室外管道支架的设计浅析

1 引言

工业厂房设计中，管道支架是是其重要组成部分，管道支架的做法、走向受工艺影响很大。由于管道支架随管线走线全厂区布置，在部分化工工业项目中所占工程量比重也较大，比较合理的设计方案对于工业项目的土建成本控制是有重要作用的。抵抗诸如地震作用、风荷载以及管道水平推力等侧向力的抗侧力构件设计时钢结构设计中要组成部分，抗侧力构件的利用效率对钢结构设计的工程量的节约有重要意义。本文将以某工程室外管架为例，对设计中常用的两种方案进行计算设计对比，以期得出较合理的设计方案。

2 结构布置方案

内蒙某工业项目室外管桥，最大单段管道支架直线长度为354m，为释放温度应力，分成若干区段。管架柱列间距为4.0m～6.0为主，部分区段跨越马路，跨度较大，需要按桁架设计考虑。管道支架跨度尺寸为5.0m。三层，底层层高为5.0m，其余层高均为2.0m。

柱间支撑设置需要避开马路及厂房入口等。

3 设计参数

3.1 风荷载

基本风压:0.55kN/m2，地面粗糙度为B类。

由于管道支架为镂空构件，管道层以下部分偏安全考虑体型系数为0.30，管道层范围内由于有管道挡风，偏安全考虑风载体型系数为1.0。

3.2 使用荷载

工艺管道荷载:500kg/m，管道支架长度方向。

3.3 建筑结构安全等级、抗震设防类别、抗震设防烈度、设计使用年限

建筑结构安全等级:二级

抗震设防类别:丙类

抗震设防烈度:7度，第二组，设计基本地震加速度为0.10g

结构设计使用年限为50年。

3.4 计算参数

阻尼比取0.02

抗震等级:四级

主要钢构件均采用Q345B级钢。

4 截面选型及抗震措施

4.1 方案一

4.1.1 截面选型

(1)钢柱和钢梁均采用H型钢，梁柱均为双向刚接，采用栓焊混合连接型式，双剪，摩擦型连接;柱脚采用刚接。

(2)柱间支撑采用中心支撑，X型交叉支撑，采用T型剖分钢。

(3)管道层为减小钢梁平面外计算长度，设置水平支撑，水平支撑采用角钢。

4.1.2 抗震措施

(1)需要满足强节点弱构件、强剪弱弯的要求，当框架梁无法满足极限承载力的要求时，考虑梁翼缘在连接处局部加宽的方式来处理。

(2)需要进行节点域的屈服承载力进行验算，不能满足规范要求时，柱的节点域局部贴焊钢板进行处理。

(3)需要满足强柱弱梁的要求，由于钢柱采用H型钢，弱轴方向刚度较弱，无法满足《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中式8.2.5-1或式8.2.5-2要求，通过调整截面，使钢柱轴压比控制在0.4以下，根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)要求，可不进行强柱弱梁验算。

(4)长细比限制:根据《石油化工管架设计规范》(SH/T3055-2007)5.18条中表4:管架柱长细比不大于150，柱间支撑按压杆设计，长细比不大于120，纵梁长细比偏安全按受压控制，长细比控制在150。

4.2 方案二

4.2.1 截面选型

(1)钢柱和钢梁均采用H型钢，梁柱连接横向刚接，采用栓焊混合连接型式，双剪，摩擦型连接，纵向钢梁与钢柱铰接;柱脚采用铰接。

(2)柱间支撑采用中心支撑，X型交叉支撑，采用T型剖分钢。

(3)管道层为减小钢梁平面外计算长度，设置水平支撑，水平支撑采用角钢。

4.2.2 抗震措施:同 4.1.2.

5 分析结果对比

5.1 方案一

A.横向刚架:

(1)钢柱强轴应力比最大为0.33，弱轴应力比为0.52;

(2)钢梁应力比最大为0.29;

(3)柱顶最大为11.9mm。

B.纵向刚架:

(1)钢柱强轴应力比最大为0.33，弱轴应力比为0.52;

(2)钢梁应力比最大为0.25;

(3)柱顶最大位移0.4mm。

说明:方案一由于为梁柱之间采用双向刚接，平面模型仅能考虑一个方向的弯矩，因此需要将两方向的平面模型的应力比进行叠加，才能较真实、全面的反应钢柱的应力比状况。经两方向应力比叠加后钢柱应力比为 0.85.

5.2 方案二

A.横向刚架:

(1)钢柱强轴应力比最大为0.52，弱轴应力比为0.87;

(2)钢梁应力比最大为0.48;

(3)柱顶最大位移42.4mm。

B.纵向刚架:

(1)钢柱强轴应力比最大为0.33，弱轴应力比为0.52;

(2)钢梁应力比最大为0.35;

(3)柱顶最大位移1.2mm;

6 结论

方案一(梁柱双向刚接+纵向柱间支撑)与方案二(梁柱仅横向刚接+纵向柱间支撑)相比，梁柱支撑相同截面的情况下;钢梁应力比方案一较小，其中横向刚架梁方案一优势较大，纵向刚架梁差别不大;钢柱应力比两种方案比较接近，柱顶位移方案一较小。

经计算，由于方案一柱底刚接，故基础一般为大偏心，基础相对于方案二较大，由于刚接柱脚做法因素，基础短柱也较方案二较大。

在施工方便程度上，由于方案一梁柱双向刚接，相对于方案二剖口焊数量较大，施工进度较慢，施工质量受焊缝质量影响较大。

[1]《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010.

[2]《钢结构设计规范》GB50017-2003.