钢结构管道支架的优化设计

刘 天 怡

(武汉都市环保工程技术股份有限公司,湖北 武汉 430070)

钢结构管道支架的优化设计

刘 天 怡

(武汉都市环保工程技术股份有限公司,湖北 武汉 430070)

介绍了钢结构管道支架的一般设计原则及常用结构类型，以某钢厂大型煤气管道支架设计为例，用有限元方法计算了钢构件采用不同截面时的应力及自重，通过比较分析，总结出合理、经济的管道支架优化设计原则，以达到优化设计的目的。

管道支架，有限元模型，优化设计

0 引言

钢结构管道支架在我国工业建筑项目中应用广泛，也是管道工程设计的重要组成部分，管道介质主要有热力管道、煤气管道、水管、除尘风管、烟气管道、压缩空气管道、硫铵溶液输送管道等。根据结构特点可分为独立式管架和组合式管架。独立式管架包括固定支架、刚性管架、柔性管架、半铰接管架、双向活动管架(摇摆管架)。组合式管架包括桥架式、桁架式、悬臂式、悬索式及吊索式组合管道支架。本文仅讨论独立式钢结构管道支架，并以某大型煤气管道支架设计为例，用有限元方法计算了钢构件采用不同截面时的应力及自重，通过比较分析，总结出合理、经济的管道支架优化设计原则。

1 钢结构管道支架设计的一般原则

钢结构管道支架(以下简称管架或支架)设计应满足施工及正常使用状态下各种作用，偶然事故情况下结构维持必要的稳定。以可靠指标度量结构构件的可靠度，用含分项系数设计表达式进行计算，一般采用有限元或PKPM计算软件，通过对支架的受力模型及动力特的分析，抗震地区还应考虑支架的抗震性能分析，从而设计出合理的钢结构管道支架。支架设计的一般原则主要有以下几个方面:

1)管道支架设计使用年限为50年。安全等级取一级，结构重要性系数γ0取1.1。

2)所有结构构件均应进行承载力计算；有抗震设防要求的结构，尚应按规定进行结构构件抗震承载力验算。

3)管道支架横梁在垂直荷载及水平推力作用下，按照双向受弯构件计算。固定管道支架横梁的最大挠度不宜大于梁跨度的1/500；其他管道支架横梁的最大挠度不应大于梁跨度的1/250。竖向荷载(标准值)作用下的挠度容许值不大于L/400；管道水平推力(标准值)作用下的挠度容许值不大于L/400。沿管道横向风荷载标准值作用下的柱顶位移不大于H/400；固定管道支架沿管道纵向在管道水平推力作用下的柱顶位移为H/400；H为支架高度。

4)地震基本烈度为8度及8度以上地区的活动管道支架应采用刚性活动管道支架。

2 钢结构管道支架常用结构类型

独立式管架包括固定管架、刚性管架、柔性管架、半铰管架、双向活动管架(摇摆管架)。相对于固定管架，其他均属于活动管架。

1)固定管架上的管道一般采用固定管座，管架下端与基础固定，且多采用四柱式的双片支架。

2)刚性管架上的管道在管架上均采用滑动或滚动管座，管架下端与基础固定，一般采用双柱式单片支架。

3)柔性管架上的主动管道采用滑动或者铰接管座，其他管道可采用滑动管座，管架下端与基础固定，一般采用单柱式独立支架。

4)半铰接管架上的主动管道采用铰接管座，管架下端沿纵向为半铰接，沿横向为固定。

5)摇摆管架上的主动管道采用固定管座或螺栓连接的铰接管座，管架下端沿双向均采用铰接。

3 某大型煤气管道支架优化设计实例分析

3.1 有限元模型建立

采用SAP2000有限元软件计算，建立有限元模型时，煤气管道支架可视为空间钢支架，模型和设计中，所有梁柱、立面斜撑节点均设置为铰接节点。计算不同高度、相同荷载工况下的固定支架和半铰接支架，两种支架形式分别采用型钢和钢管截面(见图1，图2)。

3.2 管道支架截面设计分析

表1 管道支架对比表(一)

从表1可看出，当支架的高度为10 m时，钢支架分别采用型钢和圆钢管截面形式，在同等工况条件作用下，钢构件的应力比控制在20%～60%之间，长细比控制在150之内(长度系数取1.0)。固定钢支架采用圆钢管截面形式耗钢量是采用型钢截面形式的65%，可以节约35%的钢材量；半铰支架采用圆钢管截面形式耗钢量是采用型钢截面形式的64%，可以节约36%的钢材量。

从表2可看出，当支架的高度为14 m时，钢支架分别采用型钢和圆钢管截面形式，在同等工况条件作用下，钢构件的应力比控

制在20%～60%之间，长细比控制在150之内(长度系数取1.0)。固定钢支架采用圆钢管截面形式耗钢量是采用型钢截面形式的76%，可以节约24%的钢材量；半铰支架采用型钢截面形式耗钢量是采用圆钢管截面形式的80%，可以节约20%的钢材量。

表2 管道支架对比表(二)

根据表1，表2的数据进行综合分析，固定支架采用圆钢管截面形式在耗钢量上占优势，可以优化设计，更为经济合理；半铰支架采用圆钢管截面形式时，主要受到平面外长细比的制约，支架越高，钢柱长细比越不容易满足规范要求，因此用钢量也会随着支架的高度而增大，耗钢量甚至会高于型钢截面形式，因此对于半铰支架的优化设计，应根据支架的高度情况综合分析，选择合理经济的截面形式。

4 结语

本文介绍了钢结构管道支架设计的一般原则，并对实际算例进行了有限元分析，计算了钢支架采用不同截面时的应力及自重，通过比较分析，在同等工况条件下，固定支架采用圆钢管截面形式更为经济合理，可以达到优化设计的目的。除固定支架外，当支架构件采用圆钢管截面形式时，由于支架钢柱受到长细比的影响，对于高度较小的支架，采用圆形钢管截面形式更为经济合理；对于高度较大的支架，可能要根据实际情况进行综合分析判断，选择更为经济合理的截面形式，达到优化设计的目的。

在实际工程中，圆形钢管在外型上简洁美观，在一定的条件下更为经济合理，达到优化设计的目的，但是圆形钢管的加工制作比较复杂，人工成本费用偏高，在钢支架设计时，不仅在结构计算上需要进行优化设计，在钢材加工及施工方面，也需要进行优化，才能达到整体优化设计的目的，还需要进行进一步的研究和探讨。

[1] GB 50017-2003，钢结构设计规范[S].

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

[3] 《管道支架设计手册》编写组.管道支架设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1996.

[4] 祝远驰.余热利用电厂钢管道支架设计[J].山西建筑,2012,38(10):26-28.

Optimization design of steel structure of pipe support

LIU Tian-yi

(WuhanCityEnvironmentProtectionEngineeringLimitedCompany,Wuhan430070，China)

Introduces the general design principles of steel structure of pipe support and common structure type, taking a large gas pipe support design for example, steel members with different section of the stress and weight is calculated by using finite element method, through comparative analysis, summarize the reasonable, economical pipe support design principles， so as to achieve the goal of optimal design.

pipe support, finite element modeling, optimization design

1009-6825(2014)03-0054-02

2013-11-14

刘天怡(1981- )，女，硕士，工程师

TU318

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