纵梁式管架荷载计算及受力分析

余伟胜

(东华工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024)

纵梁式管架荷载计算及受力分析

余伟胜

(东华工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024)

该文对纵梁式管架的荷载、荷载计算原则进行了说明，并对活动管架、固定管架进行了受力分析，同时对管道(应力)专业提出条件的规范性以及管架受力机理进行了探讨，对类似工程设计具有一定参考价值。

纵梁式管架 ;荷载; 管道(应力)专业提出条件；受力分析

0 引 言

在石油化工厂,管道网承担着输送各种不同温度(高温、低温、常温)、不同压力(高压、中压、低压)的介质(液体、气体、固体颗粒)的任务。

管架是支撑架空设置的管道系统中除管道外的全部结构的总称[1]。按纵向联系的结构分为纵梁式管架、桁架式管架、吊索式管架等。当前工程中基本不使用吊索式管架[2]。

在管架设计过程中,只有管道(应力)专业提出完善的设计条件,结构专业将条件准确转化为管架的设计荷载,才能展开后续结构设计与计算。本文主要针对石油化工工程应用较多的纵梁式管架荷载计算及受力分析进行探讨。

1 管架荷载

1.1 荷载分类

1.1.1 垂直荷载

垂直荷载包含永久荷载、可变荷载。

永久荷载包含管道、内衬、保温层、管道附件重;管道内介质重;管架自重。

可变荷载包含平台上活荷载;管内沉积物、试压水重;积灰荷载;冰雪荷载。

1.1.2 水平荷载

水平荷载为可变荷载,包含纵向和横向水平荷载。

纵向水平荷载包含管道补偿器反弹力,管道的不平衡内压力,活动管架的管道摩擦力或活动管架的位移反弹力。

横向水平荷载包含风荷载,拐弯管道或支管传来的水平推力,管道横向位移的摩擦力。

1.1.3 特殊荷载

特殊荷载包含事故水和地震作用荷载。

1.2 荷载分项系数

荷载分项系数按文献[3]表7.0.2。管道专业提的荷载均作为标准值。

从文献[3]表7.0.2可以看出,部分可变荷载的分项系数[4]与现行荷载规范[4]规定的分项系数有差别,而永久荷载分项系数是一致的。

1.3 荷载组合

管架承载能力极限状态,应按管架规范表7.0.3[3]采用荷载效应基本组合和地震作用效应组合,取最不利者进行设计。

管架正常使用极限状态,应验算梁(或桁架)竖向挠度,并按管架规范表7.0.5[3]进行荷载组合。混凝土管架应按荷载效应标准组合并考虑荷载长期作用影响的刚度进行计算;钢管架考虑荷载效应标准组合。

1.4 垂直荷载计算原则

多根密排管道,宜按均布荷载计算。具体见表1[5]所列。

1.5 纵梁式管架水平荷载计算原则

1.5.1 活动管架水平推力

活动管架承受管道膨胀时产生的水平推力(该推力大于摩擦力时,管架承受摩擦力)应按下列规定确定:

表1 集中荷载简化为均布荷载

1.5.1.1 活动管架构件支承的管道

符合下列条件之一者,水平推力忽略不计[3]:

(1) 常温管道,输送介质的温度不超过40 ℃;

(2) 管道至少10根,且最高温度(包括扫线温度)低于130 ℃;

(3) 主要热管重量与全部管道重量之比小于0.15。

1.5.1.2 刚性管架与柔性管架的水平推力计算

活动管架的刚性柔性区分的主要依据是管架的刚度大小、管架水平位移能否满足管道受热变形的需要、管道与管架之间是不是产生相对位移。

(1) 刚性管架水平推力计算,如图1所示。

图1 刚性管架水平推力示意图

刚性管架顶部的变形不能适应管道变形需要,管道发生相对位移,产生摩擦力,即

(1)

其中,Fm为作用在刚性活动管架上,由于管道位移产生的摩擦力标准值(kN);G1为 正常操作时作用在一榀管架横梁上的总垂直荷载标准值(kN);μ′为摩擦系数,钢与钢滑动接触时采用0.3,钢与混凝土滑动接触时采用0.4,钢与聚四氟乙烯之间采用0.1;K为牵制系数,可按文献[3]第4.1.3条和第4.1.4条取值。

(2) 柔性管架水平推力计算,如图2所示。

图2 柔性管架水平推力示意图

柔性管架顶部适应管道变形需要,与管道一起移动,产生弹性力:

混凝土管架:

(2)

钢管架:

(3)

其中,Ff为作用在柔性活动管架上,由于柱顶变位产生的弹性反力标准值(kN);n为一榀管架柱的根数,宜为2根;H为管架柱的高度,双层管架时,为基础顶至主要热管所在横梁顶面的高度(mm);Δl为主要热管在所计算的管架顶面处的位移(mm),计算见文献[3]4.3.5-2式,一般由管道(应力)专业提出;Ec为混凝土弾性模量[6](kN/mm2);E为钢材弾性模量[7](kN/mm2);I为一榀管架中一根柱沿管道纵向的截面惯性矩[8](mm4)。

