支架受力分析

管道支架受力分析——曹伟选取购物中心地下室某段压力排水管道进行受力分析：系统：压力排水材质：镀锌钢管管径：DN100管道数量：两根相邻两支架间距：6米一、管道重量由三部分组成：按设计管架间距内的管道自重、满管水重及以上两项之合10%的附加重量计算（管架间距管重均未计入阀门重量，当管架中有阀门时，在阀门段应采取加强措施）。1、管道自重：由管道重量表可查得，镀锌钢管DN100：21.64Kg/m，支架间距按6米/个考虑,计算所得管重为：f1=21.64*6kg=129.84kg*10=1298.4N2.管道中水重f2=πr2ρ介质l=3.14*0.1062*1000*6kg=211.688kg=2116.88N3、管道重量f=f1+f2+(f1+f2)*10%=3756.81N4、受力分析根据支架详图，考虑制造、安装等因素，系数按1.35考虑，每个支架受力为：F=3756.81*1.35/2=2535.85N假设选取50*5等边角钢（材质为Q235）做受力分析试验1）应力应变关系如下：绘制成应力应变曲线图如下：从图中可以看出，应力/应变曲率变化平缓，处于弹性应力应变行为阶段，各部位均没有发生屈服现象。由相关资料可查的50*5等边角钢的抗拉强度σb=423MPa，抗剪强度σr=σb*0.8=338.4MPa，型钢吊杆拉伸强度小于它的抗拉强度，型钢横担小于它的抗剪强度，所以50*5等边角钢可以满足使用要求。2）危险部位应力分析图中的蓝色区域为支架应变最大的地方，也即该处最容易发生变形与开裂，在设计中应对有较大变形的地方，解决办法有两个：1、加固：可以通过增加肋板来加固，在型钢焊接的地方更应该满焊以此增大接触面，从而减小开裂的可能；2、通过选择更大规格的型钢来试验，直到满足设计要求为止。通过上述例子，我们选择40*4的等边角钢来试验，通过计算和分析校核，发现可以满足使用要求，从而更加节省了型钢的用量。以上分析只考虑了垂直方向的载荷，实际上对于有压管道，同时存在水平方向的受力，所以我们分开单独分析一下二、支架水平方向受力1）补偿器的弹性反力Pk当管道膨胀时，补偿器被压缩变形，由于补偿器的刚度（对于套筒式补偿器，则由于填料的摩擦力作用），将产生一个抵抗压缩的力量，这个力是通过管道反作用于固定支架，这就是补偿器的弹性反力，轴向型波纹补偿器的弹性反力Pk：Pk=ΔX·Kx·10-1(kg)式中ΔX—管道压缩变形量（即管道的热伸长量）(mm)Kx—补偿器轴向整体刚度)(N/mm)其他各类补偿器可通过不同公式计算得出。2)不平衡内压力Pn当在两个固定支架间设置套筒式及波纹补偿器时，而在其中某一固定支架的另一侧装有阀门、堵板或有弯头时，且当阀门关闭时，由于内压力的作用，将有使补偿器脱开、失效或损坏的趋势。为了保护补偿器，要求固定支架有足够的刚度和强度，这个力就是管道的不平衡内压力。Pn=P0·A(kg)式中P0—热介质的工作压力（kg/cm2）A—按套筒式及波纹式补偿器外径计算的横截面积（cm2）当支架布置在两不同管径之间时：Pn=P0·(A1-A2)(kg)式中A1—直径较大者补偿器横截面积（cm2）A2—直径较小者补偿器横截面积（cm2）3)管道移动的摩擦力：PmPm=μqL式中μ—管道与支撑间的摩擦系数μ的取值一般为：钢与钢滑动接触取0.3钢与钢滚动接触取0.1管道与土壤接触取0.4～0.6q—计算管段单位长度的结构荷重，N/mL—管段计算长度,m当水平管道位移方向与原管道轴线方向成斜角时，摩擦力可分解为由轴向力Pm0及横向力Pmh；且可近似取Pm0=Pmh=0.7Pm。