桥梁工程论文发表纵梁式管道支架研究

　　【摘 要】:本文对火力发电厂管道支架的设计中采用的纵梁式管道支架结构形式进行分析，总结设计经验，对其优越性提出见解。

　　【关键词】:纵梁式管道支架,受力特性,计算要点,优越性

　　1 前言

　　在火力发电厂的土建结构设计中，厂区管道支架是较为常见的特种结构。该结构的结构形式一般较为简单，但设计工作却比较繁琐。究其原因，一方面是因为支架所承受的管道荷载通常比较复杂，而且同一支架布设线路上的管道往往不止一种;另一方面则是因为厂区管道支架的设计工作多数是在设计末期完成，此时厂区的综合管线布置已基本确定，管道支架的基础设计会受到错综复杂的地下管线敷设的影响。如能选择一种技术先进、经济合理、方便设计和安全适用的支架结构形式，将给设计带来很大方便，既可避免设计中不必要的麻烦，也可方便施工和安装，同时节约工程造价，使运行更加安全可靠。

　　《火力发电厂土建结构设计规范》(以下简称《土规》)中第11.11节介绍了支架与支架间无纵向构件联系的独立式管道支架的设计。该部分内容适用于管径较粗、支架布置较疏、厂区地下管线对管道支架基础影响较小的情况。当管径偏细，尤其当有管径差异较大的多种管道同时架设于一组支架上时，所需的支架则往往间距较密，一味地采用独立式管道支架则会造成较大浪费，且此时若厂区地下管线的布置影响到管道支架的基础生根时，该结构形式的可行性都将无法保证。如果适当减少独立式管道支架立柱，在相邻立柱间用纵梁加以联系，并在纵梁上加设横梁代替省去的支架，则既解决了支架基础的生根问题，又在一定程度上减少了支架数量，使结构更经济合理、安全适用。在此，本人根据国内部分工程的设计经验，结合本人的设计实践，对纵梁式管道支架的设计作以分析和探讨，以便抛砖引玉，供同行在实践中不断改进和完善，使之在电力设计行业中得到广泛应用和推广。

　　2 纵梁式管道支架的结构组成

　　纵梁式管道支架通常由独立式管道支架、纵梁、横梁和柱间支撑组成，如图一所示，其结构简图见图二。

　　独立式管道支架结构同《土规》第11.11节做法。纵梁和横梁可采用型钢梁或钢筋混凝土梁，横梁与纵梁间采用简支连接，纵梁与柱的连接采用铰接。每段纵梁式管道支架内于靠近中部设一处柱间支撑。管道固定点设在横梁上。

　　当管道的架设不止一层时，可根据需要相应地将纵横梁设计为多层。

　　3 纵梁式管道支架的受力特性

　　由电力设计经验可知，工艺专业用于直接支承管道的管道支架常见的有以下4种类型：滑动支架、导向支架、固定支架和弹簧支架。其中弹簧支架仅承受管道传来的竖向荷载Fy作用，滑动支架承受竖向荷载Fy和双向的水平摩擦力Fx、Fz作用，导向支架承受竖向荷载Fy、沿管道方向的水平摩擦力Fx以及垂直于管道方向的水平推力Fz作用，固定支架则不仅要承受竖向荷载Fy和双向水平推力Fx、Fz作用，还要承受三个方向的弯矩荷载Mx、My、Mz作用。x、y、z及Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz的方向规定见图三所示。

　　当采用纵梁式管道支架时，由于管道固定点设在横梁上，以上4种类型支架的荷载(Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz)便通过横梁传递给纵梁，转变为纵梁的拉力、压力和弯矩作用，详见图四(a)～(f);纵梁垂直于管道方向的水平荷载(见图四(e))分配传递给两端的独立式支架;整个纵梁式管道支架的所有纵梁沿管道方向的不平衡推力则由各柱和柱间支撑共同承受,如：工艺管道支架作用于纵梁式管道支架上的x方向水平荷载共有n个，分别为F1～Fn,则对于整个支架体系而言，所受的x方向水平荷载Fx合应为：