1.5.2 固定管架水平推力

固定管架水平推力为管道补偿器[9]弹性反力标准值ΣFb、管道不平衡内压力标准值ΣFn和活动管架的反作用力标准值ΣFm或ΣFf组成。设计时应根据管道(应力)专业提供的水平推力,并考虑两侧活动管架的不平衡水平推力。其中,ΣFb、ΣFn由管道(应力)专业提出,结构专业应根据中间活动管架的特征、管道布置具体情况,按重载式(端部固定管架)、减载式(中间固定管架),自行计算出ΣFm或ΣFf,相叠加组成固定管架的总水平推力F值。

1.5.2.1 管道补偿器弹性反力Fb产生原理

当管道膨胀时,补偿器将被压缩变形,由于补偿器的刚度作用,必将产生一个抵抗压缩变形的反力,即图3中Fb,这个反力通过管道作用在固定管架上,此力由管道专业提供。

1固定管架 2补偿器

1.5.2.2 管道不平衡内压力Fn产生原理

如图4,在两个固定管架间设有套筒式补偿器[9],并在补偿器的一侧又设有闸阀[10],如将闸阀关闭,由于闸阀受到内压力的作用,将有使套筒式补偿器脱开的趋势,这个力就是管道内的不平衡内压力Fn。

1固定管架 2闸阀 3填料式补偿器

2 纵梁式管架受力分析

2.1 概念设计

2.1.1 伸缩缝间距与布置

全钢结构或纵梁采用钢结构、柱采用钢筋混凝土结构时不大于120 m;全钢筋混凝土结构不大于70 m;应尽可能设置在补偿器附近[6]。

2.1.2 计算单元的确定及构件受力分析

一般以一个温度区段作为一个计算单元。

横梁承受管道的竖向荷载和水平推力,按双向受弯构件计算。固定点宜设置在有支柱的横梁上,对固定管架的横梁,尚应计算由水平推力所产生的扭矩。纵梁或桁架,承受管道轴向水平力和有横梁传来的垂直荷载以及转弯管道所传递的荷载,由于水平力作用在横梁的顶面,应计算偏心而引起的附加弯矩,因此应按拉弯或压弯杆件计算。

宜在每个温度缝区段两端设置纵向柱间支撑,以承受水平推力。管架柱一般不承受水平推力。

桁架式管架的桁架上弦宜设置交叉性水平支撑,下弦宜在管架柱距左右两侧横梁区域内设置交叉性水平支撑。管道轴向水平推力由桁架上弦杆承受,部分转弯管道的水平推力则由桁架上弦水平支撑承受。

2.2 平面模型简化计算

2.2.1 一个计算单元内水平力分析

图5中FtAB、FtBA、FtBC、FtCB指由固定点A、B、C管道传来的水平力标准值,由Fb和Fn组成,管道专业提供; 指支承于尽端固定管架上,转弯处的管线弹性力标准值,由管道专业提供。

1柱间支撑 2固定管架 3活动管架 4管道固定点 a、b补偿器

其中1.2,为不均匀系数。

2.2.2 一个计算单元内活动管架受力分析

活动管架受力分析,如图6所示。

qv1、qv2-垂直荷载;wk上、wk下-作用于上层、下层管道风荷载

当纵梁与支架柱顶部处于同一水平面时,管架柱不承受轴向水平推力,可按单向偏心受压构件计算。

当纵梁布置在下层位置时,须考虑柱在纵梁位置上,由上层固定管道水平推力对柱产生的弯矩,并应验算纵梁支座处柱截面的承载力。

纵梁与柱节点的连接件,应按纵梁承受的轴向力进行拉剪计算。

3 结束语

一套好的纵梁式管架设计方案,不仅要求结构设计师概念清晰、合理进行荷载分析,还要对管架受力产生的原理有所了解,这就要求结构设计师了解管道热膨胀、补偿器以及管道内压力的工作机理,能对管道(应力)专业提出的条件正确性、完整性进行判断。

[1] 孙 超,吕秀平.管廊式管架设计心得及对其受力的分析和探讨[J].山西建筑,2012,38(25)：58～59.

[2] SH/T 3055-2007，石油化工管架设计规范[S].

[3] GB 51019-2014，化工工程管架管墩设计规范[S].

[4] GB 50009-2012，建筑结构荷载规范[S].

[5] 曲昭嘉,王 瑾,曲圣伟,等.建筑结构设计资料集(7)[M].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[6] GB 50010-2010，混凝土结构设计规范[S].

[7] GB 50017-2003，钢结构设计规范[S].

[8] 吴三元,庄锦亮,赵 玉.组合截面惯性矩求解方法研究[J].鸡西大学学报,2015,15(11)：58～60.

[9] CJ/T 3016.2-1994，城市供热补偿器焊制套筒补偿器[S].

[10] GB/T 12234-2007，法兰和对焊连接钢制闸阀[S].

2016-11-18；修改日期：2016-11-21

余伟胜(1974-)，男，安徽太湖人，东华工程科技股份有限公司高级工程师.

TQ055.8

A

1673-5781(2016)06-0727-04