管架设计分析

1荷载计算管道水平推力管道水平推力作用对象分为：活动管架和固定管架。活动管架（不包括支承有振动管道的管架和跨越式管架）承受管道膨胀时产生的水平推力（当该推力大于摩擦力时，管架承受摩擦力），按规范所述满足下列条件之一即可不考虑管道的水平推力：①常温管道，介质的温度不超过40℃；②管道根数在10根以上，最高温度（包括扫线温度）低于130℃；③主要热管（指计算某构件时，对该构件产生最不利水平推力的那根管道）重量与全部管道重量的壁纸小于0.15。管道与管架之间具有相互制约作用，管道对管架除作为荷载作用外，尚应考虑其对管架的约束作用，当管架上敷设3根或3根以上管道时，中间管架轴向水平推力的牵制系数，必须考虑由于每根管道水平推力不同时出现，及各管道温度不同时升高等因素，对管架变形或摩擦力产生的影响，其牵制大小取决于主要热管所占比例，可根据规范给出的表格确定。但是，由于管道水平推力涉及的因素较多，上续专业一般不会提供足够的计算条件，水平推力在委托中一并给出，对于水平推力，应和上续专业沟通一下，确定水平推力是否是上续专业按应力计算而得出的，如果不是，则应根据规范的要求进行折减。固定管架的水平推力为管道补偿器弹力和活动管架的反作用力，设计时可根据配管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。风荷载管架风荷载分为：管架横向风荷载和管架纵向风荷载。管架横向风荷载包括管道风荷载、纵梁或桁架的风荷载和每榀柱上的风荷载。管架纵向风荷载一般只计算跨越管架的纵向风荷载，跨越管2架弯管风荷载的挡风面积为竖向弯管高度与所有弯管的直径和Σd的乘积，值得一提的是，该风荷载水平推力不应大于总摩擦力，总水平力大于总摩擦力时，管道产生滑动，对管道不利，应与配管专业协商调整管道布置方案。为跨越管架的风荷载示意图。在输入STS钢结构框架计算时，软件默认是按满面积计算风荷载的，这时需要折算一下挡风面积，得到实际挡风面积与满面积的比值即折减系数，对风荷载进行折减，折减有两种做法：一是折减基本风压，二是折减体形系数。对于电缆桥架槽盒的风荷载，如果建模时没有输入该层，则可以手动将槽盒的风荷载等效成水平力和弯矩作用到柱顶，水平风荷载在SATWE的数据检查中的“水平风荷载查改”中可以修改。以前存在一种做法是将软件中的基本风压填写为零，而将风荷载当作活荷载加到管架柱的每一层柱顶节点上，这样表面上是偏于安全，实际上虽然活荷载参与组合要比风荷载多，但是活荷载只加了一个方向，并没有考虑两个方向的影响，而管带由于顶层常常有电缆桥架，实际上总是在桥架一侧受力比较大，而另一侧较小，这样就对基础的计算有不小的影响，活荷载总是会使一侧基底弯矩增大，而另一侧削弱，使得基底面积是一侧放大，一侧减小，但是并没有考虑荷载相反的情况，这样就使得基础的计算不准确，故计算中应避免。垂直荷载作用于管架上的垂直荷载，其中永久荷载应为结构自重、管道自重、附件、保温重、防火层、管道内介质的重量、试压时的充水重、电缆和仪表槽盒重、操作平台和走道板的自重。平台和走道板上的活荷载标准值可采用2.0kN/m2。管架横梁宜按均布线荷载进行计算，此时需考虑管线的不3均匀分布系数，一般取1.1～1.2；当有较大管道如直径大于等于300mm的液体管道、主要热管作用在横梁上时，应按集中荷载计算。当管道上有积灰的可能时，对直径大于300mm的管道，尚应考虑标准值为0.2kN/m2的积灰荷载。寒冷地区，当管壁温度在0℃以下时应考虑冰雪荷载，冰雪荷载的标准值乘以管道积雪分布系数0.7，另外，在设有冷凝水排放阀处，须考虑阀门裹冰荷载Gs，裹冰荷载按集中力计算Gs=2.5πd12，d1为冷凝水排放管外径（含保温）。地震作用和抗震计算抗震设防烈度为7度～9度的管架，满足以下条件之一时需考虑管架横向水平地震作用：①管架上直径大于等于500mm的管道多余或等于3根时；②容易产生较大次生灾害的单根管道，直径大于等于500mm时；③管架上有直径大于等于1000mm的管道时；④管架顶部支承空冷器等重型设备时；⑤设有重型顶盖的管架。抗震设防烈度为8度～9度时，跨度大于等于24m的桁架应考虑竖向地震作用，竖向地震作用标准值可分别取总重力和在代表值的10%～20%。计算地震作用时，管架的重力和在代表制应取结构、管道和介质自重标准值和各可变荷载组合值之和，作用在管架上的各可变荷载的组合值系数均取0.5。结构计算管廊式管架一般以一个温度区段作为一个计算单元，选择温度区段时结合伸缩缝的间距要求，对于钢结构管带，伸缩缝间距不宜大于120m，因此，温度区段的长度也不宜大于120m。