　　Fx合=F1+F2+…+Fn= 。

　　4 纵梁式管道支架的设计要点

　　在收到工艺专业提供的相关管道支架布置和荷载资料后，应根据资料情况确定最简单合理的纵梁式管道支架布置方式。根据现有的设计经验，本人认为，当管道直段部分总长度小于钢结构的最大温度区段长度限值时，管道支架可设计成连续的纵梁式管道支架，也可分成较均匀的几段各自独立的纵梁式管道支架。当纵梁式管道支架较长时，可在靠近两端头处的对称位置上各设一道柱间支撑;当纵梁式管道支架较短时，可在靠近支架中段处设一道柱间支撑。为避免独立式支架柱承受更多的不平衡水平荷载，柱间支撑应尽可能布置在固定支架附近。这样既可减少水平荷载对纵梁的影响，又可使整个结构受力均衡。管道转向处，两个方向应分别设各自独立的纵梁式管道支架，避免出现两个方向的纵梁式管道支架相交并共用支架柱的情况，因为此做法不仅不能从梁柱数量上节省材料，而且会使整个结构变得混淆不清，受力情况更加复杂，导致计算失真。

　　当纵梁随管道的分层布置设为多层时，为保证结构的合理性，柱间支撑也应每层均设。这样便于增加整个结构的x方向刚度，减小各独立式管道支架的柱中段弯矩。当柱间支撑的斜杆受压稳定计算难以通过时，可视其为单向受拉杆件，即柱间支撑按单向拉杆计算。

　　在管道跨路等支架柱较高处，纵梁式管道支架柱往往因计算长度较长而导致截面过大或计算难以通过，此时可将柱根与基础连接处设计成铰接，即x方向上柱变成了两端铰接的摇摆柱(见图五(a))，这样，柱的计算长度系数便可取为1.0。在 z方向上，该柱所在的独立式管道支架就成了两柱脚铰接的门形架。如果z方向上柱的计算难以通过，则可考虑在柱中段处增加横梁以减小柱的计算长度系数(见图五(b))。在纵梁式管道支架总长度较短、高度较低、荷载较小时，为计算和施工方便，甚至可以把所有独立式支架柱均设计成x方向为摇摆柱、z方向为门形架的形式，此时如果柱间支撑按单向拉杆考虑，则x方向便成为静定结构(见图六)，从而大大方便了计算。同时，独立式支架柱基础仅受轴向力作用，不仅计算更加方便快捷，而且基础尺寸也变得非常经济。

　　值得一提的是，在结构计算的过程中，由于横梁直接承受工艺管道支架传来的荷载，受力情况往往比较复杂。例如，当梁上布置有弹簧支架时，横梁为受弯构件;当梁上布置有滑动支架或导向支架时，横梁可视为双向偏心受压构件或双向受弯构件(受压稳定性不起控制作用);当梁上布置有固定支架时，将同时承受Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz六种荷载，此时，横梁处于压、弯、剪、扭的复杂受力状态，依靠现有的计算公式不仅计算过程复杂，而且难以得出符合事实的计算结果。针对这一问题，结合设计经验，本人建议固定支架采用双横梁进行承担，即将固定支架生根处的横梁设为两道，其间距在满足工艺安装要求的前提下尽可能加大，这样一来，原来由单榀横梁承受的平面外弯矩My便转化成了两榀横梁的z方向的轴力，原来由单榀横梁承受的扭矩Mz便转化成了两榀横梁的跨中竖向荷载。荷载的转化示意见图七。

　　另外，横梁生根于纵梁上，传递给纵梁的作用力可能包括Fx、Fy、Fz、Mz四种荷载。由于水平荷载Fx靠纵梁传递至独立式管道支架和柱间支撑，纵梁所受的轴向力作用效应就不能忽略。在这四种荷载的作用下，纵梁应按双向偏心受压构件计算。

