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(lái)支撐管道的構(gòu)造叫管道支吊架，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。如何采用安全合用、經(jīng)濟(jì)合理、整潔美觀的管道支吊架是機(jī)電安裝工程的一種重點(diǎn)。【核心詞】管道布置管道跨距管架分析管架力計(jì)算管道的布置對(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，其布置不得不考慮下列參數(shù)：管道布置設(shè)計(jì)應(yīng)符合多個(gè)工藝管道及系統(tǒng)流程的規(guī)定；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、維修等方面的規(guī)定，并力求整潔美觀；在擬定進(jìn)出裝置（單元）的管道的方位與敷設(shè)方式時(shí)，應(yīng)做到外協(xié)調(diào)；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)不大于50mm。輸送介質(zhì)對(duì)距離、角度、高差等有特殊規(guī)定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)的規(guī)定，并力求短而直，切勿交叉；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；管道布置應(yīng)使管道系統(tǒng)含有必要的柔性，在確保管道柔性及管道對(duì)設(shè)備、機(jī)泵管口作用力和力矩不超出過(guò)允許值的惰況下，應(yīng)使管道最短，構(gòu)成件最少；應(yīng)在管道規(guī)劃的同時(shí)考慮其支承點(diǎn)設(shè)立，并盡量將管道布置在距可靠支撐點(diǎn)近來(lái)處，但管道外表面距建筑物的最小凈距不應(yīng)不大于100mm，同時(shí)應(yīng)盡量考慮運(yùn)用管道的自然形狀達(dá)成自行賠償；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、檢修規(guī)定設(shè)立放空、放凈。管架跨距管架的跨距的大小直接決定著管架的數(shù)量?？缇嗵≡斐晒芗苓^(guò)密，管架數(shù)量增多，費(fèi)用增高，故需在確保管道安全和正常運(yùn)行的前提下，盡量增大管道的跨距，減少工程費(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(wú)限的擴(kuò)大。因此設(shè)計(jì)管道的支吊架應(yīng)先擬定管架的最大跨距，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。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）Φ——管道橫向焊縫系數(shù)，取0.7[δ]t鋼管許用應(yīng)力——鋼管許用應(yīng)力（N/mm2）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——?jiǎng)傂詮椥阅Ａ浚∟/mm2）I——管道截面慣性矩（cm4）i0——管道放水坡度，取0.002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φ325×8無(wú)縫鋼管，其最大允許管道間距為多少？管道長(zhǎng)度荷載q=7850×3.14×0.008×(0.325-0.008)+1000×3.14×(0.325-0.008×2)2/4+48×3.14×0.05×(0.325+0.05)=140.29kg/m=1402.90N/m查有關(guān)資料得：管道截面抗彎系數(shù)W=616cm3鋼管許用應(yīng)力[δ]t=112管道截面慣性矩I=10016cm剛性彈性模量Et=2.1×105N/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=27.40取最小值，故該管道的最大允許管道間距為13.14m根據(jù)有關(guān)規(guī)規(guī)定的管道支吊架最大間距擬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)》GB50243-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)不不大于300（mm）的管道可參考300（mm）管道注：1合用于工作壓力不不不大于2.0MPA，不保溫或保溫材料密度不不不大于200kg/m3的管道系統(tǒng)。

2L1用于保溫管道，L2用于不保溫管道。管架分析管道支吊架介紹用來(lái)支撐管道的構(gòu)造叫管道支吊架，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。管道支吊架普通由管座、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)構(gòu)成。管架荷載分析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)當(dāng)承受的特殊變化的荷載。因可變垂直荷載是無(wú)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種經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（普通為1.2~1.4）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因管道支吊架在一種工程里數(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(lái)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=αGB（α=1.2~1.4）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)管架水平推力重要來(lái)自管道摩擦力，吊桿水平推力可無(wú)視；水平推力即為管道摩擦力f=μG（μ為摩擦系數(shù)，G為管道垂直荷載）b.固定支架的水平推力重要來(lái)自賠償器的彈性變形力。采用賠償器賠償?shù)墓艿?，其作用在固定管架上的水平推力為賠償器被壓縮或拉伸所產(chǎn)生的反彈力。水平推力=賠償器反彈力T=ηΔL（η為賠償器的彈性模量，ΔL為賠償器發(fā)生的變形長(zhǎng)度）采用自然賠償?shù)墓艿?