三、其他影响因素5.1管道上带有阀门的管道固定支架受力分析⑴作用于90°弯管的内压轴向推力计算在流体力学中,对于解决流体与管壁之间的作用力时,应用动量方程。如图1所示,对于一个水平放置的90°弯管而言,流体作用于弯管的合力R可由Rx与Ry合成,当弯管的流动截面不变,并不计阻力损失时,则Rx=Ry=P·f+ρ·Q·V合力R=(P·f+ρ·Q·V)·cos45°作用于90°弯管的分角线上。Rx与Ry正是作用于延伸两方固定支架上的内压轴向推力。式中:P—弯管内介质的工作压力,Pa；f—弯管的截面积,m2；ρ—弯管内介质的容重,kg/m3；Q—弯管内介质的流量,m3/s；V—弯管内介质的流速,m/s⑵方形补偿器的内压轴向推力计算:根据图2所示,方形补偿器可看成是由4个90°弯管对接组成如⑴所述,每个转弯处流体对弯管都存在作用力,每处作用力的合力记为R1、R2、R3、R4,由理论力学可知,R1和R4可合成为R14,R2和R3可合成为R23,而R14与R23大小相等,方向相反,且作用于同一直线上,它们是互相平衡的。即方形补偿器由于内压产生的作用力,在其自身就已平衡,不会形成对固定支架的轴向推力。⑶虚线方框内固定支架的轴向推力计算a.原设计管线虚线方框内固定支架的轴向推力计算由图2可知方形补偿器对固定支架不会形成轴向推力,根据固定支架所承受水平推力的三项(即摩擦反力Pm、各种补偿器的弹性反力Pk、不平衡轴向内压力Pn)可知,该固定支架的轴向推力F1可用下式表达(此时Pn=0)。F1=1.5·k·μ·q1·L1+Pk1-0.7·(1.5·k·μ·q2·L2+Pk2)式中:q1、q2—计算管段的管道单位长度重量,N/m;L1、L2—计算管段的长度,m;k—牵制系数;μ—管道与支架间的摩擦系数;Pk1、Pk2—补偿器的弹性力,Nb.增设阀门后管线虚线方框内固定支架的轴向推力计算(阀门关闭后)当阀门打开时,固定支架的轴向推力计算方法与F1相同,阀门关闭时,根据上述可知此时固定支架的轴向推力F2可用下式表达:F2=1.5·k·μ·q1·L1+Pk1从上述两式可以看出F2比F1多一项0.7·(1.5·k·μ·q2·L2+Pk2)。因此增设阀门后,当阀门关闭时,固定支架轴向推力增大。5.2管道打压未采取支撑措施固定支架的受力分析(两个施工单位分段施工、分段打压而未采取支撑措施)a.原设计管线固定支架(中间的)的轴向推力计算该固定支架仅承受卡箍式柔性管接头的弹性反力Pk。即F1=Pk。b.管道打压时未采取支撑措施,固定支架(中间的)的轴向推力计算当管道打压时,根据对每一个工程实例的分析可知,此时该固定支架的轴向推力F2可用下式表达:F2=Pk+Pn从上述两式可以看出F2比F1多一项不平衡内压力Pn,而Pn的计算公式为:Pn=P·f⑴在实际工作中,使用项目若要对原有管线增设阀门、弯头等附件时,必须对附近的固定支架进行轴向推力验算,因为这时固定支架除了承受原有的轴向推力外,还要承受由于系统变化(如:增设阀门)所产生的附加轴向推力,否则将会导致固定支架损坏等事故。⑵各项目在管道试压过程中,特别是一条管线多个单位施工,分段施工、分段试压时,必须对试压封头附近的固定支架轴向推力进行验算,一般情况下,都必须采取外力支撑来抵抗这个轴向推力,否则将会发生事故,造成经济损失。参考资料：《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》《03S402室内管道支架及吊架图集》《钢结构设计规范》-新规范2014