橋梁工程論文發表縱梁式管道支架研究

　　【摘 要】:本文對火力發電廠管道支架的設計中采用的縱梁式管道支架結構形式進行分析，總結設計經驗，對其優越性提出見解。

　　【關鍵詞】:縱梁式管道支架,受力特性,計算要點,優越性

　　1 前言

　　在火力發電廠的土建結構設計中，廠區管道支架是較為常見的特種結構。該結構的結構形式一般較為簡單，但設計工作卻比較繁瑣。究其原因，一方面是因為支架所承受的管道荷載通常比較復雜，而且同一支架布設線路上的管道往往不止一種;另一方面則是因為廠區管道支架的設計工作多數是在設計末期完成，此時廠區的綜合管線布置已基本確定，管道支架的基礎設計會受到錯綜復雜的地下管線敷設的影響。如能選擇一種技術先進、經濟合理、方便設計和安全適用的支架結構形式，將給設計帶來很大方便，既可避免設計中不必要的麻煩，也可方便施工和安裝，同時節約工程造價，使運行更加安全可靠。

　　《火力發電廠土建結構設計規范》(以下簡稱《土規》)中第11.11節介紹了支架與支架間無縱向構件聯系的獨立式管道支架的設計。該部分內容適用于管徑較粗、支架布置較疏、廠區地下管線對管道支架基礎影響較小的情況。當管徑偏細，尤其當有管徑差異較大的多種管道同時架設于一組支架上時，所需的支架則往往間距較密，一味地采用獨立式管道支架則會造成較大浪費，且此時若廠區地下管線的布置影響到管道支架的基礎生根時，該結構形式的可行性都將無法保證。如果適當減少獨立式管道支架立柱，在相鄰立柱間用縱梁加以聯系，并在縱梁上加設橫梁代替省去的支架，則既解決了支架基礎的生根問題，又在一定程度上減少了支架數量，使結構更經濟合理、安全適用。在此，本人根據國內部分工程的設計經驗，結合本人的設計實踐，對縱梁式管道支架的設計作以分析和探討，以便拋磚引玉，供同行在實踐中不斷改進和完善，使之在電力設計行業中得到廣泛應用和推廣。

　　2 縱梁式管道支架的結構組成

　　縱梁式管道支架通常由獨立式管道支架、縱梁、橫梁和柱間支撐組成，如圖一所示，其結構簡圖見圖二。

　　獨立式管道支架結構同《土規》第11.11節做法。縱梁和橫梁可采用型鋼梁或鋼筋混凝土梁，橫梁與縱梁間采用簡支連接，縱梁與柱的連接采用鉸接。每段縱梁式管道支架內于靠近中部設一處柱間支撐。管道固定點設在橫梁上。

　　當管道的架設不止一層時，可根據需要相應地將縱橫梁設計為多層。

　　3 縱梁式管道支架的受力特性

　　由電力設計經驗可知，工藝專業用于直接支承管道的管道支架常見的有以下4種類型：滑動支架、導向支架、固定支架和彈簧支架。其中彈簧支架僅承受管道傳來的豎向荷載Fy作用，滑動支架承受豎向荷載Fy和雙向的水平摩擦力Fx、Fz作用，導向支架承受豎向荷載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，固定支架則不僅要承受豎向荷載Fy和雙向水平推力Fx、Fz作用，還要承受三個方向的彎矩荷載Mx、My、Mz作用。x、y、z及Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz的方向規定見圖三所示。

　　當采用縱梁式管道支架時，由于管道固定點設在橫梁上，以上4種類型支架的荷載(Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz)便通過橫梁傳遞給縱梁，轉變為縱梁的拉力、壓力和彎矩作用，詳見圖四(a)～(f);縱梁垂直于管道方向的水平荷載(見圖四(e))分配傳遞給兩端的獨立式支架;整個縱梁式管道支架的所有縱梁沿管道方向的不平衡推力則由各柱和柱間支撐共同承受,如：工藝管道支架作用于縱梁式管道支架上的x方向水平荷載共有n個，分別為F1～Fn,則對于整個支架體系而言，所受的x方向水平荷載Fx合應為：