管架柱与纵梁或桁4架铰接时，管线的水平推力和纵向地震作用由柱间支撑承受，柱可按单向偏心受压构件计算，横梁承受管道的竖向荷载和水平推力，按双向受弯构件进行计算。水平推力理论上应该作用在横梁的顶面，但在结构计算软件PKPM中无法实现，常见做法是将水平推力等效的加在管架横梁两端的柱上，这样对于柱的计算没有什么影响，而横梁的实际受力情况是双向受弯，另外对于固定架还要考虑水平推力产生的扭矩，应单独核算一下，应用PKPM计算时应注意留点余量，由于这样的受力特点，因此固定管架的横梁宜采用有两个槽钢焊接组合的截面或加劲的H型钢以增加侧向刚度，形成抗扭强劲的矩形封闭截面，水平推力较大的固定点处，宜加设水平支撑。管架纵梁承受两榀管架的中间横梁所传递的垂直荷载以及管道补偿时的横向进出管道荷载。在对管带进行计算时，需要对所计算的管带的走向、爬坡等情况做一个全面的了解。这些情况对管带的计算也会有比较大的影响。在管道转弯处，纵梁会承受比较大的荷载，这时，柱的弱轴也会承受较大的力，有可能会导致H型钢柱无法满足，此时可考虑使用双向抗弯均比较强的箱型柱或双槽钢组合格构柱，这样从概念上讲也比较合理，当然若转弯处的管线不多，荷载不大当然就不需要这样，毕竟箱型柱施工起来稍微费事点。在管线爬坡处，如跨越道路、铁路和补偿处的跨越管架这时需要考虑额外多出的风荷载，另外，按规范规定：跨越管架和相邻第一个低管架的竖向荷载和水平推力均应乘以1.5的增大系数，此时若有振动管道，尚应乘以相应的动力系数。在设置桁架处，中间横梁会将管道荷载较多的传递给桁架的上、下弦，这样使柱的弱轴承5受较大的荷载，与管道转弯处情况相似，可能导致H型钢柱无法满足,所以应该采取转弯处相同的措施来处理，可以设置箱型柱或双槽钢组合格构柱来保证。由于电缆桥架是以半层落在第二层管架上，所以第二层的荷载会比较大，因此该层的梁截面相应的也比较大，但由于取消了剩余的6m跨，而且柱也可以替换成较小截面的，因此总的来讲还是比较经济的。柱间支撑宜按受拉构件设计，对于地震作用或有振动管道的管家，柱间支撑宜按中心受压构件设计。在应用PKPM软件进行计算时，因为区段两侧设置了柱间支撑，所以可以将SATWE数据检查中“钢柱计算长度系数按有侧移计算”去掉，防止计算结果出现长细比超限。基础计算管架基础宜采用独立式钢筋混凝土基础，管架基础的地基承载力计算，应符合下列两个要求[1]（式略）对于固定管架基础，除了满足上述两个条件外，还要求正常操作状态下零应力区面积不应超过基底总面积的15%。对于基础，JCCAD直接读取SATWE的荷载数据进行计算，若基底面积尤其是设置柱间支撑的柱的基础计算出来较大，可以考虑设置地梁以分担基底弯矩，从而减小基底面积。对于基础计算，有一点值得注意，上续专业在提供委托时，有时会人为的加点余量，实际上荷载很可能会比较小，这样不论是对于上部构件还是对于基础的计算都有影响，如垂直荷载人为放大，则基底垂直力增大，弯矩也会相应增大，这样就比较复杂，很难分清这样是削弱了还是增加了水平力如风荷载、水平推力的影响，所以，应提前与上续专业沟通，得6知荷载的真实情况，用比较真实的荷载用模型备份一个再计算一遍，取二者计算的大值为最终计算结果。管架的相关构造（1）抗震设防为8度的管架，柱间支撑处沿地面以下宜设置基础系梁。（2）柱间支撑应满足：①柱间支撑宜各层连续设置，下柱支撑应确保水平力能直接传给基础；②交叉支撑在交叉点宜设节点板；③柱间支撑节点板的厚度不应小于8mm。（3）柱间支撑处的柱脚宜设置抗剪键，抵抗沿支撑传下来的水平力。（4）管廊式管架的伸缩缝宜采用双柱。当采用单柱时纵梁应设置可靠的滑动支座或滚动支座，其构造可按图3设椭圆孔。此处螺栓加弹簧垫圈且不铇得拧紧，钢牛腿顶部平加设厚度为8mm的聚四氟乙烯板，并应定期清理，以防污垢将伸缩缝堵塞。（6）桁架跨度大于等于15m，宜分成两段制造，运至现场后再组装。（7）当跨越管架柱采用钢格构式肢柱，柱肢高在6m以内时应在柱中部设两道横隔，高度在6～9m时应设三道横隔。（8）地脚螺栓中心到钢筋混凝土基础边缘的距离，对支承直径大于等于500mm的振动管道、管道根数不多于3根且管架高度大于10m的特种管架和柱间支撑处的基础不应小于150mm，一般基础不应小于100mm，柱脚底板边缘到基础边缘的距离不宜小于50mm，在地脚螺栓范围内箍筋宜加密，其间距不宜大于150mm。（9）考虑腐蚀裕度，地脚螺栓的直径应按计算值增大一级。（10）钢管架基础顶面应预留50mm的找平层，待柱安装后宜用高强度灌浆料填实，考虑经济情况也可采用C35无收缩细石混凝土填实，基础高出设计地面的高度，考7虑到防水及防腐蚀要求，不宜小于150mm。（11）管架柱上的钢横梁、纵梁及横加上的钢横梁允许挠度值为0l/250[2]，钢桁架的允许挠度值为0l/500[2]。