麥永湛（上海建工一建集團(tuán)有限公司，上海 200437）

1 工程概況

武漢某廣場(chǎng)項(xiàng)目總建筑面積 70.0 萬 m2。地下室范圍東西長(zhǎng)約 159.0 m，南北寬約 170.0 m，總占地面積約 2.7 萬 m2。其中本文所論述寫字樓標(biāo)段，總建筑面積 18.0 萬 m2，地上建筑面積 17.6 萬 m2。

結(jié)構(gòu)形式為鋼管混凝土柱外框-混凝土核心筒體系。辦公樓地下 3 F，地上 56 F，建筑高度 278.6 m，幕墻最高 320.7 m。

辦公樓位于該項(xiàng)目東地塊，地下室共 3 F，其中地下 2 F、3 F 為地下汽車庫、設(shè)備用房。地下 1 F 為商場(chǎng)、會(huì)所、自行車庫及設(shè)備用房。標(biāo)準(zhǔn)層為辦公樓。

本項(xiàng)目空調(diào)冷熱水系統(tǒng)根據(jù)高中低區(qū)劃分，低區(qū)為 B 3 ～L 17 F，中區(qū)為 L 18～L 35 F，高區(qū)為 L 36～L 55 F。冷卻水系統(tǒng)根據(jù)高低區(qū)劃分，低區(qū)為 B 3～L 28 F，高區(qū)為 L 29～屋面[1]。

2 水管道立管固定支架安裝受力計(jì)算分析

在超高層建筑空調(diào)系統(tǒng)中，為了保證豎向水管道能安全、可靠地安裝和運(yùn)行，必須設(shè)置固定支架、活動(dòng)支架和膨脹補(bǔ)償器。本項(xiàng)目中空調(diào)水系統(tǒng)管道尺寸較大，管弄井內(nèi)管道排布密集，立管固定支架的合理設(shè)置和計(jì)算均須注重[2]。設(shè)備層管井如圖 1 所示。左側(cè)機(jī)房和右下角機(jī)房均有空調(diào)立管 8 根，右上角管井內(nèi)含空調(diào)立管 19 根（其余管道為其他專業(yè)）。

以 B 3～L 28 F 冷卻水立管為例，冷卻水立管管徑為 D 820×16，每一層該立管均須設(shè)置普通支架，并在補(bǔ)償器前后設(shè)置導(dǎo)向活動(dòng)支架，同時(shí)分別于不同樓層設(shè)置甲、乙、丙三副固定支架，如圖 2 所示。下面就固定支架的選型進(jìn)行計(jì)算分析。

圖1 設(shè)備層管井圖

圖2 冷卻水立管示意圖

空調(diào)水立管最低處的固定支架受到最大的向下推力。最下端固定支架受力包含內(nèi)水推力、補(bǔ)償器彈性反力、管內(nèi)水重力以及管道自身重力[3]。

圖 2 中，固定支架甲、乙間距 61.6 m，直線熱位移計(jì)算如式（1）所示。

式中：a—管材的線膨脹系數(shù)，a=1.2×10-5(℃)-1;

l —管道的計(jì)算長(zhǎng)度，m；

t2，t1—輸送介質(zhì)溫度，℃。

冷卻水設(shè)計(jì)最高溫度為 37 ℃，最低溫度為 5 ℃，溫差 32 K。計(jì)算得 Δ L=23.65 mm。

由此，選用 2.50 MPa、DN 800 補(bǔ)償器，補(bǔ)償量 Δδ = 40 mm，剛度 Kx=4 842 N/mm。固定支架甲、乙間補(bǔ)償器彈性反力為：f =Δ L·Kx=23.65 mm×4 842 N/mm=114 513.3 N。

同理，固定支架乙、丙間距為 60.3 m，溫差為 32 K，計(jì)算得直線熱位移 23.15 mm，固定支架乙、丙間補(bǔ)償器彈性反力為 112 092.3 N。

該系統(tǒng)選用水泵揚(yáng)程 47.0 m，動(dòng)態(tài)水壓提高 0.340 MPa，此時(shí)管內(nèi)壓力值變化如表 1 所示[4]。

表1 管內(nèi)壓力值變化 MPa

計(jì)算固定支架丙受力如式（2）所示。

式中：l3—支架間距，m；

q3—管道重量，kg/m；

pn2—管內(nèi)水壓力，MPa；

A3—立管截面積，m2；

fd3—乙、丙間補(bǔ)償器彈性反力，N。

同理，計(jì)算出支架乙受力為 225.0 kN，支架甲受力為 208.0 kN。

通過計(jì)算，最低處固定支架丙受力 1 226.2 kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)立管固定支架所承受的力。

