高层燃气立管分段固定支撑系统应力分析与计算方法研究

高层燃气立管分段固定支撑系统应力分析与计算方法研究摘要：本文结合实际经验，建立了高层建筑燃气立管分段固定支撑系统的受力分析简图和计算方法，并据此提出了较为可行的处理方案。关键词：高层分段固定应力极限高度一、引言当前城市建设处于过渡时期，增长的人口相对于日趋紧张的建筑用地和不断扩大的规划城市公用设施占地之间矛盾越来越尖锐。由于高层建筑结构的特殊性，从而使燃气立管受力分析应从更广泛、更复杂的方面去考虑，怎样有效、经济地对管道进行应力补偿，并与建筑物的结构相配合、搞好配套设施的设计和施工，是摆在燃气设计配套工程师面前的问题之一。近年来。在某些关于燃气管道的论文和地区性规范中给出了将高层立管利用固定支架分为多个管段，以控制重量、挠度对其影响，进行应力补偿的方法。但对于不同口径的立管极限高度以及中间管段是否必须加补偿器予以补偿等问题，却无准确限值可以代入设计工程直接应用。我所科研人员经过长期研究和实践探索，参照目前常用的导向悬臂和线弹性计算方法，从材料力学的角度入手，对管道系统进行了理论分析，建立了相应的力学模型，推导出一系列简单适用的计算公式，并得出适用于工程设计的参考结论。二、分析模型及基本假定高层建筑中，当煤气立管很长时，设计、施工中一般考虑重力、温度、结构侧移所产生三种正应力，而结构侧移产生的剪切应力很小，通常忽略不计。为了便于计算，我们根据实际情况作出以下合理假定：(一)计算立管为理想管道；(二)假定所截取的计算管段在挠度影响下简化为图1所示B端受集中载荷P的悬臂梁；(三)在选取管段中忽略层间套管对管道的约束，且在其因温度影响伸缩时无外力加以限制；(四)对于两端固定体系，由于温差的变化使管段产生的伸缩量被体系所约束，故可将管段两端简化为固定支座，伸缩量在计算管段端点B产生弯矩值，其受力模型如图2所示。三、公式选取按照静力一般分析、计算方法，并参考日本东京煤气协会的做法，给出算公式如下：(一)管道的压力主要是由重力产生，可用下式计算应力值：σg＝ηG·H／A式中：σg一重力产生的应力MPa；η：地震影响系数，取1.33；G一单位长度管道重量KN／m；H一煤气立管极限高度m；A一管材截面面积mm2。(二)温度产生的应力值与管道材质和温度变化有关，与管道管径与长度无关，在确定温差的情况下，我们可以将其作为恒量引入计算中。关于温度范围的选择，我们参照规范，烟台地区年平均温度为12．4℃，最热月平均温度为25．2℃，极端最低温度为一13．1℃，极端最高温度为38℃，根据历年来实际工况和对管道进行压力检验的工艺要求，零下摄氏温度一般不进行室外工程施工，而房屋内部温度范围实际大多在5℃一32℃(实测值)，实际温差为27℃，但考虑到高层建筑隔季施工期间的施工温差和燃气管道不加保温层在阳光下暴晒后的最不利温度，温差取t＝40℃(考虑建筑施工期间内安装)，由此得到温度应力公式：σt＝E·α·△t式中：σt一温度产生应力Mpa；E一钢材弹模MPa；α一钢材线膨胀系数m／m·℃；△t一室内温差℃。(三)在高层建筑中因风荷载和地震作用产生侧向位移，可以由规范中查出抗震设防7度区，框剪体系的楼层层间位移为1／650，施工偏差忽略不计。据此得最高点处产生的位移量，而后反推截面的弯曲应力，公式如下：σf＝M／W；M1＝3EIf／h2f；M2＝σt·A·δ；W＝I／yI＝π(D4—d4)／16式中：σf：侧移产生应力MPa；M1：结构侧移产生弯矩值N·mm；M2：温差对管道产生的弯矩值N·mm；f：结构侧移值mm；δ：温差产生侧移值mm；W：抗弯截面系数mm3；I：截面惯性矩mm4；D：管道外径mm；d：管道内径mm；hf计算高度mm。关于管段计算高度的选取，我们参考规范中给出的燃气钢管固定件最大间距，将其代入式中。对两端均为固定支座的立管，因温差使两端固定管道产生伸长量造成管段挠曲，应考虑因此而产生的应力，然后与以上计算结果叠加。参数选择：热轧正火无缝钢管，温度小于150℃的情况，许用应力为[δ]＝112MPa。20℃下的弹性模量E＝2．02X105MPa，0℃到80℃平均线性膨胀系数为α＝1.2X10-5m／m·℃。四、结果与讨论以上公式中可以看出，在以偏移量求管段应力时，管段中无固定支座，温度升高亦能使管道伸长，其伸长量最终反应于顶层煤气立管，故应增加验算顶层最后一个管段所受应力值，确保燃气管道的安全。但由于各工程数值不尽相同，在此不一一计算。现将各口径管道立管最大高度列于下表：表1一端固定煤气立管极限高度公称直径（mm）253240506580100外径（mm）344248607689114壁厚（mm）2.53333.53.54σg（MPa）7.67.27.06.24.35.13.5σt（MPa）98.898.898.898.898.898.898.8σt（MPa）5.66.06.27.08.98.19.7