，是運(yùn)用管道的自然彎曲形狀所含有的柔性以賠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)，賠償臂管道長(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ΔL=α×ΔT×L(式中α為鋼管的線膨脹系數(shù)，ΔT故作用在管道賠償上的推力為T=3ΔLEI/Lb3（E為管道的彈性模量，I為管道的慣性矩）管架受力計(jì)算示例根據(jù)以上管架的受力分析，現(xiàn)以環(huán)球金融中心低區(qū)空調(diào)水主干管進(jìn)行分析計(jì)算以下圖所示，現(xiàn)有2根DN400冷水管，管材為無(wú)縫鋼管φ426×9，工作溫度為7-14℃；2根DN200熱水管，管材為無(wú)縫鋼管φ219×6，工作溫度為50-55℃，1根DN100蒸汽管道，管材為無(wú)縫鋼管φ108×5，工作溫度為108℃，根據(jù)規(guī)，因DN100的管架最大跨距為5m，故該管組設(shè)立的共用支架最大跨距為5m，由此根據(jù)最不利狀況支架間距為5m分析管架的受力。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)×0.008×5×3.14×9.8=4039N保溫重量＝48×(0.426+0.05)×0.05×5×3.14×9.8=176N介質(zhì)重量＝1000×(0.426-0.008×2)2×5×3.14×9.8/4=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）×1.35＝14420N(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)×0.006×5×3.14×9.8=1544N保溫重量＝48×(0.219+0.05)×0.05×5×3.14×9.8=100N介質(zhì)重量＝1000×(0.219-0.006×2)2×5×3.14×9.8/4=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）×1.35＝4446N(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)×0.005×5×3.14×9.8=623N保溫重量＝48×(0.108+0.05)×0.05×5×3.14×9.8=59N介質(zhì)重量＝1000×(0.108-0.005×2)2×5×3.14×9.8/4=370N（考慮蒸汽管道水壓實(shí)驗(yàn)時(shí)管道介質(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）×1.35＝1421N管道水平方向的計(jì)算荷載由于該管架為活動(dòng)支架，因此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=μG400=0.3×14420=4326NDN200管道的水平推力T200=f200=μG200=0.3×4446=1334NDN400管道的水平推力T100=0管架受力平面圖管架梁選型根據(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(guò)大彎曲變形，嚴(yán)重的會(huì)發(fā)生彎波折斷。因此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規(guī)定。管架梁力分析將管架假設(shè)為剛性構(gòu)造的簡(jiǎn)支梁，分別根據(jù)管架梁的垂直受力和水平受力狀況，按照平面簡(jiǎn)支梁進(jìn)行力分析，并根據(jù)靜力方程求得管架梁的力，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17715N·m，最大剪力為24843N管架梁水平方向的最大彎矩為3155N·m，最大剪力為5521N管架梁選型管架梁抗彎強(qiáng)度計(jì)算管架梁的最大彎矩計(jì)算得出后，根據(jù)下列公式對(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)，普通型鋼取1.05Mx、My——所驗(yàn)算梁截面繞X軸和繞Y軸的最大彎矩（N·m）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）σ——鋼材的抗拉強(qiáng)度，普通型鋼鋼材取210MPa采用驗(yàn)算法將初步預(yù)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?，F(xiàn)仍將以上示例管架為例，根據(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0.85×210型鋼比重1角鋼200×16177151633155163155.2627.65182.91不滿足48.682角鋼200×18177151823155182139.0524.76163.81不滿足54.4013槽鋼280a17715340315535.774.43126.25200.68不滿足31.4274槽鋼280c17715393315540.364.39111.84176.23滿足40.2195工字鋼22b17715325315542.777.87105.55183.42不滿足36.5426工字鋼25a17715402315548.362.9593.32156.27滿足38.1057H型鋼125×125×6.5×917715136315547186.0895.90281.98不滿足23.88H型鋼150×150×7×1017715221315575114.5160.10174.61滿足31.99角鋼160×14背面拼裝17715181.93155181.9139.1324.78163.90滿足67.9741020a槽鋼背面拼裝17715356315548.471.0993.12164.21滿足45.274由管架梁選型計(jì)算表得出，角鋼200×18、槽鋼280c、工字鋼25a、H型鋼150×150×7×10或2根角鋼160×14背面拼裝、2根20a槽鋼背面拼裝均滿足彎矩承重規(guī)定，因H型鋼150×150×7×10比重最小，從經(jīng)濟(jì)方面我們暫定H型鋼150×150×7×10作為管架梁。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，還需檢查其與否滿足管架梁的剪切規(guī)定。參考以下公式對(duì)管道所承受的剪力進(jìn)行校驗(yàn)。式中：τ——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）σv——鋼材的