王靜波

（云南省化工研究院有限公司，云南 昆明 650228）

工業(yè)管道是指生產(chǎn)企業(yè)為生產(chǎn)、運輸各種物料所需的管子。按用途可分為工藝管道、公用工程管道及其他輔助管道。管道貫穿了工程設(shè)計的全過程。管道像人的血管一樣，是整個項目的生命線。特別是石油化工行業(yè)的原料、成品、半成品大多是有毒有害、易燃易爆的物質(zhì)，且處于高溫、高壓、強腐蝕的環(huán)境，在生產(chǎn)過程中，管道支架一旦失穩(wěn)，將會導(dǎo)致管道物料泄漏，甚至爆炸，引起嚴(yán)重的安全事故和環(huán)保事故，危害人民生命財產(chǎn)安全。因此，為保證管道的使用功能和生產(chǎn)安全，結(jié)構(gòu)專業(yè)對管道支架的設(shè)計工作尤為重要。

國家為了保證石油化工裝置的安全生產(chǎn)，也制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)規(guī)范，如《石油化工建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》《化工設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》《石油化工管架設(shè)計規(guī)范》《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》《石油化工管道支吊架設(shè)計規(guī)范》等等［1-5］。本文在相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的基礎(chǔ)上，對石油化工管道支架的設(shè)計進行了詳細(xì)的分析。

1 管道支架設(shè)計原則

石油化工管道很多都是架空敷設(shè)的。架空管道分獨立式支架和管廊式支架。獨立式支架：管道直接敷設(shè)于支架上，支架與支架之間無水平內(nèi)件。管廊式支架：管道敷設(shè)于水平構(gòu)件的橫梁和支架上，支架與支架之間有水平內(nèi)件。

獨立式支架一般分為單柱式（T形）、雙柱式（門形）。單柱式一般為單層，特殊時也可采用雙層或多層。雙柱式根據(jù)需要可分為單層、雙層，及多層。

管廊形式分類：1）單柱獨立式，管廊寬度較小，大多為單層。2）雙柱連系梁式，可以是單層，根據(jù)需要了可以設(shè)雙層和多層。3）縱梁式管廊：管廊之間設(shè)有縱梁，根據(jù)管道專業(yè)要求在縱梁間加次梁和支撐。分單柱和雙柱結(jié)構(gòu)，雙柱的大多為多層結(jié)構(gòu)。縱梁式管廊合適軸向柱距為6～11 m。如果軸向柱距大于11 m，則管廊的縱連系梁會很大，不是很經(jīng)濟，這種情況適合采用桁架式管廊。4）桁架式管廊適合軸向柱距比較大的情況，一般軸向柱距在11 m以上。

管廊形式分類見圖1。

圖1 管廊形式分類

管道支架按材料類別又可分為鋼筋混凝土凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)管廊施工進度快，安裝方便，但耐火性能差，容易銹蝕，維護成本高，還需要定期做防腐、防火涂漆。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)管廊的耐久性好，鋼性要好，耐火、耐蝕性、維護費用少，但混凝土結(jié)構(gòu)施工周期長，施工精度沒鋼結(jié)構(gòu)高。有些項目為了加快施工進度和節(jié)約成本，管廊柱子設(shè)計成鋼筋混凝土，而管廊連系梁用鋼結(jié)構(gòu)的。

管道支架的設(shè)計在選型和選材上應(yīng)采用具有較好抗震性能的，且材料具有較好的延性，能適應(yīng)自身和外力引起的變形。管廊用鋼結(jié)構(gòu)還是混凝土，要根據(jù)項目實際情況而定，主要遵循安全、經(jīng)濟、適用的原則。

管道支架按工藝設(shè)計類別又可分為活動支架和固定支架。地震時，固定支架承受地震作用較大。鋼筋混凝土固定支架宜采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)?；顒又Ъ芸刹捎醚b配式結(jié)構(gòu)，但為保證梁、柱節(jié)點滿足受力要求，鋼筋混凝土裝配式支架要求梁、柱整體預(yù)制。直徑較大的管道，固定支架宜采用四柱式鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。輸送劇毒、高溫、高壓、易燃、易爆等危險介質(zhì)的管道，其固定支架宜采用四柱式鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。四柱式固定支架是廣泛采用的一種組合式的空間體系，如圖2所示。

圖2 四柱式固定支架示意圖

在地震作用下，半鉸接支架在柱腳處會出現(xiàn)破損裂縫，因此在8度和9度設(shè)防時，不宜采用處于半固定狀態(tài)的半鉸接支架，而活動支架則宜采用剛性支架。在8度和9度設(shè)防時，輸送劇毒、高溫、高壓、易燃、易爆等危險介質(zhì)的管道，不應(yīng)將管道本身作為跨越結(jié)構(gòu)的受力構(gòu)件。