　　Fx合=F1+F2+…+Fn= 。

　　4 縱梁式管道支架的設計要點

　　在收到工藝專業提供的相關管道支架布置和荷載資料后，應根據資料情況確定最簡單合理的縱梁式管道支架布置方式。根據現有的設計經驗，本人認為，當管道直段部分總長度小于鋼結構的最大溫度區段長度限值時，管道支架可設計成連續的縱梁式管道支架，也可分成較均勻的幾段各自獨立的縱梁式管道支架。當縱梁式管道支架較長時，可在靠近兩端頭處的對稱位置上各設一道柱間支撐;當縱梁式管道支架較短時，可在靠近支架中段處設一道柱間支撐。為避免獨立式支架柱承受更多的不平衡水平荷載，柱間支撐應盡可能布置在固定支架附近。這樣既可減少水平荷載對縱梁的影響，又可使整個結構受力均衡。管道轉向處，兩個方向應分別設各自獨立的縱梁式管道支架，避免出現兩個方向的縱梁式管道支架相交并共用支架柱的情況，因為此做法不僅不能從梁柱數量上節省材料，而且會使整個結構變得混淆不清，受力情況更加復雜，導致計算失真。

　　當縱梁隨管道的分層布置設為多層時，為保證結構的合理性，柱間支撐也應每層均設。這樣便于增加整個結構的x方向剛度，減小各獨立式管道支架的柱中段彎矩。當柱間支撐的斜桿受壓穩定計算難以通過時，可視其為單向受拉桿件，即柱間支撐按單向拉桿計算。

　　在管道跨路等支架柱較高處，縱梁式管道支架柱往往因計算長度較長而導致截面過大或計算難以通過，此時可將柱根與基礎連接處設計成鉸接，即x方向上柱變成了兩端鉸接的搖擺柱(見圖五(a))，這樣，柱的計算長度系數便可取為1.0。在 z方向上，該柱所在的獨立式管道支架就成了兩柱腳鉸接的門形架。如果z方向上柱的計算難以通過，則可考慮在柱中段處增加橫梁以減小柱的計算長度系數(見圖五(b))。在縱梁式管道支架總長度較短、高度較低、荷載較小時，為計算和施工方便，甚至可以把所有獨立式支架柱均設計成x方向為搖擺柱、z方向為門形架的形式，此時如果柱間支撐按單向拉桿考慮，則x方向便成為靜定結構(見圖六)，從而大大方便了計算。同時，獨立式支架柱基礎僅受軸向力作用，不僅計算更加方便快捷，而且基礎尺寸也變得非常經濟。

　　值得一提的是，在結構計算的過程中，由于橫梁直接承受工藝管道支架傳來的荷載，受力情況往往比較復雜。例如，當梁上布置有彈簧支架時，橫梁為受彎構件;當梁上布置有滑動支架或導向支架時，橫梁可視為雙向偏心受壓構件或雙向受彎構件(受壓穩定性不起控制作用);當梁上布置有固定支架時，將同時承受Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz六種荷載，此時，橫梁處于壓、彎、剪、扭的復雜受力狀態，依靠現有的計算公式不僅計算過程復雜，而且難以得出符合事實的計算結果。針對這一問題，結合設計經驗，本人建議固定支架采用雙橫梁進行承擔，即將固定支架生根處的橫梁設為兩道，其間距在滿足工藝安裝要求的前提下盡可能加大，這樣一來，原來由單榀橫梁承受的平面外彎矩My便轉化成了兩榀橫梁的z方向的軸力，原來由單榀橫梁承受的扭矩Mz便轉化成了兩榀橫梁的跨中豎向荷載。荷載的轉化示意見圖七。

　　另外，橫梁生根于縱梁上，傳遞給縱梁的作用力可能包括Fx、Fy、Fz、Mz四種荷載。由于水平荷載Fx靠縱梁傳遞至獨立式管道支架和柱間支撐，縱梁所受的軸向力作用效應就不能忽略。在這四種荷載的作用下，縱梁應按雙向偏心受壓構件計算。

