高等利

(京鼎工程建設有限公司，北京 100011)

0 引言

凡支撐管線、電纜等的構架，配置穩(wěn)定的結構系統(tǒng)者，均可稱為管架。管架在石化企業(yè)里普遍存在，它如同大樹的枝干，將各種生產(chǎn)原料輸送到各個器官。幾乎每個石油化工項目，都包含有管架的設計工作，以及新廠區(qū)和老廠區(qū)管架的對接工作，以確保生產(chǎn)的需要。因此，管架設計的合理性對整個工程項目非常重要。

本文總結了某PTA項目的鋼管架結構設計的一些經(jīng)驗，通過軟件計算分析，明確了管架結構的受力特點，為該種結構的設計工作提供了參考。

1 工程概況及設計要點

某PTA項目中的主管架設計資料如下:基本風壓:ω0=0.40 kN/m;基本雪壓:S0=0.40 kN/m;抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，設計地震分組為第一組，場地類別Ⅱ類。安全等級為二級，設計基準期50年。

管架的設計需滿足工藝的要求，管架上要通行各種管道，有荷載大的大直徑管道，也有荷載小的小直徑管道。同時管架的結構布置還要滿足人員操作、管道拆卸檢修和人員通行的要求。因此，結構布置的關鍵是與各專業(yè)協(xié)調合理確定水平支撐和豎向支撐的位置，以防止管道與結構碰撞，同時要滿足整體管架結構受力合理性的要求。另外，基于經(jīng)濟性的考慮，應合理選擇梁柱截面，在保證安全的前提下，使其受力最優(yōu)化。

本項目管架選用全鋼結構，橫向14 m，縱向271 m。由于篇幅限制，本文取其中一段為例進行分析設計。

2 管架結構布置

結構專業(yè)在進行管架布置時，應及時與管線、總圖、儀表、電氣等專業(yè)進行有效的溝通協(xié)調，結合溫度區(qū)段、道路、地下管網(wǎng)的具體情況，在滿足工藝要求的條件下，合理確定管架的結構布置。

1)管架跨度:根據(jù)管架上的管道布置情況，由結構專業(yè)和管線專業(yè)共同確定。本項目中的管架跨度取為6.5 m和7.5 m。

2)管架柱距:管架柱距原則上由管線專業(yè)確定，但是要滿足結構專業(yè)受力合理性的要求。本項目中的管架各柱距為5 m～13 m之間。

3)溫度縫布置:對于長度大于120 m的全鋼管架結構，基于鋼結構溫度變形的考慮，要設置溫度縫，且在溫度縫處采用雙柱處理。

4)斜撐布置:水平斜撐需與立面斜撐配套布置，形成穩(wěn)定的受力體系，能將水平力可靠的傳給主管架結構。

5)橫向布置:基于使用的要求，為提供管架下方維修、通行空間和方便管道布設，橫向應盡量避免使用立面斜撐，因此，一般情況下管架橫向采用剛接的形式。

6)縱向布置:考慮管架結構受力合理性的要求，縱向梁柱采用鉸接的形式。且縱向每隔幾跨需布置立面斜撐以有效的傳遞水平力，立面斜撐的具體位置要考慮管線進出的要求，事先要和管線專業(yè)協(xié)調綜合布置。

3 結構設計荷載

3.1 自重

自重包括管架本身自重和電纜自重。其中本管架上電纜自重為4 660 kg/m，折算為線荷載施加在主次橫梁上。電纜層次梁的間距取2.5 m，施加在主次橫梁上的電纜線荷載計算如下:

3.2 管道豎向荷載

管道豎向荷載包括管道的空重、操作重和試水重，由管線專業(yè)提供，這些荷載作用在主橫梁或次梁上，作用形式為均布力或集中力。

1)均布力。

根據(jù)SH/T 3055—2017石油化工管架設計規(guī)范，小管道采用均布力的形式作用于主橫梁及次梁上;荷載大于10 kN的大管道，宜按集中荷載作用于主橫梁上。管道均布線荷載標準值(kN/m)可按下式計算:

其中，qv為作用在橫梁上的管道豎向均布荷載標準值，kN/m;l為橫梁間距，m;Fi為第i單根管道的垂直荷載標準值，kN/m;L4為較小管道的分布范圍，m;n為計算區(qū)段內(nèi)的管道數(shù)量(一般大于4根)。