鋼筋混凝土固定支架的設(shè)計應(yīng)滿足框架抗震等級三級的要求；輸送劇毒、易燃、易爆等危險介質(zhì)的管道在破壞時會產(chǎn)生嚴(yán)重災(zāi)害，所以這類管道的鋼筋混凝土支架的設(shè)計應(yīng)滿足框架抗震等級三級的要求；其他支架設(shè)計應(yīng)滿足框架抗震等級四級的要求。

2 管道支架的設(shè)計計算

引起管道支架出現(xiàn)安全事故的原因為：1）管道自身變形管道（如補償器彎頭等）及破壞；2）管架沿管道縱向移動引起的縱向力，使管架變形傾斜，及管道從管架上沿落下增加變形，甚至傾倒；3）受地震等外力作用，使管道支架出現(xiàn)梁柱變形、彎曲、傾倒、損傷，甚至倒塌，導(dǎo)致管道滑落地面，出現(xiàn)波形扭曲、破損、斷裂；4）地震波使土層變形，導(dǎo)致管道基礎(chǔ)傾斜和基礎(chǔ)不均勻沉降，也會引起管道開裂、折斷等。所以，管道支架應(yīng)按《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》［6］進行水平地震作用和作用效應(yīng)的計算。其中，地震影響系數(shù)按多發(fā)地震等級確定。

2.1 支架的重力荷載

支架的重力荷載代表值按以下規(guī)范確定：

1）可變荷載：①走道活荷載，應(yīng)采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值的50%；②積灰荷載，應(yīng)采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值的50%；③對熱管道或冷、熱管間隔敷設(shè)的多管共架管道，不計入冰、雪荷載；對冷管道，應(yīng)采用冰、雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值的50%。

2）永久荷載：①支架，應(yīng)采用自重標(biāo)準(zhǔn)值的25%；②管道內(nèi)介質(zhì)，應(yīng)采用自重標(biāo)準(zhǔn)值的100%；③管道（包括保溫層、管道附件和內(nèi)襯），應(yīng)釆用自重標(biāo)準(zhǔn)值的100%；④管廊式支架上的電纜、電纜架和水平構(gòu)件，應(yīng)釆用自重標(biāo)準(zhǔn)值的100%；⑤管道上操作平臺，應(yīng)釆用自重標(biāo)準(zhǔn)值的100%。

2.2 管道支架的計算單元

管道支架的計算單元應(yīng)符合下列規(guī)定：

1）獨立式支架的縱向支架頂面，由剛度較大的管道相互連接，形成一個長距離的連續(xù)結(jié)構(gòu)，但在補償器處的縱向剛度比較小，所以計算單元長度應(yīng)釆用主要管道兩補償器間區(qū)段中至中的距離作為縱向計算單元。

管道橫向剛度較小，支架之間橫向相互影響較小，所以橫向計算單元長度取每個支架相鄰左右跨中至跨中的距離作為橫向計算單元。

2）管廊式支架的縱向計算單元長度應(yīng)采用結(jié)構(gòu)變形縫之間的距離，橫向計算單元長度應(yīng)采用支架相鄰兩跨中至中的距離。

管道支架的計算單元如圖3、圖4所示。

圖3 獨立式支架的計算單元

圖4 管廊式支架的計算單元

2.3 水平地震作用點的位置

敷設(shè)有多層或單層管道的支架，都可以按單質(zhì)點體系計算。水平地震作用點的位置可按下列規(guī)定采用：

1）獨立式支架。若為上滑式管托的支架（如圖5），可以取管道外徑的最低點；下滑式管托、鉸接管托、固定管托、擋板式管托的支架，可以取在支承管道的橫梁頂面；與梁頂埋件焊接的固定支架，可以取在管道的中心處。

圖5 各種管托的地震作用位置

2）對管廊式支架，可取在支座的支承面處。

各種管托的構(gòu)造形式見圖5。

2.4 管道的縱向方向驗算

當(dāng)支架和管道有相對滑移時，可滑動的剛性活動支架，需要滿足對應(yīng)的抗震構(gòu)造措施要求，這種情況在管道滑動的方向可以不進行抗震驗算。當(dāng)該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度、9度時，對于柔性活動支架，由于它為了適應(yīng)管道的變形，承受了支架柱的位移反彈力，所以要求進行抗震驗算?？拐鹪O(shè)防烈度為8度和9度時，跨度大于24 m管廊式的桁架和支承大直徑管道的長懸臂，應(yīng)進行豎向地震作用的計算。

