管道支吊架設(shè)計(jì)和計(jì)算

淺談管道門字型支吊架的設(shè)計(jì)及計(jì)算【文 摘】 用來支撐管道的結(jié)構(gòu)叫管道支吊架，管道在敷設(shè)時(shí)都必須對(duì)管子進(jìn)行固定或支承，固定或支承管子的構(gòu)件是支吊架。在機(jī)電工程里，管道支架是分布廣、數(shù)量大、種類繁多的安裝工事，同時(shí)管道支吊架的設(shè)計(jì)和安裝對(duì)管道及其附件施工質(zhì)量的好壞取決定性作用。如何采用安全適用、經(jīng)濟(jì)合理、整齊美觀的管道支吊架是機(jī)電安裝工程的一個(gè)重點(diǎn)。【關(guān)鍵詞】 管道布置 管道跨距 管架分析 管架內(nèi)力計(jì)算 一、 管道的布置對(duì)管道進(jìn)行合理的深化和布置是管道支吊架設(shè)計(jì)的前提條件。欲設(shè)計(jì)安全使用、經(jīng)濟(jì)合理、整潔美觀的管道支吊架，首先需對(duì)管道進(jìn)行合理的布置，其布置不得不考慮以下參數(shù)：1. 管道布置設(shè)計(jì)應(yīng)符合各種工藝管道及系統(tǒng)流程的要求；2. 管道布置應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃，做到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、滿足施工、操作、維修等方面的要求，并力求整齊美觀；3. 在確定進(jìn)出裝置（單元）的管道的方位與敷設(shè)方式時(shí)，應(yīng)做到內(nèi)外協(xié)調(diào)；4. 管道宜集中成排布置，成排管道之間的凈距（保溫管為保溫之間凈距）不應(yīng)小于50mm。5. 輸送介質(zhì)對(duì)距離、角度、高差等有特殊要求的管道以及大直徑管道的布置，應(yīng)符合設(shè)備布置設(shè)計(jì)的要求，并力求短而直，切勿交叉；6. 地上的管道宜敷設(shè)在管架或管墩上，在管架、管墩上布置管道時(shí)，宜使管架或管墩所受的垂直荷載、水平荷載均衡；7. 管道布置應(yīng)使管道系統(tǒng)具有必要的柔性，在保證管道柔性及管道對(duì)設(shè)備、機(jī)泵管口作用力和力矩不超出過允許值的惰況下，應(yīng)使管道最短，組成件最少；8. 應(yīng)在管道規(guī)劃的同時(shí)考慮其支承點(diǎn)設(shè)置，并盡量將管道布置在距可靠支撐點(diǎn)最近處，但管道外表面距建筑物的最小凈距不應(yīng)小于100mm，同時(shí)應(yīng)盡量考慮利用管道的自然形狀達(dá)到自行補(bǔ)償；9. 管道布置宜做到“步步高”或“步步低”，減少氣袋或液袋。不可避免時(shí)應(yīng)根據(jù)操作、檢修要求設(shè)置放空、放凈。二、 管架跨距管架的跨距的大小直接決定著管架的數(shù)量。跨距太小造成管架過密，管架數(shù)量增多，費(fèi)用增高，故需在保證管道安全和正常運(yùn)行的前提下，盡可能增大管道的跨距，降低工程費(fèi)用。但是管架跨距又受管道材質(zhì)、截面剛度、管道其它作用何載和允許撓度等的影響，不可能無限的擴(kuò)大。所以設(shè)計(jì)管道的支吊架應(yīng)先確定管架的最大跨距，管架的最大允許跨距計(jì)算應(yīng)按強(qiáng)度和剛度兩個(gè)條件分別計(jì)算，取其小值作為推薦的最大允許跨距。1. 按強(qiáng)度條件計(jì)算的管架最大跨距的計(jì)算公式：Lmax管架最大允許跨距（m）q管道長(zhǎng)度計(jì)算荷載（N/m）,q=管材重+保溫重+附加重W管道截面抗彎系數(shù)（cm3）管道橫向焊縫系數(shù)，取0.7t 鋼管許用應(yīng)力鋼管許用應(yīng)力（N/mm2）2. 按剛度條件計(jì)算的管架最大跨距的計(jì)算公式：Lmax管架最大允許跨距（m）q管道長(zhǎng)度計(jì)算荷載（N/m）,q=管材重+保溫重+附加重Et剛性彈性模量（N/mm2） I管道截面慣性矩（cm4）i0管道放水坡度，取0.0023. 