　　5 纵梁式管道支架的优越性

　　与传统的独立式管道支架相比，纵梁式管道支架存在以下优越性：

　　一、适于解决厂区地下设施复杂、立柱难的问题。这一点开篇已提到，在此不再赘述。

　　二、在工艺管道支架间距较小的情况下，能够减少立柱，节省造价，同时，当纵梁式管道支架采用钢结构时，还可以有力地减少柱基础的混凝土施工量，缩短施工周期。

　　三、将由多个独立式管道支架承受的沿管道布置方向(即x向)的水平荷载F1～Fn相互抵消，合并为一个不平衡推力Fx合，有力地降低了作用于支架柱和柱间支撑顶部的x向水平推力，使柱根弯矩变小，从而大幅度减小了支架中各独立式管道支架的柱断面和柱基础，进一步节省了造价。

　　四、设计过程中纵梁如果保留一定的安全储备，使横梁在纵梁上的定位能够适当根据需要调整，则可使工艺专业的管道支架布置变得灵活，既能减少设计过程中的专业间配合工作量，又能增加对工艺专业图纸设计的容错性，在工艺专业图纸存在差错时减小设计和施工的返工工作量。

　　五、采用纵梁式管道支架，整个结构的受力则更加明确，便于在设计中使用PKPM等结构软件进行辅助设计，从而使计算变得相对简单。同时，由于多个独立式支架合并成为一个整体，当个别工艺管道支架失效时，其荷载由相邻的支架分担，大大提高了结构的安全度。

　　六、当支架采用钢结构时，相对于传统的独立式管道支架，纵梁式管道支架显得更加轻捷、美观大方，更具现代气息。

　　6 工程实例

　　华电滕州新源热电有限公司二期扩建工程中的厂区热网和回水综合管道支架设计中，考虑到地下管线布置错综复杂，管架上各管道支座间距不一且荷载形式多样，便采用了纵梁式管道支架结构形式。兹选取较为典型的局部支架段布置为例(见图八)，在该支架段中，纵向为带柱间支撑的多跨排架结构，横向为单层或两层框架结构，形成完整的受力结构体系。所有导向支架、固定支架和弹簧支架均采用双次梁支承。因结构荷载布置和结构计算过于繁琐，在此不再赘述。

　　7 存在的问题

　　在工程设计中，管道荷载的准确采用与否直接决定了结构计算是否符合实际。而由于专业间设计思路和认识往往存在差异，致使提供给土建结构专业的工艺管道荷载通常与土建的设计要求不匹配，这些荷载常常是汇聚了所有工况下的全部最大荷载的绝对值。如管架的纵向推力，在实际中其荷载并非都朝向同一方向。在接到荷载资料后，为保证结构的安全性，土建结构设计人员往往把这些荷载机械地加在同一方向上，既与实际不符，又造成了材料浪费。目前国内电力行业常用的用于计算管道荷载的程序主要有西北院和东北院开发的GLIF程序以及从美国引进的CAESAR II程序，这些程序不但能计算正常工况下的管道荷载，还能计算出在地震、水击等偶然荷载发生下的管道荷载，计算结果中支架受力既有大小，又有方向，完全能够满足土建专业的设计要求。因此，要想进一步提高管道支架设计的经济合理性，就应设法与工艺专业加强交流与沟通，通过深入探讨找出既符合实际又满足设计要求的荷载。对这些荷载进行进一步分析和计算，筛选出最不利的荷载进行结构设计。

　　8 结束语

　　纵梁式管道支架在冶金、化工和石油工程等行业中已被广泛采用，而在电力行业，目前尚无较完善的规程规范与之适应。希望本文与同仁的交流能够达到共同开拓和提高的目的，以期早日实现管道支架设计的规范化和标准化，使这一设计更加安全、可靠、合理、经济。

　　参考文献;

　　[1] 《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)

　　[2] 《火力发电厂土建结构设计技术规定》(DL 5022—2012)

　　[3] 《简明管道支架计算及构造手册》曲昭嘉 王瑾 曲圣伟 主编机械工业出版社， 2002年8月