钢结构管廊的设计浅析

雷新海

（湛江南海西部石油勘察设计有限公司 524000）

引言

近年来随着我国石油化工行业的蓬勃发展，石化处理装置规模越做越大，管廊结构也日趋大型、复杂化，设计人员有必要深入了解管廊的结构特性，重视不同结构形式的管廊结构特性比较，优化钢管廊结构的设计方案，提高管廊结构的设计水平，保证管廊设计在技术上先进、经济上合理、工程上安全可靠。

1 钢结构管廊设计概述

在石油化工行业中，钢结构管廊是常见的构筑物，主要用于各化工处理装置以及装置内各单元、建构筑物及设备之间的相互连接，用于支承工艺管线、电缆桥架等。管架一般包含独立式管架、管廊式管架。管廊式管架又可以分为纵梁式和桁架式管架。一般工程管架设计应具备以下资料：

（1）管廊架平、剖面、布置图、管道规格，管架位置图及相应要求。

（2）工艺管道重量，管道内介质重量，管道内试压水、预留荷载、平台活荷载等，以及管道对管架的水平推力。

（3）工艺管道壁的最高、最低计算温度。

（4）工程项目拟建场地资料及岩土工程地质勘察资料。

2 管廊的计算原则

（1）管廊结构应以一个温度区段作为一个计算单元，管架横梁承受管道的竖向荷载和水平推力，对固定管架的横梁，应注意验算水平推力产生的扭转应力。

（2）管廊纵梁应能传递纵向拉力，并承受横向进出管线荷载和其他荷载。纵梁与柱的节点连接宜为铰接连接。

（3）管廊应在每个温度区段两端设置柱间支撑，承受管线的不平衡水平推力。

图1 管架计算模型

3 管廊的荷载计算

配管、电气专业提供相关管线、电缆桥架的重量，结构专业则根据管架跨度、柱距进一步核算作用在每榀管架横梁上的管线、电缆桥架荷载。管架的竖向荷载一般包括管架结构自重、管道自重、设备重、附件重、保温重、介质重或冲水试压时的水重、电缆和桥架重等。有多根密排管道，宜按均布荷载计算；当遇有一根管道作用于梁上的荷载大于10kN时，该管道应单独按照集中荷载考虑。

管架柱、横梁、纵梁的风荷载可以通过软件按照挡风面积自动计算，比如国内常用的钢结构设计软件PKPM、3D3S等。工艺管线、设备等设施所受风荷载需要按照规范手动计算，然后按照相应的风荷载工况添加至柱顶或横梁。由于管廊结构纵向较长，刚度较大，一般可以不考虑管廊结构的纵向风荷载，仅需计算管廊结构横向风荷载。

除了需要相关专业提供的水平推力以外，其他的水平推力可以按照规范手动计算，然后通过定义活载的方式进行添加。试压工况可以通过自定义荷载工况定义，关键是根据《化工工程管架、管墩设计规范》（GB51019）充分考虑相关荷载的分项系数及组合系数。

管道内的介质分为气体和液体，在不同工况组合下，荷载的分项系数取值不同。当管道为液体管道时，管道内的介质重力应按照恒荷载输入，正常操作情况下，荷载分项系数恒荷载为1.2，活荷载为1.3，风荷载为1.4；当管道为气体管道时，考虑管线试压的情况，在充水试验时荷载的分项系数，恒荷载为1.2，试压充水荷载为1.1，风荷载为1.4。

4 管廊设计的其他事项

关于管架钢柱的计算长度系数，一般钢柱柱脚为刚接，柱轴向计算长度系数按照《化工工程管架、管墩设计规范》（GB51019-2014）表3.5.5的规定采用；径向计算长度系数按照现行国家标准《钢结构设计规范》（GB50017）的有关规定执行。在3D3S软件中可以自动按照《钢结构设计规范》计算两个方向的计算长度系数，由于软件不包含《化工工程管架、管墩设计规范》（GB51019-2014），因此柱轴向计算长度系数需要通过自定义调整解决。

关于管架柱及支撑构件的长细比控制，《化工工程管架、管墩设计规范》与《钢结构设计规范》中的长细比有差异，在3D3S软件中可以自定义长细比限值，设计人员应特别注意框架柱以及支撑的长细比控制。

设计中还应该特别注意支撑中间横梁的钢纵梁挠度限值控制为l/400；桁架按照l/500进行控制。此外，设计过程中还应该控制跨内挠度差异值，在装置内沿管架纵向一个柱距内，管道支点最大挠度之差不应大于30mm，在装置外沿管架纵向一个柱距内，管道支点最大挠度之差不应大于40mm。

一般过程中经常会有管廊架跨越厂区道路的情况，此时管架一般采用桁架结构。上承式桁架与下承式桁架都为上弦杆受压、下弦杆受拉，弦杆的应力基本相同。上承式桁架的斜腹杆为拉杆，下承式斜腹杆为压杆，相同截面的情况下，下承式桁架斜腹杆稳定应力接近1.0，上承式桁架斜腹杆用钢量省，结构经济合理。

5 结论

（1）管廊结构计算安全性及合理性是以上游相关专业提供资料准确为前提，因此，上游相关专业提供的资料务必全面、准确，比如上游相关专业提供的固定管架位置、水平推力大小会直接影响管架的结构布置。对于气体管道试压时要做的充水试验的，还应该提供单独或同时做充水试验管径范围，使计算分析过程中考虑的荷载和实际工况尽量一致。

（2）分析过程中，管廊上部荷载取值、以及荷载分项系数选用务必要准确，必须根据项目实际情况充分考虑各种荷载工况组合。

（3）对于跨路段管架，一般采用桁架结构，桁架截面形式选择要经济合理，同时注意对结构构件挠度进行校核。