例：采用48K的離心玻璃棉保溫，保溫厚度為50mm的冷凍水管，其管道規(guī)格為3258無縫鋼管，其最大允許管道間距為多少？管道長(zhǎng)度荷載q=78503.140.008(0.325-0.008) +10003.14(0.325-0.0082)2/4+483.140.05(0.325+0.05)=140.29kg/m=1402.90 N/m查相關(guān)資料得：管道截面抗彎系數(shù)W=616 cm3鋼管許用應(yīng)力t =112管道截面慣性矩I=10016 cm4剛性彈性模量Et=2.1105 N/mm2 根據(jù)以上公式分別計(jì)算得強(qiáng)度條件下的Lmax1=13.14m根據(jù)以上公式分別計(jì)算得剛度條件下的Lmax2=27.40m取最小值，故該管道的最大允許管道間距為13.14m4. 根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定的管道支吊架最大間距確定管道最大允許跨度，如通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范GB50243-2002 表9.3.8 鋼管道支、吊架的最大間距公稱直徑（mm）1520253240507080100125150200250300支架的最大間距（m）L11.52.02.52.53.03.54.05.05.05.56.57.58.59.5L22.53.03.54.04.55.06.06.56.57.57.59.09.510.5對(duì)大于300（mm）的管道可參考300（mm）管道注：1適用于工作壓力不大于2.0MPA，不保溫或保溫材料密度不大于200kg/m3的管道系統(tǒng)。 2 L1用于保溫管道，L2用于不保溫管道。三、 管架分析1. 管道支吊架介紹用來支撐管道的結(jié)構(gòu)叫管道支吊架，管道在敷設(shè)時(shí)都必須對(duì)管道進(jìn)行固定或支撐，固定或支撐管子的構(gòu)件是支吊架。管道支吊架一般由管座、管架柱或管架吊桿（簡(jiǎn)稱柱或吊桿）、管架梁（簡(jiǎn)稱梁）和支撐節(jié)點(diǎn)組成。2. 管架荷載分析（1） 垂直荷載管道支吊架垂直荷載根據(jù)性質(zhì)可分為基本垂直荷載和可變垂直荷載，其中基本垂直荷載指管道支吊架所承受的管道重力、介質(zhì)重力、保溫層等附件的重力等永久性荷載?？勺兇怪焙奢d指管道所承受的活荷載、沉積物重力和發(fā)生地震時(shí)所應(yīng)該承受的特殊變化的荷載。因可變垂直荷載是無法精確計(jì)算的，為此我們將管道支吊架的基本垂直荷載乘以一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（一般為1.21.4）作為管架垂直方向的計(jì)算荷載。管道支吊架基本垂直荷載計(jì)算，可先將復(fù)雜的管道支架體系近似的看作簡(jiǎn)支梁，根據(jù)受力分析，管架B所承受的基本垂直荷載為GB=(GL1+ GL1)/2因管道支吊架在一個(gè)工程里數(shù)量種類繁多，不可能一一計(jì)算，為此我們只需考慮同類型支架的最不利受力狀況即可，根據(jù)管道支吊架的最大允許跨度來計(jì)算最不利支架，此時(shí)就只需計(jì)算長(zhǎng)度為最大允許跨度L的管道、介質(zhì)、保溫層的重力GB即可。其重力方向的計(jì)算荷載為G=GB （=1.21.4）（2） 水平荷載管道水平方向的荷載是作用在管架上的水平推力，根據(jù)支架類型可分為活動(dòng)管架上的水平推力和固定管架上的水平推力。a.活動(dòng)管架水平推力主要來自管道摩擦力，吊桿水平推力可忽略；水平推力即為管道摩擦力f=G （為摩擦系數(shù)，G為管道垂直荷載）b.固定支架的水平推力主要來自補(bǔ)償器的彈性變形力。采用補(bǔ)償器補(bǔ)償?shù)墓艿?，其作用在固定管架上的水平推力為補(bǔ)償器被壓縮或拉伸所產(chǎn)生的反彈力。水平推力=補(bǔ)償器反彈力T=L （為補(bǔ)償器的彈性模量，L為補(bǔ)償器發(fā)生的變形長(zhǎng)度）采用自然補(bǔ)償?shù)墓艿?，是利用管道的自然彎曲形狀所具有的柔性以補(bǔ)償管道的熱脹和冷縮位移，如圖所示。