袁 洋

上海市安裝工程集團(tuán)有限公司 上海 200080

支吊架是機(jī)電管道橫向敷設(shè)時(shí)重要的支撐件和限位構(gòu)件，承載著管道及管內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)的質(zhì)量，為系統(tǒng)發(fā)揮其功能及確保安全性提供了重要保障。對(duì)于大型管道，根據(jù)建筑內(nèi)的空間可設(shè)置不同形式的支吊架形式，而傳統(tǒng)工程中常缺乏相應(yīng)的技術(shù)用來(lái)可視化分析研究不同支吊架設(shè)置形式下的受力及變形影響?；诖?，本文介紹有限元模擬仿真技術(shù)，對(duì)承載單根DN1 000空調(diào)水管情況下，3種支吊架的受力和變形量進(jìn)行分析，希望為類似工程提供參考。

1 計(jì)算模型的建立

1.1 支吊架形式

本文模擬了門形、三角形和L形等3種支吊架（圖1）。其中對(duì)于單根DN1 000管道的L形支吊架來(lái)說(shuō)，取橫梁長(zhǎng)度L1為660 mm、L2為810 mm，立柱L3為1 650 mm（立柱高度可由現(xiàn)場(chǎng)定，但若超過(guò)保溫管徑的5倍，則需要增設(shè)斜拉件）；對(duì)于三角形支吊架，取橫梁長(zhǎng)度L1為800 mm、L2為600 mm、L3為50 mm，槽鋼斜撐角度為45°；對(duì)于門形支吊架，取橫梁長(zhǎng)度L為1 500 mm，立柱長(zhǎng)度為1 800 mm。3種支吊架均采用槽鋼吊架，吊架間距初步定為3 m，頂部用螺栓連接。

圖1 不同支吊架形式的尺寸和截面示意

在計(jì)算管道及其內(nèi)部流動(dòng)介質(zhì)重力時(shí)，為了簡(jiǎn)化模型，將內(nèi)部流動(dòng)水和保溫層的質(zhì)量加載在管道上，即增加管道的當(dāng)量密度，同時(shí)加載1.35的分項(xiàng)系數(shù)作為安裝時(shí)可能增加的其他載荷[1]，最終得到管道的等效密度為4.51×10－8t/mm3。螺栓采用長(zhǎng)175 mm的M20螺栓，許可抗拉和抗剪載荷分別為38.28 kN和36.74 kN，其他材料性能參數(shù)如表1所示。

表1 材料性能參數(shù)

1.2 有限元建模

按照上述設(shè)計(jì)的方式建立不同支吊架的計(jì)算模型（圖2），并設(shè)定邊界條件，在有限元建模的過(guò)程中，為方便和提高效率，忽略螺栓、橫梁與立柱的焊縫，進(jìn)一步依據(jù)橫梁和立柱的梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)內(nèi)力對(duì)這些零部件單獨(dú)進(jìn)行受力分析和評(píng)定。參考文獻(xiàn)[2-5]，在計(jì)算時(shí)的邊界條件如下：有限元模型中將立柱頂端與土建結(jié)構(gòu)的膨脹螺栓生根處設(shè)置為全固定約束；對(duì)管道施加重力荷載；對(duì)管道和橫梁接觸位置設(shè)置剛性區(qū)域，使管道與橫梁不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移。由于管道在沿程方向上受力呈周期性分布，故只分析模擬相鄰兩個(gè)支吊架間的受力。

圖2 支吊架和管道的有限元模型

2 有限元模擬與分析

2.1 L形支吊架的受力及變形量分析

由5#槽鋼立柱和20a#工字鋼橫梁構(gòu)成的L形支吊架，其綜合X、Y、Z方向的受力的Mises應(yīng)力如圖3所示，圖中可以發(fā)現(xiàn)Mises應(yīng)力最大值為58 MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在橫梁工字鋼翼緣和墻面的連接處，且未超過(guò)工字鋼的屈服強(qiáng)度235 MPa，安全裕度為75%，滿足強(qiáng)度要求。