　　5 縱梁式管道支架的優越性

　　與傳統的獨立式管道支架相比，縱梁式管道支架存在以下優越性：

　　一、適于解決廠區地下設施復雜、立柱難的問題。這一點開篇已提到，在此不再贅述。

　　二、在工藝管道支架間距較小的情況下，能夠減少立柱，節省造價，同時，當縱梁式管道支架采用鋼結構時，還可以有力地減少柱基礎的混凝土施工量，縮短施工周期。

　　三、將由多個獨立式管道支架承受的沿管道布置方向(即x向)的水平荷載F1～Fn相互抵消，合并為一個不平衡推力Fx合，有力地降低了作用于支架柱和柱間支撐頂部的x向水平推力，使柱根彎矩變小，從而大幅度減小了支架中各獨立式管道支架的柱斷面和柱基礎，進一步節省了造價。

　　四、設計過程中縱梁如果保留一定的安全儲備，使橫梁在縱梁上的定位能夠適當根據需要調整，則可使工藝專業的管道支架布置變得靈活，既能減少設計過程中的專業間配合工作量，又能增加對工藝專業圖紙設計的容錯性，在工藝專業圖紙存在差錯時減小設計和施工的返工工作量。

　　五、采用縱梁式管道支架，整個結構的受力則更加明確，便于在設計中使用PKPM等結構軟件進行輔助設計，從而使計算變得相對簡單。同時，由于多個獨立式支架合并成為一個整體，當個別工藝管道支架失效時，其荷載由相鄰的支架分擔，大大提高了結構的安全度。

　　六、當支架采用鋼結構時，相對于傳統的獨立式管道支架，縱梁式管道支架顯得更加輕捷、美觀大方，更具現代氣息。

　　6 工程實例

　　華電滕州新源熱電有限公司二期擴建工程中的廠區熱網和回水綜合管道支架設計中，考慮到地下管線布置錯綜復雜，管架上各管道支座間距不一且荷載形式多樣，便采用了縱梁式管道支架結構形式。茲選取較為典型的局部支架段布置為例(見圖八)，在該支架段中，縱向為帶柱間支撐的多跨排架結構，橫向為單層或兩層框架結構，形成完整的受力結構體系。所有導向支架、固定支架和彈簧支架均采用雙次梁支承。因結構荷載布置和結構計算過于繁瑣，在此不再贅述。

　　7 存在的問題

　　在工程設計中，管道荷載的準確采用與否直接決定了結構計算是否符合實際。而由于專業間設計思路和認識往往存在差異，致使提供給土建結構專業的工藝管道荷載通常與土建的設計要求不匹配，這些荷載常常是匯聚了所有工況下的全部最大荷載的絕對值。如管架的縱向推力，在實際中其荷載并非都朝向同一方向。在接到荷載資料后，為保證結構的安全性，土建結構設計人員往往把這些荷載機械地加在同一方向上，既與實際不符，又造成了材料浪費。目前國內電力行業常用的用于計算管道荷載的程序主要有西北院和東北院開發的GLIF程序以及從美國引進的CAESAR II程序，這些程序不但能計算正常工況下的管道荷載，還能計算出在地震、水擊等偶然荷載發生下的管道荷載，計算結果中支架受力既有大小，又有方向，完全能夠滿足土建專業的設計要求。因此，要想進一步提高管道支架設計的經濟合理性，就應設法與工藝專業加強交流與溝通，通過深入探討找出既符合實際又滿足設計要求的荷載。對這些荷載進行進一步分析和計算，篩選出最不利的荷載進行結構設計。

　　8 結束語

　　縱梁式管道支架在冶金、化工和石油工程等行業中已被廣泛采用，而在電力行業，目前尚無較完善的規程規范與之適應。希望本文與同仁的交流能夠達到共同開拓和提高的目的，以期早日實現管道支架設計的規范化和標準化，使這一設計更加安全、可靠、合理、經濟。

　　參考文獻;

　　[1] 《建筑結構荷載規范》(GB 50009—2012)

　　[2] 《火力發電廠土建結構設計技術規定》(DL 5022—2012)

　　[3] 《簡明管道支架計算及構造手冊》曲昭嘉 王瑾 曲圣偉 主編機械工業出版社， 2002年8月