固定支架變形管道長(zhǎng)度為L(zhǎng)，補(bǔ)償臂管道長(zhǎng)為L(zhǎng)b管道安裝溫度按t1考慮，管道工作溫度為t2，故鋼管材質(zhì)的管道會(huì)在溫度變化下縮短L=TL (式中為鋼管的線膨脹系數(shù)，T 為溫差，L為固定支架變形管道長(zhǎng)度)故作用在管道補(bǔ)償上的推力為T=3LEI/Lb3 （E為管道的彈性模量，I為管道的慣性矩）四、 管架受力計(jì)算示例根據(jù)以上管架的受力分析，現(xiàn)以上海環(huán)球金融中心低區(qū)空調(diào)水主干管進(jìn)行分析計(jì)算如下圖所示，現(xiàn)有2根DN400冷水管，管材為無縫鋼管4269，工作溫度為7-14；2根DN200熱水管，管材為無縫鋼管2196，工作溫度為50-55，1根DN100蒸汽管道，管材為無縫鋼管1085，工作溫度為108，請(qǐng)對(duì)該管組的防晃支架進(jìn)行受力分析。根據(jù)規(guī)范，因DN100的管架最大跨距為5m，故該管組設(shè)置的共用支架最大跨距為5m，由此根據(jù)最不利情況支架間距為5m分析管架的受力。1. 管道垂直方向的計(jì)算荷載計(jì)算(1)DN400單根管道作用在管架上的計(jì)算荷載DN400單根管道垂直方向的基本荷載（支吊架間距為5米）鋼管重量7850(0.426-0.008)0.00853.149.8=4039N保溫重量48(0.426+0.05)0.0553.149.8=176N介質(zhì)重量1000(0.426-0.0082)253.149.8/4=6466N單根管段計(jì)算荷載（鋼管重量+保溫重量+介質(zhì)重量）1.35 （考慮35可變荷載。）單根DN400冷水管道計(jì)算荷載G400（4039+176+6466）1.3514420N(2)DN200單根管道作用在管架上的計(jì)算荷載DN200單根管道垂直方向的基本荷載（支吊架間距為5米）鋼管重量7850(0.219-0.006)0.00653.149.8=1544N保溫重量48(0.219+0.05)0.0553.149.8=100N介質(zhì)重量1000(0.219-0.0062)253.149.8/4=1649N單根管段計(jì)算荷載（鋼管重量+保溫重量+介質(zhì)重量）1.35 （考慮35可變荷載。）單根DN200熱水管道計(jì)算荷載G200（1544+100+1649）1.354446N(3)DN100單根管道作用在管架上的計(jì)算荷載DN100單根管道垂直方向的基本荷載（支吊架間距為5米）鋼管重量7850(0.108-0.005)0.00553.149.8=623N保溫重量48(0.108+0.05)0.0553.149.8=59N介質(zhì)重量1000(0.108-0.0052)253.149.8/4=370N （考慮蒸汽管道水壓試驗(yàn)時(shí)管道內(nèi)介質(zhì)的重量。）單根管段計(jì)算荷載（鋼管重量+保溫重量+介質(zhì)重量）1.35 （考慮35可變荷載。）單根DN100蒸汽管道計(jì)算荷載G100（623+59+370）1.351421N2. 管道水平方向的計(jì)算荷載由于該管架為活動(dòng)支架，所以管架水平方向的受力為管道在管架上滑動(dòng)摩擦力。DN400管道的水平推力 T400=f400=G400=0.314420=4326NDN200管道的水平推力 T200=f200=G200=0.34446=1334NDN400管道的水平推力 T100=03. 管架受力平面圖五、 管架梁選型根據(jù)管架梁的受力分析，管架梁在管道重力下或在管道推力作用下，有可能出現(xiàn)2種現(xiàn)象，一是管架梁會(huì)沿著受力方向被剪斷，另一種是管架梁會(huì)沿著受力方向發(fā)生過大彎曲變形，嚴(yán)重的會(huì)發(fā)生彎曲折斷。所以合理的選擇管架梁就是使管架梁能剛好滿足梁的抗彎和抗剪要求。1. 管架梁內(nèi)力分析將管架假設(shè)為剛性結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)支梁，分別根據(jù)管架梁的垂直受力和水平受力情況，按照平面簡(jiǎn)支梁進(jìn)行內(nèi)力分析，并根據(jù)靜力方程求得管架梁的內(nèi)力，并繪制梁的剪力圖和彎矩圖，求出最大剪力和最大彎矩。