圖3 L形支吊架綜合Mises應(yīng)力

L形吊架的位移云圖如圖4所示，圖中可以發(fā)現(xiàn)最大位移為0.47 mm，安全裕度為94%（最大允許位移為柱或梁的1/200，即7.35 mm），滿足吊架的剛度要求。仿真結(jié)果預(yù)測(cè)最大位移和最大受力點(diǎn)均發(fā)生在大型管道的下方位置，故實(shí)際施工時(shí)在橫梁上加裝橡膠墊、木托和彈性?shī)A架，以起到一定的減振緩沖作用并增大了受力面積，進(jìn)而保護(hù)支吊架。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)5#槽鋼立柱與20a#工字鋼橫梁的組合滿足吊架的強(qiáng)度和剛度要求，且位移和應(yīng)力的最大值都發(fā)生在橫梁上，后續(xù)采用5#槽鋼立柱與18#工字鋼橫梁的組合（最大Mises應(yīng)力為72.0 MPa；最大位移為0.61 mm），以及5#槽鋼立柱與12#工字鋼橫梁的組合（最大Mises應(yīng)力為173.4 MPa；最大位移為1.79 mm），均證實(shí)了滿足受力及變形量要求。

圖4 L形支吊架位移云圖

基于上述結(jié)果，橫梁采用20a#以上的鋼材時(shí)，材料成本大大增加，且鋼立柱相對(duì)橫梁尺寸差異太大導(dǎo)致不美觀，考慮到安全裕度已經(jīng)足夠，故三角形支吊架的仿真中采用5#鋼立柱和16#工字鋼橫梁的組合方式進(jìn)行試算。

2.2 三角形支吊架的受力及變形量分析

調(diào)整鋼結(jié)構(gòu)組合后，三角形支吊架的最大Mises應(yīng)力為86.6 MPa（圖5），發(fā)生在橫梁與墻面相交位置。此時(shí)，墻端位置最容易引起支吊架的折彎，故在工程中除了保障橫梁預(yù)埋件的埋深或重視橫梁與埋鐵之間的焊接質(zhì)量外，建議在橫梁與墻的端部加設(shè)加固墊鐵，以進(jìn)一步制約切向力。支吊架最大Mises應(yīng)力同樣小于材料的屈服強(qiáng)度，安全裕度為63%，滿足要求。由于此時(shí)支吊架橫梁主要受到拉力，分離出支吊架X方向的最大應(yīng)力為86.9 MPa，而材料的許用抗拉強(qiáng)度為157.0 MPa，故安全裕度為44%，支吊架X方向的應(yīng)力滿足要求。三角形支吊架的變形量分析如圖6所示，其中最大位移達(dá)到了0.899 mm，最大位移也發(fā)生在管道架設(shè)處，安全裕度為88%，滿足剛度要求。后續(xù)將三角形支吊架的鋼構(gòu)組合調(diào)整為5#槽鋼斜撐與14#工字鋼橫梁，經(jīng)過(guò)計(jì)算，最大Mises應(yīng)力為113.4 MPa，最大位移為1.230 mm，故依然滿足要求。

圖5 三角形支吊架受力示意

圖6 三角形支吊架總體位移云圖

2.3 門形支吊架的受力及變形量分析

上述內(nèi)容反映出橫梁采用工字鋼滿足力學(xué)要求，且安全裕度較大，在門形支吊架的仿真中，試著將橫梁鋼型號(hào)換成16#槽鋼，門形支吊架的Mises等效應(yīng)力如圖7所示，數(shù)值顯示最大值為155 MPa，低于材料的屈服強(qiáng)度。其發(fā)生于立柱與橫梁連接處的翼緣上，對(duì)于重型管線來(lái)說(shuō)，該位置的受力是其他部位的3～5倍，為保證充分的連接強(qiáng)度，不建議采用裝配式的栓接代替焊接。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步對(duì)比發(fā)現(xiàn)，橫梁上下側(cè)的Mises應(yīng)力較大，而中間的應(yīng)力很小，橫梁中部的Mises應(yīng)力相較兩側(cè)也較大；而立柱的上部分應(yīng)力較小，下部應(yīng)力偏大。門形支吊架是重型管線最常用的支吊架，相對(duì)于前兩種形式的支吊架，門形支吊架的結(jié)構(gòu)和受力對(duì)稱，因此造成了應(yīng)力往中間積聚的現(xiàn)象。