3 水管道立管固定支架選型計(jì)算分析

本項(xiàng)目管道立管固定支架按鉸接設(shè)計(jì)，采用 MIDAS 有限元分析軟件進(jìn)行三維受力分析。這里以 DN 800 管道為例。

3.1 支 架

本項(xiàng)目固定支架采用三腳支架的形式，橫梁、下斜撐、上拉桿的布置如圖 3 所示。根據(jù)作用在支架上的總推力 1 226.2 kN，橫擔(dān)支架采用 I 50 a 工字鋼，下斜撐及上拉桿采用 I 32 a 型鋼，材質(zhì)均為 Q 235。

圖3 三角支架

最不利荷載作用下，其應(yīng)力如圖 4、圖 5 所示，最大應(yīng)力 84.7 MPa，最大應(yīng)力比為 0.4，滿足要求。

圖4 三角支架組合應(yīng)力圖

圖5 三角支架應(yīng)力比云圖

下斜撐 I 32 a 型鋼的截面特性如圖 6 所示。

圖6 I 32 a 工字鋼截面特性

式中：A—工字鋼截面面積；

N —下斜撐的支座反力。

經(jīng)上述計(jì)算，整體穩(wěn)定滿足要求。

圖7 支架支座反力圖

3.2 肋 板

連接肋板厚度為 12 mm，兩側(cè)角焊縫高度為 265 mm。焊縫切應(yīng)力按照 160 N/mm2計(jì)算，焊腳尺寸為 8 mm，考慮每個(gè)管道靠 8 個(gè)加勁肋（16 道焊縫）受力，肋板鋼材采用 Q 345。根據(jù)式（3）計(jì)算。

式中： τf—角焊縫的切應(yīng)力，N/mm2；

he— 連接肋板角焊縫尺寸 ， mm；

荷載 N=1 226.2 kN≤ helwffw

=0.7×8 mm×(265－2×8)mm×16×160 N/mm2=3 570 kN

經(jīng)計(jì)算，肋板焊縫可承擔(dān)的荷載為 3 570 kN，大于管道設(shè)計(jì)荷載，滿足要求。對(duì)肋板和水管道整體建立有限元模型，如圖 8 所示。

圖8 連接肋板模型

根據(jù)式（3）肋板焊縫可承擔(dān)前載的計(jì)算結(jié)果如圖 9、圖 10 所示。

圖9 整體模型

圖10 肋板受力

為保證連接肋板與型鋼 I 50 a 接觸部分受力的安全性，還需在型鋼腹板上添加橫向加勁肋板（Q 235）作為構(gòu)造措施，以保證型鋼梁的安全受力。

根據(jù)上述計(jì)算方式，本項(xiàng)目空調(diào)水立管支架選型驗(yàn)算結(jié)果如表 2 所示。

表2 空調(diào)水立管支架選型驗(yàn)算結(jié)果

固定支架選型、計(jì)算及樓層設(shè)置完成后，得出立管補(bǔ)償 器與承重支架位置表如表 3 所示，交作業(yè)人員施工作業(yè)用。

表3 立管補(bǔ)償器與承重支架位置表

續(xù)表

4 其他須注意問題

(1) 空調(diào)水立管固定支架安裝須嚴(yán)格根據(jù)支架計(jì)算書安裝。補(bǔ)償器前后（一端固定，一端活動(dòng)）必須設(shè)置導(dǎo)向活動(dòng)支架，以限制管道位移，防止管道振動(dòng)和管道偏位。

(2) 固定支架選型驗(yàn)算后所選的連接件，在加工過程中須嚴(yán)格檢查，對(duì)加工粗糙或不符合選型要求的及時(shí)更換。安裝過程中，須嚴(yán)格根據(jù)選型書進(jìn)行安裝，避免因安裝工藝不符合要求而導(dǎo)致?lián)p失。

(3) 固定支架安裝完成后，焊縫連接處必須全面檢查，應(yīng)符合規(guī)范要求，不可存在焊渣、氣孔、裂紋、錯(cuò)縫等質(zhì)量問題。這些問題會(huì)影響支架的穩(wěn)定性及安全性。

(4) 固定支架安裝完成后，必須及時(shí)清除支架表面的污垢、灰塵、銹斑等，對(duì)支架及時(shí)采取刷兩道防銹漆以及刷兩道面漆的防腐處理工作。刷油漆時(shí)，應(yīng)注意油漆的厚度須滿足廠商的要求，同時(shí)不得出現(xiàn)起泡、流淌和漏刷等現(xiàn)象。

5 結(jié) 語

空調(diào)水系統(tǒng)立管支架一方面承受管道本身及流過介質(zhì)的重量；另一方面由于其用來固定管道，因此還承受管道所有的力。合理設(shè)置管道支架，同時(shí)滿足管道熱補(bǔ)償及位移要求，保證管道的穩(wěn)定性、安全性，是空調(diào)水立管安裝的核心問題。

為了從根本上解決空調(diào)水立管支架安裝存在的問題，就必須了解形成這些問題的深層原因，從加強(qiáng)施工方案設(shè)計(jì)的審核、提升施工人員素質(zhì)等方面入手來提升水管支架安裝質(zhì)量，真正將水管支架安裝存在的問題提前預(yù)防并控制落到實(shí)處。