钢管架结构设计探讨

2018-01-24刘心

山西建筑 2018年2期

刘心

(大唐环境产业集团股份有限公司，北京 100097)

1 设计要点

根据工艺要求，在管架上需交叉通行各种管道，并且大直径管道多，管道荷载较大，同时要求管架设置不得有碍于操作及人员通行，便于设备、管道的拆卸、检修。因此，一方面如何考虑管架水平支撑和竖向支撑的整体布置，防止管道与结构碰撞，并满足结构的整体受力合理性的要求，是结构布置的关键；另一方面，如何经济合理的选取梁柱截面，是结构构件设计的关键。

2 结构布置

2.1 管架的平面布置

1)管架跨度。

由管道专业及电气仪表专业依据管道布置确定。

2)管架柱距。

由管道布置专业确定，但可从结构专业的角度考虑柱距的合理性，若不合理，可向管道专业提出，并共同讨论确定。

3)伸缩缝布置。

对于较长的管架，要设置温度缝，一般在温度缝处采用双柱。伸缩缝间距：全钢结构或纵梁、桁架采用钢结构，柱采用混凝土结构时不宜大于120 m；全钢筋混凝土结构时不宜大于70 m。

4)横向中间梁布置。

管道层次梁间距一般不大于3 000 mm，当仅支撑大管时，间距可适当加大；支撑电缆层一般不大于2 500 mm，以满足小管道及电缆的刚度需求，当电气专业选择的电缆盘厚度可满足更大支撑间距要求时，次梁间距可适当加大。

5)水平斜撑。

与立面斜撑配套布置，对次梁上水平集中力较大的地方(如锚定力等)，适当布置水平斜撑，将水平力传递给主框架系统。

2.2 管架的立面布置

1)横向。

横向主构架通常采用刚接形式，避免使用斜撑，以免妨碍管道布设，并提供管架下方空间供维修或通行之用。对于层数较多且高度较高，负载较大的管架，在不影响维修通行空间的情况下，其横向主构架的最下层应设法设置立面斜撑或角隅斜撑，以减小侧移及柱断面，从而节省钢构材料。

2)纵向。

为排架方向，梁柱采用铰接形式，侧向支撑系统采用立面斜撑，以便有效传递水平力。立面斜撑设置的位置要配合管线进出的需求，最好能事先协调予以错开。立面支撑的设置宜以4跨～5跨设立一组，每段独立的管架宜至少设置两组(较短的管架也可仅设置一组)。

3 结构设计荷载

3.1 自重

自重包括管架本身自重和电缆自重。

3.2 管道重量

由管道专业提供的管道空重、管道操作重、管道试水重，分别以均布力或集中力的形式作用于主横梁或次梁上。

1)均布力。

根据SH/T 3055—2007石油化工管架设计规范中6.1.2条，多根密排管道宜按均布荷载计算，当遇有一根管道作用于梁上的荷载大于10 kN时，该管道应单独按集中荷载考虑。此外，还应考虑预留管道荷载。管道均布力简化处理如下：

对8”及以下的小管，采用均布力的形式作用于主横梁及次梁上，均布力的大小依管道专业提供的荷载条件确定，但对于空重不小于100 kg/m2，操作重及试水重不小于200 kg/m2(经济设计时不小于150 kg/m2)。

管道均布线荷载标准值(kN/m)可按下式计算：

其中，qv为均布在横梁上的管道垂直线荷载标准值，kN/m；l为横梁间距，m；Fi为某单根管道的垂直荷载标准值，kN/m；L4为管道计算区段长度，m；n为管道计算区段内的管道根数(一般取4根以上)。

2)集中力。

管道布置(见图1)，对大于8”的大管，采用集中力的形式作用于主横梁上，当主横梁上均布力满布时，要注意扣除大管面积范围内的均布力，即：

F=S(W-pD)g。

其中，S为管道跨距；W为大管重，kg/m；p为大管所在位置的均布面荷载，kg/m2；D为大管管径。

3.3 管道的摩擦力

管道的摩擦力由管道专业提供，设计时还没有相应的荷载资料，根据经验近似取管道操作荷载的10%布于主次横梁上，作用方式同管道操作荷载，作用方向为沿管道走向的水平方向(见图2)。

3.4 管道的锚定力

管道锚定力由管道专业提供，若无管道荷载资料时，每层以每米宽2 kN水平集中力作用于主横梁上(见图3)。

3.5 风荷载(WL)

依据HG/T 20670—2000化工、石油化工管架、管墩设计规定的4.4节计算，一般管架结构以横向风荷载起控制作用，包括管道径向风荷载、管架柱及纵向构件风荷载。

管道风荷载：

Wk=μsμzWodld。

其中，Wk为管道径向风荷载标准值，kN；μs为风荷载体形系数，单根取0.6；2根取0.9；3根，4根取1.2；不小于5根取1.4；d为管道外径(包括保温层)，多根管道取平均外径，m；ld为前后相邻管架间管道长度之半，m。

作用在每根纵梁上的风荷载：

WL1=μs1μzWoh1ld。

作用在每榀桁架上的风荷载：

WL2=μs2μzWoh2ld。

作用在每榀柱上的风荷载：

Wz=μs3μzWoh3b。

其中，WL1，WL2，Wz均为横向风荷载标准值，kN；μs1，μs3均为结构风荷载体形系数，取1.3；μs2为单榀桁架构件的体形系数，μs2=φμs,μs为对型钢杆件可取1.3，桁架挡风系数φ=An/A,An为桁架杆件和节点挡风的净投影面积，m2,A为桁架的轮廓面积，m2,A=h2ld；h1，h2，h3分别为梁截面高度、桁架高度和柱子高度，m；b为风荷载作用方向上的柱截面宽度，m；ld为管道跨度，即柱距(若管架两侧的跨度不等时，取平均值)，m。