大跨度管道支架不同支撑形式的受力比较

梁定益

(海南省建筑设计院，海南海口 571100)

管道支架在管道敷设的地方都会用到，尤其在冶金、化工、机械、电力、煤炭等各种工业厂区当中，涵盖面极其广泛［1，2］。管道支架作为管道的支承结构，根据管道的运转性能和布置要求，管架分成固定和滑动两种。在工业中，多个专业的管道如热力、燃气、给排水的管道经常会并排在一个管道支架上，或者由于厂区改造工程等原因，导致出现大跨度管道支架的情况。支架支撑形式一般有:交叉支撑、人字和V形交替支撑、人字支撑(见图1)。由于支撑与柱的夹角宜为35°～55°，在这个条件限制下，大跨度管道支架使用交叉支撑就会使柱子在支架平面内的计算长度增加很多，在柱子长细比限制及受力条件下，柱子断面将会增大;这不仅使支架用钢量增加，对柔性支架的受力会产生不利影响。因此大跨度管道支架宜使用人字和V形交替支撑、人字支撑这两种支撑［3-8］。

1 工程简介

某钢厂有一趟大跨度管道支架，上面布置为一层多管，且管径均较大，取其中一柔性单片支架进行水平受力计算分析。已知该工程地处7度设防区，支架跨度8 m，高16 m，支架顶部受水平荷载标准值为40 kN。现分别设计人字和V形交替支撑、人字支撑两种形式的大跨度管道支架，对二者的计算结果进行比较分析。

图1 常用支架支撑形式

2 建立模型

为了更直观的比较两种支撑形式对管架受力的影响，因此拟定支架柱及横梁均为同样断面。人字和V形交替支撑按受拉构件设计，人字支撑按受压构件设计。根据GB 50709-2011钢铁企业管道支架设计规范的规定，7度设防时的管道支架支撑长细比限值按受拉杆设计时为300，按受压杆设计时为200。按此限值初步选定人字和V形交替支撑为∠90×6(长细比为283＜300)，人字支撑为十字组合等边角钢2∠90×6(长细比为161＜200);两种形式的管道支架构件及受力简图见图2。

图2 支架计算简图

图3 支架应力比图

3 结果分析

经计算，在支架顶部水平力40 kN作用下，两种支撑形式的支架构件应力比见图3，节点位移见图4。人字和V形交替支撑应力比最大值为0.5，支架位移呈弯曲形，最大节点位移为顶部9.5 mm，与支架高度比值为1/1 684，远小于限值1/400;人字形支撑应力比最大值为0.36，支架位移亦呈弯曲形，最大节点位移为顶部2.8 mm，与支架高度比值为1/5 714，亦远小于限值1/400。因此，两种支撑形式的支架均满足应力比及位移限值要求。

4 结果比较

图4 支架节点位移图（单位：mm）

1)从受力角度来说，两种支架在柱顶水平力作用下，柱及横梁应力比十分接近，基本相同;而支撑的最大应力比人字和V形交替支撑为0.5，人字形支撑为0.36。两者均满足受力要求，但前者比后者在受力上应力使用的更充分。2)从变形的角度来看，人字和V形交替支撑支架的最大节点位移与支架高度比值为1/1 684，人字形支撑支架的比值为1/5 714，虽然前者的最大节点位移是后者的3.4倍，均满足1/400的位移限值要求。3)就经济的角度来说，人字和V形交替支撑的用钢量仅为人字形支撑用钢量的50%，由此得出前者更能节省工程造价。4)从适用性的角度来说，人字形支撑支架不仅适用于单层管道，也适用于双层甚至多层管道支架，故人字形支撑支架适用性更加广泛。

5 结语

实际上，大跨度支架不仅仅在工业中的管道支架中被用到，在民用建筑乃至体育场馆等设计中都会涉及到。如在民用建筑中的钢与混凝土组合结构中，由于跨度一般情况下都会大于层高，那么支撑的设置就与本论文所述的情况相符合。因此，在大跨度的情况下，在受力、变形、经济和使用等多方面条件限制下，做好支撑形式的选择是很有必要的。

［1］滕文川，朱彦鹏.工业系统管道支架的整体分析［D］.兰州:兰州理工大学，2011.

［2］张 伟.热力管道架空支架设计方法研究［D］.北京:北京交通大学，2009.

［3］GB 50017-2003，钢结构设计规范［S］.

［4］GB 50709-2011，钢铁企业管道支架设计规范［S］.

［5］丘 平.管道支架设计若干问题浅议［J］.石油化工设计，2010(4):9-11.

［6］周敬东，吴 磊.钢结构架空管道支架的设计［J］.工程建设与设计，2010(8):58-60.

［7］刘文遐.综合管道支架的设计改进［J］.内蒙古电力技术，2007(2):112-115.

［8］冯 双，王 燕，刘伟学.大型钢结构管道支架的设计［A］.第九届全国现代结构工程学术研讨会论文集［C］.2009.