钢结构管架的柱间支撑设置方案对比分析

吴轶雄

中国石油天然气管道工程有限公司沈阳分公司，辽宁 沈阳 110000

在石油、冶金等行业，管道支架的应用极为普遍，当管道需跨越道路或其他障碍物时，通常借助管架实现管道架空。在大跨度管道跨越方案中，钢结构架空管架因结构轻便、安装周期短、强度高、跨越能力强等优点，通常成为首选方案。钢结构架空管架因杆件数量多、空间布置复杂，通常采用三维有限元软件进行模拟分析。

1 方案基本情况

某工程钢架为某港口原油罐组区Φ711钢制原油管道过路管架，全长63.75m，钢架梁采用桁架式结构，上弦标高为10.8m，下弦标高为8.4m，管道架设于桁架梁下弦层，钢架整体结构纵向采用两跨设计，大跨33.75m，小跨27m，柱间支撑处两柱间距为3m。文章通过对柱间支撑布置于较大跨的边端（以下简称边固定）及整体结构中间处（以下简称中间固定）两种不同方案进行计算，汇总结果，进行两方案对比分析。两个方案如图1、图2所示。

图1 边固定方案

图2 中间固定方案

钢架柱HW400×400、弦杆HM340×250、腹杆P152×5材质均为Q345。环境初始温度为15℃，最高为40℃，最低为-20℃；设防烈度为6度（0.05g）；基本风压为0.6kN/m2。管道竖向荷载为25kN/m，水平荷载为7.5kN/m，于桁架梁下弦层间隔9m设管托，将相应管段荷载传递至钢架结构。

2 计算结果对比

2.1 工况组合

选取工程实际典型工况进行钢架结构分析，如表1所示，对柱底反力、杆件应力及节点位移三个方面进行对比分析。其中，定义管道竖向荷载为D，管道水平荷载为L，地震作用为EQ。

表1 荷载工况组合

2.2 反力、应力及节点位移

反力、应力及节点位移汇总如图3～图7所示。

图5 杆件最大拉应力对比图

图6 杆件最大压应力对比图

图7 节点最大位移对比图

2.3 主要结论

（1）仅有竖向荷载作用时，边固定柱底反力大于中间固定；

（2）升温、降温工况下，边固定柱底压力显著大于中间固定；

（3）管道水平荷载沿X轴正方向时，边固定柱底压力大于中间固定，边固定柱底拉力大于中间固定；

（4）除温度工况组合外，中间固定钢架杆件最大应力大于边固定；

（5）降温工况下，两方案节点相对位移差异最大，边固定大于中间固定；

（6）管道水平荷载沿X轴负方向时，中间固定节点位移大于边固定。

3 计算结果差异分析

3.1 柱底反力差异分析

根据该工程两个方案钢架的实际尺寸，将结构简化为杆件模型，A、E支座为柱间支撑，定性绘制竖向、水平弯矩示意图，如图8、图9所示。

图8 边固定方案简化模型弯矩示意图

图9 中间固定方案简化模型弯矩示意图

边固定方案柱间支撑处弯矩显著大于中间固定方案，管道水平荷载为X正向时，柱间支撑柱底弯矩与竖向荷载产生的弯矩叠加，因此总弯矩MA显著大于弯矩ME。

该工程固定端实际由多根柱及柱间支撑组成，由柱反力形成柱底弯矩，如图10所示。柱底反力为

图10 柱底反力形成弯矩(单位：mm）

式中：N为第i根桩的竖向力；F为群桩总竖向力；n为桩数量；M为通过群桩形心的弯矩；y为第i根桩距群桩形心的距离。

可见，在管道水平荷载沿X轴正向工况下，边固定方案柱底最小反力即柱底拉力显著大于中间固定方案。

3.2 杆件应力差异分析

如图8、图9所示，两方案A、D柱对梁杆件约束不同，D柱顶释放了对梁的约束，因此梁弯矩MED大于梁弯矩MBA。在实际结构中，由钢架桁架的弦杆及腹杆共同承担简化模型中的梁端弯矩，因此中间固定方案对应位置的杆件最大拉压应力均大于边固定方案。

3.3 位移差异分析

（1）两方案温度区段分别长60.75m、33.75m，温度区段长度的较大差异形成最大位移梁的明显差异。

（2）同3.2节原理，中间固定ED跨最大竖向位移大于边固定BA跨。

（3）通过图8（c）、图9（c）可知，当水平荷载沿X轴负方向时，中间固定DE跨梁底均受拉，竖向位移大于边固定AB跨，并与竖向荷载位移同向叠加，因此计算结果显示，管道水平荷载沿X轴负方向时，中间固定方案显著大于边固定方案。

4 结束语

综上分析，在实际结构设计中，有如下建议：

（1）混凝土构件通常设计为抗压构件，且柱底拉力较大时，不利于基础的抗倾覆设计，因此工程中应尽量减小钢架柱对基础的拉力。条件允许时，宜先“放”后“抗”，通过优化方案减小柱底拉力，当方案无法优化时，再通过加强或加大构件抵抗柱底拉力或倾覆弯矩。

（2）结构布置宜将刚度中心设置于结构形心位置，以此缩短温度区段长度，从而减小温度变化产生的构件内应力及位移。

（3）钢架中间支座两侧的桁架腹杆承受较大的杆件应力，因此在设计中宜加强处理，尤其当柱间支撑设置于钢架中间位置时，更有加强必要。