民用建筑燃气管道应力分析

古春雷

（深圳市市政设计研究院有限公司，广东 深圳 518000）

民用建筑燃气管道应力分析

古春雷

（深圳市市政设计研究院有限公司，广东 深圳 518000）

在民用建筑中，燃气管道的设计是非常关键的一个要素和重点内容之一。主要针对民用建筑燃气管道的应力展开了分析，通过七个方面对民用建筑燃气管道的应力分析作了详细的阐述，以期能为有关方面的需要提供参考借鉴。

民用建筑；AUTOPIPE软件；燃气管道；应力

1 概述

如今，燃气管道的建设在民用建筑中十分广泛，因此，如何有效地进行燃气管道建设，做好受力方面的分析，得到了相关工作人员的高度重视。我们需要认真分析燃气管道在沉降、自重、温度变化影响下的变形、受力和应力情况，以此为基础进行燃气管道的施工设计。基于此，本文就民用建筑燃气管道的应力进行了分析，相信对有关方面的需要能有一定的帮助。

2 AUTOPIPE应力分析软件介绍

AUTOPIPE是美国Bentley公司旗下的专业管道应力分析软件。它被广泛地应用于石油、石化、化工等行业，是以梁单元模型为基础的有限元分析程序，可以用于分析计算当一管道系统受到静态及动态荷载时，系统所承受的应力、荷载力及变形量，并根据ASMEB31系列以及其他国际标准进行应力校核。本文在计算中采用ASMEB31.8输气和配气管道系统规范并对管道应力进行校核。

3 计算基础条件

北京市高层住宅燃气管道设计主要采用设置区域中低压调压箱，低压进户，下环上行的供气模式。燃气管道引入方式为室外地上引入，引入口设混凝土保护台和阀门箱。管道材料在引入口穿墙处采用无缝钢管焊接连接，室内管道采用镀锌钢管丝扣连接，每两层设1个活接头，每6层设1个分段阀门。本文在计算中考虑单厅引入供气，每户设一台双眼灶、一台热水器，经水力计算，对于16层管系，1、2层立管管径采用DN50，3～11层立管管径采用DN40，12～16层立管管径采用DN25；对于26层管系，1～3层立管管径采用DN50，4～18层立管管径采用DN40，19～26层立管管径采用的是DN25；对于36层管系，1～5层立管管径采用DN50，6～22层立管管径采用DN40，23～36层立管管径采用DN25。每层层高为2.8 m，户内支管管径为DN15。为了便于计算，假定忽略各层套管对管道的约束；管系中所有支架、管卡均为刚性支架。

4 高层建筑沉降影响

建筑物建成后，都会有不同程度的沉降，虽然燃气管道的施工一般在主体结构基本完成后进行，建筑物沉降可以认为在施工过程中已完成了大部分，但高层建筑竣工后至其建成后的几年内的沉降量仍然不可忽视。经AUTOPIPE应力分析软件计算，建筑沉降量分别在10 mm、20 mm、30 mm时的引入口受力、力矩及应力情况，详见表1、表2.

表1 引入口力和力矩

表2 引入口管道应力

由上表看出，随着建筑物层数增高，沉降量增大，燃气引入口的管道应力几乎成线性增加。虽然上表计算出的引入口管道应力与许用应力之比（σ）都在0.5以下，但建筑物沉降都不是单独发生，而是伴随着管道自重、环境温度变化同时进行的，因此在设计时必须与结构专业明确沉降量范围，严格按照规范采取相应措施。

《城镇燃气规范》（GB 50028—2006）第10.2.17条规定：建筑物设计沉降量大于50 mm时，可对燃气引入管采取如下补偿措施：①加大引入管穿墙处的预留洞尺寸；②引入管穿墙前水平或垂直弯曲2次以上。

5 引入管穿墙前设置金属柔性管或波纹补偿器

其中第2条由于受楼前空间限制通常较难实现，而第1条则必须要保证，因为计算中发现，如果引入口穿墙套管尺寸过小，限制管道沉降，管道将无法承受建筑物通过套管施加的作用力，极易引起管道破坏。由于波纹补偿器补偿能力有限、安装要求高，价格也高，因此多采用在引入口穿墙前的水平管段加金属软管的防沉降措施。

6 管道自重影响

高层建筑因立管较长，立管的自重和温度变化引起的热胀冷缩也比多层建筑大很多，设计中应在燃气立管的底部设置有效的承重支撑，每层设置1处管卡，限制立管道水平位移。以此为条件，本文应用AUTOPIPE应力分析软件计算了16层、26层和36层燃气管道在重力作用下的变形和应力情况，详见表3.

表3 不同高度管道自重影响

根据上表的计算结果，当建筑高度达到36层，虽然燃气管道的最大应力并不是很大，但底部支架需要承受的重力已将近0.5 t，一般建筑设计中首层地面的荷载为0.5 t，二层及以上楼层地面荷载为0.2 t，可见如果燃气管道继续加高，将超过地面的允许荷载，必须分段支撑，并且为满足管道柔性，两固定支架中间需采取补偿措施。

7 温度变化影响

建筑环境温度的变化将引起管道的伸缩变形和热应力，热应力的改善一般采取增加管道柔性、合理设置支吊架以及设置补偿器等措施。管道局部温度分布不均的热胀冷缩受支架约束而产生热应力，《城镇燃气规范》（GB 50028—2006）规定有空气调节的建筑物内燃气管道的计算温差取20℃。由于温度变化与重力荷载是同时发生的，因此，表4、表5、表6中的计算值为在温差、重力荷载组合条件下的最大管道位移、受力和应力情况。

从表4、表5、表6可以看出，当温差达到-20℃时，26层和36层燃气管道应力均超出许用应力范围，其中应力最大处发生在顶层下一层支管与立管相接处，由于管道变形量大，螺纹三通接头处应力集中，不能很好地吸收管道位移，导致热应力已超出许用应力。但通过分析实际工程发现，由于活接头、管卡等的局部变形，能够吸收一部分管道形变，从而并未导致管道破坏。支管管卡设置应遵循《城镇燃气室内工程施工与质量验收规范》（CJJ 94—2009）中给定的管道支架间距，无需人为缩小间距，避免过多约束管道位移。由于波纹补偿器用于住宅用户的案例并不多，因此需要慎重考虑使用，在空间允许的情况下尽量采取自然补偿的方式。

表4 不同温差条件下管道位移量

表5 不同温差条件下管道受力

表6 不同温差条件下管道热应力

8 结束语

综上所述，燃气管道是人们生活的必需设施。在燃气设计中，如果考虑不周或处理不当，就有可能引发管道的损坏，严重的会引起爆炸以及火灾等恶性事故的发生。所以，我们需要认真分析燃气管道在沉降、自重等情况下的影响，做好燃气管道的设计工作，从而为燃气管道的施工带来帮助。

［1］陈乐.燃气管道应力计算方法与应用［J］.钢铁技术，2009（01）.

［2］王迪，刘恩斌.天然气站场管道应力分析［J］.管道技术与设备，2015（02）.

〔编辑：张雅丽〕

TU996.9

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.13.112

2095-6835（2017）13-0112-02