圖7 門形支吊架綜合應(yīng)力

在門形支吊架體系中，相較立柱，橫梁受到更大的彎曲作用，會(huì)使梁上下兩側(cè)受到較強(qiáng)的拉伸和壓縮作用，導(dǎo)致X方向的應(yīng)力值較大，可能超過(guò)材料的許用抗拉和抗壓應(yīng)力，因此，需要額外關(guān)注橫梁X方向的應(yīng)力。

吊架X方向的最大應(yīng)力為155 MPa，拉應(yīng)力、壓應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力157 MPa，符合強(qiáng)度要求（圖8）。但由于此時(shí)最大拉應(yīng)力接近許用應(yīng)力，故安全裕度明顯不夠，需要引起足夠的重視。造成上述情況的原因一方面是將橫梁由工字鋼換成了槽鋼，雖然型號(hào)相同但承載力大大削弱；另一方面可能是由于門形支吊架承載下，相比其他2種形式，管道的質(zhì)量均由2根立柱頂部螺栓的拉應(yīng)力承擔(dān)，支吊架系統(tǒng)垂直向的受力有充分保證，但缺少水平向受力的支持，而其他2種形式的支吊架，水平向的受力均可由墻體分擔(dān)。圖8中同樣可以看出，橫梁上應(yīng)力分布呈現(xiàn)層狀的規(guī)律，上側(cè)受壓，應(yīng)力為負(fù)，壓應(yīng)力的最大值為155 MPa；下側(cè)受拉，應(yīng)力為正，拉應(yīng)力最大值為151 MPa，且立柱在與橫梁連接處也存在較大拉應(yīng)力。

圖8 門形支吊架X方向應(yīng)力云圖

吊架的總位移最大值為3.80 mm，發(fā)生在立柱的中下部（圖9）。橫梁上的位移最大部位處在橫梁中部，最大值為2.11 mm，遠(yuǎn)低于橫梁長(zhǎng)度的1/200，即7.50 mm，此時(shí)的安全裕度為71.9%，滿足剛度要求。

圖9 門形支吊架總位移云圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)單根DN1 000的空調(diào)水管分別架設(shè)在門形、L形和三角形支吊架上，采用有限元仿真模擬的方法分析支吊架的受力情況，得到以下結(jié)論：

1）在L形支吊架的鋼構(gòu)組合方式中，仿真預(yù)測(cè)5#槽鋼立柱結(jié)合12#工字鋼橫梁的形式滿足支吊架受力和變形要求，且有一定安全裕度，比20a#和18#工字鋼更節(jié)省鋼材。

2）對(duì)于三角形和門形這2種支吊架的仿真分析中，5#槽鋼立柱和16#工字鋼橫梁的形式均滿足力學(xué)和變形要求，在橫梁換成槽鋼后，懸吊式門形支吊架的綜合受力、X方向切應(yīng)力、最大位移量均比三角形支吊架大，故建議在建筑滿足要求的情況下，充分利用墻頂?shù)冉Y(jié)構(gòu)優(yōu)先選擇三角形支吊架的形式。

3）本文各種仿真工況下，不同支吊架的位移變形量雖有所不同，但均留有充分的余量，而受力卻出現(xiàn)了余量不足的情況。故在工程實(shí)施中應(yīng)充分對(duì)支吊架的受力進(jìn)行計(jì)算和評(píng)定，按照計(jì)算結(jié)果選擇合理的橫梁和立柱搭配形式，同時(shí)對(duì)受力較大的位置通過(guò)設(shè)置托架或減振墊，來(lái)減緩受力或增加受力面積，從而保護(hù)支吊架；對(duì)支吊架和結(jié)構(gòu)連接處、橫梁和立柱連接處或支吊架受力較大部位考慮不同形式的加固；此外還需對(duì)重型支吊架各連接點(diǎn)的焊縫進(jìn)行全方位的核查和檢驗(yàn)，并形成記錄。