2)集中力。

對大于10 kN的大管，按集中荷載作用在主橫梁上，當上述均布力在主橫梁上滿布時，大管面積范圍內(nèi)的均布力要予以扣除，即:

其中，S為大管道跨度，m;W為大管道每米重量，kg/m;p為大管道投影范圍內(nèi)的均布面荷載，kg/m2;D為大管道直徑，m。

3.3 管道的摩擦力

管道的摩擦力由管道專業(yè)提供，作用方式同管道操作荷載，作用方向為沿管道走向的水平方向。

3.4 管道的錨定力

管道錨定力由管道專業(yè)提供，本項目以每米寬2 kN水平集中力作用于主橫梁上。

3.5 風荷載(WL)

根據(jù)大量工程經(jīng)驗，對于管架結構，主要是橫向風荷載起控制作用。風荷載計算包括管道風荷載、作用在每根縱梁上的風荷載、作用在每榀桁架上的風荷載、作用在每榀柱上的風荷載、以及作用在每支電纜盤支撐橋架上的風荷載。其中每支電纜盤支撐橋架風荷載可按下式計算:

其中，h3為電纜橋架高度，m;le為電纜盤支撐橋架的間距，m;μs4為結構風荷載體形系數(shù)，取 1.3。

3.6 地震荷載

本項目中的管架需考慮橫向水平地震作用，根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設計規(guī)范，采用底部剪力法進行水平地震作用計算。結構底部水平地震作用標準值按下式確定:

4 鋼管架結構設計

4.1 鋼管架的變形及位移控制

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，本項目管架縱梁、橫梁的允許撓度為1/250，鋼桁架的允許撓度為1/500;在風荷載作用下，鋼管架沿徑向產(chǎn)生的柱頂點位移與總高度之比值不大于1/250。

4.2 結構承載力計算

軸心受壓受拉構件的強度計算公式:

其中，N為軸心拉力或軸心壓力;An為凈截面面積;φ為軸心受壓構件的穩(wěn)定系數(shù);Mx，My分別為同一截面處繞x軸和y軸的彎矩;Wnx，Wny分別為對 x軸和 y軸的凈截面模量;γx，γy均為截面塑性發(fā)展系數(shù)。

4.3 結構建模的注意事項

本管架設計采用STAAD-PRO軟件進行建模和計算。建模時最重要的一點是要判斷各桿件節(jié)點的連接形式是否正確(鉸接還是固接)，桿端約束釋放是否正確。對軟件的計算結果進行分析時，要注意手算復核輸入的垂直及水平反力是否與輸出的反力符合。

另外要注意的是，STAAD-PRO軟件不能自動計算桿件局部受扭的情況，因此對于局部受水平力較大的梁，要單獨驗算梁及其接頭處的抗扭能力。對于在主梁的一邊懸挑出支撐梁的情況，要手工復核主梁的抗扭轉能力。圖1為該項目中鋼管架的計算模型。

圖1 管架結構模型

5 結語

鋼管架設計要力求技術先進、安全可靠、經(jīng)濟合理、確保生產(chǎn)。本文結合實際工程和自己的設計工作經(jīng)驗，對鋼管架的結構設計提出了一些建議，主要如下:

1)結構專業(yè)在進行管架布置時，要與工藝、管線、總圖、儀表、電氣等專業(yè)進行協(xié)調，結合溫度區(qū)段、道路、地下管網(wǎng)的具體情況，在滿足整體結構傳力合理性的條件下，合理布置管架的跨度、柱距、水平斜撐和立面斜撐，并且要避免管道與構件的碰撞。

2)選取荷載時，應聯(lián)系實際并對荷載做合理簡化。

3)當對軟件的計算結果進行分析時，要注意手算復核輸入的垂直及水平反力是否與輸出的反力符合。

4)構件設計時，對于縱梁，一般由撓度控制;對于橫梁，一般由強度和穩(wěn)定性控制;對于柱，一般由強度控制;對于水平斜撐一般由長細比控制;對于豎向斜撐，結構受力大時由強度控制，結構受力小時由長細比控制。