谈供热工程中钢结构支架的设计方法

赵 宏

(太原市热力公司，山西 太原 030012)

0 引言

随着国家城镇化的快速发展和日益严峻的环境问题，使得供热工程在近几年得到了长足的进步，集中供热成为了解决冬季居民生活和城市环境污染的主要形式。城镇化的发展使大量的人口涌入城市，给城市的基础设施和各种配套设施带来了巨大的挑战，城市的承载力日益减弱。我国北方许多城市均已禁止在市区修建大型热源厂给城市提供热源，而选择距离市区较远的区域进行修建，由此导致供热管道管径的增大和供热距离的增长，在长距离的输送过程中可能会遇到河流、山川、铁路、公路等其他构建筑物需要跨越。传统的混凝土结构支架在跨越河流、山川、铁路、公路等其他构建筑物时往往存在施工场地狭小、运输条件差、安全生产隐患大等问题，钢结构支架由于自重轻、施工方便、易于安装和检修的优势越来越多的应用在长距离供热传输中。本文结合太原市某供热工程实例，对大管径供热管道钢结构支架的设计方法进行探讨。

1 工程概况

太古供热工程是由古交兴能电厂至太原城区的长输供热工程，该工程设计年供热量3 506 GJ/年，设计供热面积为7 600×104m2，管网设计压力为2.5 MPa，设计供水温度为125 ℃。该工程共分两个系统，2供2回，共敷设4根DN1 400 mm的供热管道，长输供热管线在末端与太原城区管网相连接。长输供热管线输送距离为37.8 km，最大高差达180 m，其中跨越汾河处架空敷设约2.6 km，隧道内架空敷设约15.2 km，直埋敷设约20 km。长输供热管线沿线设置3座中继泵站，1座事故补水站。隧道架空敷设段共分三个隧道组成，共计约15.2 km，其中1号隧道全长1.4 km，2号隧道全长2.4 km，3号隧道全长11.4 km。此供热隧道为供热专用隧道，隧道内设置检修车道。

2 钢结构支架类型

按照支承管道的方式不同，可以将钢结构支架主要分为：独立式钢支架、纵梁式钢支架和组合式钢支架。

1)独立式钢支架之间没有任何构件相连接，管道直接安装于支架上。按其具体用途分为固定支架、活动支架和导向支架。

a.固定支架：管道内介质在流动过程中使管道产生热胀冷缩现象，主要用以承受热胀冷缩所产生的水平推力，支架及基础要保证足够大的刚度，以保证管道的自身稳定。按照承受荷载的方向及数量可分为重载和减载两类。重载固定支架主要布置在管道末端，用以承受单方向的水平推力；减载固定支架主要为设置在两个补偿器之间的中间固定支架，用以承受两个相反方向的水平推力。固定支架是使用最广泛的支架，支架的间距和数量直接影响工程的经济合理性。在设计时要合理选择布置固定支架的位置，在间距允许范围内尽可能的增大间距，以减少支架的数量。布置固定支架时最大间距须满足以下条件：管道的热收缩量必须小于补偿器的允许补偿量；管道因膨胀所产生的水平推力必须小于固定支架所能承受的水平推力；避免管道产生纵向弯曲。固定支架的最大允许间距与设计管道的直径、管道敷设形式、管道内流动的介质及运行温度和补偿器的类型等均相关。

b.活动支架：活动支架用以承受管道内介质流动时，管道由于变形方向所产生的单向、双向推力的支架；按照其受力作用和结构形式可分为刚性支架、柔性支架、半铰接支架、摇摆支架。

c.导向支架：当设计的运行管道需要综合考虑风荷载、地震和温度形变所引起的横向位移；避免管道运行(弯段管道)产生不平衡内压、热胀推力造成管道的轴向失稳；管道补偿器安装时，保证补偿器的轴心运行，在补偿器的前后支架上均应设置导向支架。

2)纵梁式支架：纵梁式支架由独立式支架、纵梁、横梁、柱间支撑组成，一般不设中间固定支架。纵梁式支架之间通过纵梁或桁架等水平构件相连接，多用于布设管径较小、支线较多、管道根数较多的管线。

3)组合式支架：组合式支架包括桁架式支架、悬索支架、吊索支架、拱管支架等，常布设桁架式支架。桁架式支架由桁架、高支架、低支架组成。多适用于管道跨距较大、设置支承立式补偿器的管线或管径较小且避免设立过多支架的管线。

3 钢结构支架设计原则

通常情况下供热管道直接安装在支架上，由于介质温度和大气温度的差异，管道将产生热胀冷缩现象，在设计热力管道时必须将这一现象处理好，保证管线的正常稳定运行。为保证管道在热状态下安全稳定运行，减少管道在热胀冷缩时所产生的温度应力，应对管道受热时的热伸长量进行补偿。管道热补偿有如下两种方法：1)补偿器；2)利用管道自身弯曲的自然补偿。本工程中主要采用了补偿器的办法，局部采用了管道自然弯曲的自然补偿。该工程采用外压轴向型波纹管补偿器来承担管道在运行期间热胀冷缩产生的变形，补偿管道的位移量。

钢结构支架设计应满足施工及运行期间的各种荷载组合作用、不利因素的影响和管道内内力产生的推力，钢结构支架必须维持其稳定性。设计时一般采用有限元或PKPM计算软件，用含分项系数设计表达式进行计算，通过对支架的受力模型及动力特性的分析，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)根据GB 50068—2001建筑结构可靠度设计统一标准规定：对安全等级分别为一、二、三级或设计使用年限分别为100年及以上，50年，5年时，重要性系数分别不应小于1.1,1.0,0.9。

2)钢结构支架包括的所有结构构件均进行承载力计算；对有抗震设防要求的结构，此结构构件应进行构件抗震承载力验算。

3)钢结构支架水平梁在垂直荷载及水平推力作用下，按照双向受弯构件进行内力计算、强度、稳定性验算。固定钢结构支架水平梁的最大挠度不宜大于梁跨度的1/500；其他支架水平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。

4)焊缝应根据结构的重要性、荷载特性、焊缝类型、工作环境及应力状态等情况综合考虑，选择不同的质量等级进行焊缝连接计算。

4 钢结构支架计算实例

根据GB 50017—2003钢结构设计规范的规定和上述钢结构设计的基本原则，采用PKPM的STS支架计算模块进行计算分析。所有梁柱、立面斜撑节点均设置为铰接节点。当使用计算模块根据不同荷载的组合分布情况计算出内力之后，需要对于每个构件进行稳定性验算，其中包括挠度的验算、强度验算和系统整体稳定性的验算。该工程对受弯构件的强度与稳定性进行验算、构件立柱的挠度、强度和稳定性验算及焊缝的连接计算如表1～表3所示。

表1 受弯构件强度与稳定性计算表

表2 水平梁构件强度与稳定性计算表

表3 焊缝连接计算表

5 结语

架空管线随着长输供热管线的广泛应用，设计应用也越来越广泛。当供热管道需要通过某些特殊地形时，可采用钢结构架空形式进行布置，但应合理进行钢支架的布局和设计。本文介绍了钢结构支架设计的原则，并通过计算软件对工程实例进行了计算。但是，在钢支架设计过程中，不仅要在结构计算方面进行优化，在施工材料和施工工艺方面也需要进行优化创新，才能达到更加经济合理的施工方式。