根據(jù)以上示例管架受力分析得得到管架梁垂直方向的最大彎矩為17715Nm，最大剪力為24843N管架梁水平方向的最大彎矩為3155Nm，最大剪力為5521N2. 管架梁選型(1) 管架梁抗彎強(qiáng)度計(jì)算管架梁的最大彎矩計(jì)算得出后，根據(jù)以下公式對(duì)管架梁的材料規(guī)格型號(hào)進(jìn)行選擇： 式中：rx、ry截面塑性發(fā)展系數(shù)，一般型鋼取1.05 Mx、My所驗(yàn)算梁截面繞X軸和繞Y軸的最大彎矩（Nm）Wnx、Wny所驗(yàn)算梁截面對(duì)X軸和對(duì)Y軸的截面系數(shù)（cm3）鋼材的抗拉強(qiáng)度，一般型鋼鋼材取210MPa采用驗(yàn)算法將初步估計(jì)型鋼規(guī)格所對(duì)應(yīng)的截面系數(shù)代入以上公式進(jìn)行驗(yàn)算，滿足該方程的型鋼可作為管架梁的備選材料。現(xiàn)仍將以上示例管架為例，依據(jù)管架梁的最大彎矩，對(duì)管架梁的材料進(jìn)行選型：管架梁選型計(jì)算表序號(hào)材料名稱規(guī)格X軸方向最大彎矩Mx(N.m)X軸方向截面系數(shù)Wnx(cm3)Y軸方向最大彎矩My(N.m)Y軸方向截面系數(shù)Wny(cm3)比較0.85210型鋼比重1角鋼20016177151633155163155.26 27.65 182.91 不滿足48.682角鋼20018177151823155182139.05 24.76 163.81 不滿足54.4013槽鋼280a17715340315535.774.43 126.25 200.68 不滿足31.4274槽鋼280c17715393315540.364.39 111.84 176.23 滿足40.2195工字鋼22b17715325315542.777.87 105.55 183.42 不滿足36.5426工字鋼25a17715402315548.362.95 93.32 156.27 滿足38.1057H型鋼1251256.5917715136315547186.08 95.90 281.98 不滿足23.88H型鋼15015071017715221315575114.51 60.10 174.61 滿足31.99角鋼16014背面拼裝17715181.93155181.9139.13 24.78 163.90 滿足67.9741020a槽鋼背面拼裝17715356315548.471.09 93.12 164.21 滿足45.274由管架梁選型計(jì)算表得出，角鋼20018、槽鋼280c、工字鋼25a、H型鋼150150710或2根角鋼16014背面拼裝、2根20a槽鋼背面拼裝均滿足彎矩承重要求，因H型鋼150150710比重最小，從經(jīng)濟(jì)方面我們暫定H型鋼150150710作為管架梁。(2) 管架梁抗剪強(qiáng)度校驗(yàn)根據(jù)管架梁的抗彎強(qiáng)度計(jì)算所選出的支架，還需檢驗(yàn)其是否滿足管架梁的剪切要求。參照如下公式對(duì)管道所承受的剪力進(jìn)行校驗(yàn)。式中：抗剪強(qiáng)度 Vx、Vy梁所承受的X軸方向、Y軸方向的最大剪力（N）S梁截面面積（m2）v鋼材的抗拉強(qiáng)度，一般型鋼鋼材取160MPa參照以上示例對(duì)所選擇的管架梁進(jìn)行抗剪校驗(yàn)故改型鋼滿足抗剪要求，所以管架梁采用H型鋼150150710。六、 管架柱選型根據(jù)管架梁的受力分析，為滿足管架梁所受管道重力和水平推立的平衡，管架柱（或吊桿）給予管架梁一個(gè)支反力來維持管架梁及梁上各管道的平衡。我們由此梁的支反力對(duì)管架柱（或吊桿）進(jìn)行選型。根據(jù)分析，管架柱的受力有2個(gè)，一個(gè)是垂直方向的拉力（或壓力），另一個(gè)是水平方向的推力。 1. 管架柱的橫截面計(jì)算公式S=1.5R/(0.85) 式中S為管架柱的最小截面積，R為管架柱豎直方向的拉力或壓力，為鋼材的抗拉強(qiáng)度