對于柔性活動支架，在抗震驗算中，當(dāng)管道與支架間的滑動摩擦力大于支架所受縱向水平荷載時，支架所受的縱向水平力為［7］：

Pf＝Kδ

式中：K為支架柱的總側(cè)移剛度，N／m；δ為支架頂?shù)奈灰?，m。

3 管道支架的抗震構(gòu)造

1）鋼筋混凝土支架的柱截面尺寸應(yīng)大于250 mm，支架梁的截面尺寸應(yīng)大于200 mm，混凝土強度等級應(yīng)大于C25；鋼筋混凝土支架柱的計算長度與截面最小寬度比為（7度～9度時）：固定支架應(yīng)小于25，活動支架應(yīng)小于35。其中，鋼筋混凝土支架的箍筋規(guī)定：

①柱與柱間支撐相連接的地方，上、下各不小于500 mm范圍內(nèi)，應(yīng)加密箍筋間距不大于100 mm；②管道支架是雙柱式的，從柱頂?shù)阶钕乱粚拥臋M梁底部以下大于500 mm 范圍內(nèi)和地面到柱底以上大于500 mm的范圍內(nèi)，箍筋加密間距不應(yīng)大于100 mm，箍筋直徑不應(yīng)小于8 mm。

2）鋼支架柱的長細(xì)滿足長細(xì)比限值表（表1）要求；鋼支架鋼板材料的寬厚比限值除應(yīng)滿足表2要求外，還應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中有關(guān)彈性階段設(shè)計的規(guī)定。

表1 鋼支架柱的長細(xì)比限值

表2 鋼支架板件的寬厚比限值

3）對石化行業(yè)的調(diào)査發(fā)現(xiàn)，當(dāng)受到較大水平荷載時，一些支架的柱、梁節(jié)點和連接件經(jīng)常出現(xiàn)錨筋拔出現(xiàn)象。所以，在地震區(qū)，支架埋件的錨筋必須按計算確定，以避免鋼筋“錨固先于構(gòu)件破壞”情況。

下列情況的支架埋件的錨固長度不應(yīng)小于30 d，且應(yīng)符合受拉鋼筋的抗震錨固要求，支架埋件錨筋應(yīng)不小于4?12。

1）抗震設(shè)防烈度8度和9度時的支架；2）支架梁、柱鉸接處的埋件；3）固定支架和設(shè)有柱間支撐的支架。

4）釆用滾動式或下滑式管托的支架，應(yīng)釆取措施防止管托滑落；敷設(shè)于支架橫梁上的在頂層的外側(cè)管道，應(yīng)采取設(shè)置防震擋板、防震短柱的措施，防止管道滑落（如圖6）。在柱腳處會出現(xiàn)裂縫。為了加強半餃接支架的安全，應(yīng)采取以下措施：半鉸接支架柱根部大于500 mm的高度范圍內(nèi)和柱腳橫梁全長的箍筋，直徑不應(yīng)小于8 mm，箍筋間距加密不應(yīng)大于100 mm；半鉸接支架柱在管道縱向的構(gòu)造配筋，每邊不應(yīng)少于2?16。

圖6 防止管道滑落的構(gòu)造措施

6）支架的懸臂橫梁受力情況復(fù)雜，橫梁為雙向受彎并且還受扭，在高烈度下還要受豎地震作用的影響，所以如果要在支架懸臂橫梁上敷設(shè)管道，那支架懸臂長度不宜大于1.5 m。

7）鋼結(jié)構(gòu)單柱固定支架，在外力作用下柱底存在較大彎矩，在抗震設(shè)防烈度8度和9度時，為保證安全，應(yīng)使基礎(chǔ)和柱子共同工作，則需釆用剛接柱腳，將柱底內(nèi)力傳遞至基礎(chǔ)；如果支架受外力很大時，可以釆用埋入式或外包式柱腳。鋼支架的梁柱連接宜釆用柱貫通型。

8）四柱式鋼結(jié)構(gòu)固定支架，為保證支架在外力作用下的空間整體性，當(dāng)支架比較高時，應(yīng)在支架高度范圍內(nèi)的適當(dāng)位置增設(shè)水平支撐；在8度和9度設(shè)防時，水平支撐間的間距不大于6 m。當(dāng)抗震設(shè)防烈度為8度、9度時，管道直徑較大，則在直接支承管道的橫梁平面內(nèi)，需增加支架的剛度，應(yīng)設(shè)置和四柱相連的水平支撐；當(dāng)支架較高時，尚應(yīng)在支架高度中部的適當(dāng)部位增設(shè)水平支撐。

4 結(jié)束語

管道支架，作為項目生命線的保障結(jié)構(gòu)，支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計安全可靠性更為重要。特別是石油化工行業(yè)的管道，輸送物料大多是?；?，受外力作用或地震時產(chǎn)生的次生災(zāi)害，往往比地震直接造成的損失還要大。因此，石油化工管道支架的設(shè)計，不但要滿足住建部發(fā)布的國家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求，而且更要滿足石油化工行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求。