件的管架。獨立式管支架分為剛性管支架和柔性管支架。

剛性管支架的管架柱剛度較大，管架頂?shù)淖冃尾荒苓m應管道受熱變形的需要，管道與管架頂部接觸面產生相對位移，承受管道膨脹時產生的摩擦力。

柔性管支架的管架柱剛度較小，管頂?shù)淖冃文苓m應管道受熱的變形需要，管道與管架頂部接觸面無相對位移，承受柱頂變位產生的水平推力。

2剛性和柔性管支架的設計對比

剛性管支架由于頂部變形不能適合管道的熱變形，發(fā)生相對位移，承受的是管道施加的摩擦力Fm；柔性活動支架由于頂部變形能夠滿足管道的熱變形，沒有相對位移，管架承受的是頂部變位產生的水平推力Ff?！耙?guī)定”說明：Fm>Ff時按照柔性支架計算，F(xiàn)m≤Ff時，按照剛性支架計算?；顒庸芗芩胶奢d簡圖見圖1。

圖1　活動管架水平荷載簡圖

下面，以實際工程中“T”型獨立活動管支架(見圖2)為例說明獨立式管架剛、柔性判斷及設計的區(qū)別。

圖2“T”型獨立活動管支架簡圖

獨立式管道支架間跨度為10m，荷載設計值3kN/m(包括管道自重、介質重等)，運行期間管道由于溫度變化發(fā)生變位△=40mm，管架柱高度為H=4m，柱腳設計為剛接。

2.1　判斷管架類型

初選管架柱截面：HW150X150。根據“規(guī)定”4.1.3，牽制系數(shù)Kj=1.0。根據“規(guī)定”第4.3.3條：

Fm=0.3·G·Kj=0.3×30×1.0=9 kN

G=3×10=30 kN

根據“規(guī)定”第4.3.5條：

Ff=3·E·I·Δ·Kj÷H3

=3×206×106×564×10-8×40×10-3×1.0÷43

=2.18 kN

因為Fm>Ff，這意味著管道與支架頂板之間不發(fā)生相對位移，根據“規(guī)定”4.3.2，按照柔性管支架進行計算，見圖1(b)。

2.2　強度計算

管架柱底部彎矩：

My=Ff·H+G·Δ=2.18×4+30×0.04

=9.92 kN·M

根據《鋼結構設計規(guī)范》GB50017-2003，公式5.2.1：

強度滿足要求。

2.3　整體穩(wěn)定計算

λx=μx·H/ix

=2.03×4000/63.9=127.07<200

λy=μy·H/iy

=1.5×4000/37.3=160.86<200

長細比滿足要求。

根據《鋼規(guī)》表5.1.2-1，對于x軸，屬于b類截面，查附錄C，得穩(wěn)定系數(shù)φx=0.401，對于y軸，屬于b類截面，查附錄C，得穩(wěn)定系數(shù)φy=0.273。

根據《鋼規(guī)》公式5.2.5-1，穩(wěn)定應力：

整體穩(wěn)定滿足規(guī)范5.2.5-1式。

根據《鋼規(guī)》公式5.2.5-2，穩(wěn)定應力：

=147.07 N/mm2

整體穩(wěn)定滿足規(guī)范5.2.5-2式。

2.4　基礎設計

地基承載力取80kPa，基礎埋深2m，計算結果基礎尺寸選用：1400×1000可滿足要求。

如果事先不判斷管架類型，只考慮管架頂部受力，按照剛性管架設計，見圖1(a)。

管架柱底部彎矩最大：

M=Fm·H=9×4=36 kN·m

根據《鋼結構設計規(guī)范》GB 50017-2003，公式5.2.1，強度計算：

=428.31>f=215 N/mm2

這時，HW150×150不能滿足強度要求，需加大鋼柱截面。

進行基礎設計時，同樣地基承載力取80kPa，基礎埋深2m，計算結果基礎尺寸選用：2300×1000 才能滿足要求。

3結語

通過具體的算例可以看出，當進行獨立式管道支架設計時，管架頂部的水平力是關鍵。所以，設計起始，判斷管架頂部是承受管道膨脹時產生的摩擦力還是頂部變位產生的水平推力，進而按照剛性管架或者柔性管架設計是非常必要的，可以使同樣情況下的管架設計更加科學、合理。

進行獨立式管架剛、柔性判斷的前提之一是了解管道的熱膨脹情況，這就要求結構設計人員在專業(yè)間的溝通方面，扮演積極的角色，不但要和上游專業(yè)了解管道傳給管架的力的情況，而且要知道管道在管支架頂部的熱膨脹量或者其溫度變化情況。

參考文獻

1HG/T 20670-2000，化工、石油化工管架、管墩設計規(guī)定[S].

2GB 50017-2003,鋼結構設計規(guī)范[S].

收稿日期(2015-03-30)