管道支吊架設(shè)計和計算_第1頁
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文檔簡介

淺談管道門字型支吊架的設(shè)計及計算【文摘】用來支撐管道的構(gòu)造叫管道支吊架,管道在敷設(shè)時都必須對管子進(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,同時管道支吊架的設(shè)計和安裝對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。【核心詞】管道布置管道跨距管架分析管架力計算管道的布置對管道進(jìn)行合理的深化和布置是管道支吊架設(shè)計的前提條件。欲設(shè)計安全使用、經(jīng)濟(jì)合理、整潔美觀的管道支吊架,首先需對管道進(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)計應(yīng)符合多個工藝管道及系統(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,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,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,構(gòu)成件最少;應(yīng)在管道規(guī)劃的同時考慮其支承點設(shè)立,并盡量將管道布置在距可靠支撐點近來處,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^密,管架數(shù)量增多,費用增高,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。因此設(shè)計管道的支吊架應(yīng)先擬定管架的最大跨距,管架的最大允許跨距計算應(yīng)按強(qiáng)度和剛度兩個條件分別計算,取其小值作為推薦的最大允許跨距。按強(qiáng)度條件計算的管架最大跨距的計算公式:Lmax——管架最大允許跨距(m)q——管道長度計算荷載(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)按剛度條件計算的管架最大跨距的計算公式:Lmax——管架最大允許跨距(m)q——管道長度計算荷載(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0.002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無縫鋼管,其最大允許管道間距為多少?管道長度荷載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)以上公式分別計算得強(qiáng)度條件下的Lmax1=13.14m根據(jù)以上公式分別計算得剛度條件下的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支撐管道的構(gòu)造叫管道支吊架,管道在敷設(shè)時都必須對管道進(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(簡稱柱或吊桿)、管架梁(簡稱梁)和支撐節(jié)點構(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。可變垂直荷載指管道所承受的活荷載、沉積物重力和發(fā)生地震時所應(yīng)當(dāng)承受的特殊變化的荷載。因可變垂直荷載是無法精確計算的,為此我們將管道支吊架的基本垂直荷載乘以一種經(jīng)驗系數(shù)(普通為1.2~1.4)作為管架垂直方向的計算荷載。管道支吊架基本垂直荷載計算,可先將復(fù)雜的管道支架體系近似的看作簡支梁,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算最不利支架,此時就只需計算長度為最大允許跨度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管架上的水平推力和固定管架上的水平推力。a.活動管架水平推力重要來自管道摩擦力,吊桿水平推力可無視;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)生的變形長度)采用自然賠償?shù)墓艿溃沁\(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度為L,賠償臂管道長為Lb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)行分析計算以下圖所示,現(xiàn)有2根DN400冷水管,管材為無縫鋼管φ426×9,工作溫度為7-14℃;2根DN200熱水管,管材為無縫鋼管φ219×6,工作溫度為50-55℃,1根DN100蒸汽管道,管材為無縫鋼管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。管道垂直方向的計算荷載計算(1)DN400單根管道作用在管架上的計算荷載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冷水管道計算荷載G400=(4039+176+6466)×1.35=14420N(2)DN200單根管道作用在管架上的計算荷載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熱水管道計算荷載G200=(1544+100+1649)×1.35=4446N(3)DN100單根管道作用在管架上的計算荷載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驗時管道介質(zhì)的重量。)單根管段計算荷載=(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蒸汽管道計算荷載G100=(623+59+370)×1.35=1421N管道水平方向的計算荷載由于該管架為活動支架,因此管架水平方向的受力為管道在管架上滑動摩擦力。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,一是管架梁會沿著受力方向被剪斷,另一種是管架梁會沿著受力方向發(fā)生過大彎曲變形,嚴(yán)重的會發(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)度計算管架梁的最大彎矩計算得出后,根據(jù)下列公式對管架梁的材料規(guī)格型號進(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——所驗算梁截面繞X軸和繞Y軸的最大彎矩(N·m)Wnx、Wny——所驗算梁截面對X軸和對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采用驗算法將初步預(yù)計型鋼規(guī)格所對應(yīng)的截面系數(shù)代入以上公式進(jìn)行驗算,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,根據(jù)管架梁的最大彎矩,對管架梁的材料進(jìn)行選型:管架梁選型計算表序號材料名稱規(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)度校驗根據(jù)管架梁的抗彎強(qiáng)度計算所選出的支架,還需檢查其與否滿足管架梁的剪切規(guī)定。參考以下公式對管道所承受的剪力進(jìn)行校驗。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

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