某钢厂外部管网设计分析

王 静

(中冶南方工程技术有限公司，湖北武汉 430223)

1 工程简介

该工程包括水道、通风、燃气及热力等专业的多根管道的支架设计，由于管道众多、空间有限、已有基础、道路及管网交错纵横，因此管道支架采用格构式支架与桁架相结合的形式;所有管道的支点均支撑在支架或桁架上，支架及桁架主要采用热轧型钢，部分采用焊接型钢。该工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，特征周期值为0.35 s，结构抗震设防类别为丙类，抗震等级为四级。

2 支架设计

2.1 支架形式及受力特点

该工程采用固定支架、滑动支架、半铰支架与桁架相结合的形式。固定支架及滑动支架均采用四肢格构式、半铰支架采用二肢格构式。对于四肢格构式支架，为保证支架的空间整体作用，增加支架的刚度，在直接支撑管道的平面内应设置水平支撑，同时，在支架中部每隔5 m，6 m高度处应增设水平支撑。半铰支架若超过6 m，应在支架中部适当的位置设置水平支撑。

固定支架:管道采用固定管托敷设于管道支架上，支架承受管道的垂直荷载、沿管线方向水平推力、垂直管线方向水平推力及风荷载，作用在管道支架上的水平推力及风荷载作用点应取管道断面中心。滑动支架:管道采用滑动管托敷设于管道支架上，支架承受管道的垂直荷载、沿管线方向水平摩擦力、垂直管线方向水平摩擦力。水平摩擦力作用点位置，采用上滑式管托时，取管道外径的最低点;采用其他形式管托时，取支撑管道的横梁顶面。管道风荷载包含在垂直管线方向水平摩擦力中，如果管道风荷载大于垂直管线方向的水平摩擦力，该管系设计有问题。半铰支架:半铰支架的柱脚沿管线方向与基础铰接，柱顶与管道焊接。支架承受管道的垂直荷载、风荷载，风荷载作用点应取管道断面中心。半铰支架应以支柱的倾斜适应管道变形的要求，不应出现相对位移，管架倾斜度不应大于2%。桁架:根据结构需要桁架采用上承式或下承式两种形式。由于钢对钢滑动时摩擦系数取0.3，钢对钢滚动时摩擦系数取0.1，为了减小水平摩擦力，桁架与支架一端采用滚动支座连接。滚动支座的滚轴在长时间使用过程中容易生锈，阻碍滚轴滚动，因此应定期检查并更换支座。桁架计算时，结点均假定为铰结点，荷载和支座反力都作用在结点上。

2.2 支撑横梁、管托及检修平台

管道支架横梁一般按双向受弯构件进行强度、整体稳定、局部稳定及变形计算;当梁承受的轴力较大时，尚应按偏心受压构件进行强度、整体稳定、局部稳定计算。管道支承梁一般用工字钢和H型钢，必要时用箱形梁。工字钢和H型钢的抗拉、抗压、抗弯性能好，但抗扭性能差;箱形截面的抗侧向弯曲刚度和抗扭刚度远远大于工字形截面，整体稳定性很强。固定支架、滑动支架上的管道对支承梁有较大的水平力，让支承梁处于受扭状态，故该工程支撑梁多为箱形钢，受荷较小处则采用工字钢或H型钢。支撑梁与柱采用刚性连接，有效的减小了支撑梁跨中弯矩，从而减小了梁截面。若支撑梁宽度小于管托宽度+50 mm，须将横梁面加宽。管道一般通过管托与支撑横梁连接，管托基本上是轴心受压构件或偏心受压构件，管托的有效高度取为100 mm～200 mm，也可根据实际情况适当调整。管托可分为:固定管托、双向滑动管托、单向滑动管托、铰接管托及挡板式管托等。采用下滑式管托的管道支架，应采取防止管托滑落于梁侧的措施。对敷设于顶层横梁上的管道为防止滑落，可设置防震短柱、防震挡板，或设置防震管卡。该工程管托采用固定与滑动两种形式，通风专业管道采用聚四氟乙烯支座(即在钢板之间的滑动面上涂上聚四氟乙烯材料)，有效减小了传给支架的水平摩擦力(聚四氟乙烯支座滑动摩擦系数在0.1以下)，支架用钢量与基础混凝土用量均有所降低，支架做的相对小巧而美观。虽然聚四氟乙烯滑板价格较高，但综合起来工程造价也有所降低。其他专业管道由于摩擦力相对较小，管托均采用Q235-B钢材。

检修平台是支架设计中极易被忽视的部分，由此造成的设计返工将耗费大量的时间与精力，因此做设计前应理清各专业资料，把检修平台与管道支架设计结合在一起考虑。

3 基础设计

管道支架基础分为独立式基础与联合式基础。对于固定支架及所有二肢格构式支架，宜采用联合基础;当柱肢距离较大，不能采用联合基础时，可采用分离式基础。联合基础采用上部结构的整体荷载作为合力对基础进行地基承载力验算;分离式基础采用各柱肢的荷载分别进行地基承载力计算，对于受拉柱肢的基础应考虑拉力的作用。柱肢底部的拉力由基础预埋锚栓承担;柱肢底部剪力:当小于底板与基础混凝土之间的摩擦力时，由摩擦力传给基础，摩擦系数应取0.4;当大于底板下的摩擦力时，钢柱底需设置抗剪件，由抗剪件承受全部剪力;有可靠经验时，也可采用锚栓抵抗柱底剪力。由于支架基础垂直荷载较小，弯矩相对较大，因此应严格控制基础偏心矩，并相对深埋基础，以免支架倾覆。该工程由于荷载较大，地基持力层较差，故采用桩基基础，柱脚与基础均为铰接连接。

4 抗震设计

该工程抗震设防烈度为7度，支架应进行水平地震作用和作用效应计算，活动管道支架在管道滑动方向可不进行抗震验算，但应满足抗震构造要求。抗震设计时，应取合理的抗震计算单元，详见参考文献［2］第九章抗震设计的具体要求。水平地震作用点的位置，采用上滑式管托的独立式管道支架，取管道外径的最低点;固定支架，取管道的中心处;其他形式的管道支架取支撑管道的横梁顶面。管廊式支架取支座的支承面处。

5 结语

管道支架是工厂设计中常见的结构形式，在钢铁工程中具有举足轻重的作用。由于涉及的管道数量多，管线较长，且与其他结构构件(例如主厂房雨篷、道路等)关系复杂，因此总图专业的准确定位、工艺专业管道的合理布置，结构支架的选型及构造都是极其重要的环节。在综合考虑安全可靠、经济适用、美观大方的条件下也可采用滚动及聚四氟乙烯支座。

［1］GB 50017-2003，钢结构设计规范［S］.

［2］GB 50709-2011，钢铁企业管道支架设计规范［S］.

［3］《钢结构设计手册》编委会.钢结构设计手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2004.

［4］GB 50191-2012，构筑物抗震设计规范［S］.