钢管架结构设计探讨

高等利

(京鼎工程建设有限公司，北京 100011)

0 引言

凡支撑管线、电缆等的构架，配置稳定的结构系统者，均可称为管架。管架在石化企业里普遍存在，它如同大树的枝干，将各种生产原料输送到各个器官。几乎每个石油化工项目，都包含有管架的设计工作，以及新厂区和老厂区管架的对接工作，以确保生产的需要。因此，管架设计的合理性对整个工程项目非常重要。

本文总结了某PTA项目的钢管架结构设计的一些经验，通过软件计算分析，明确了管架结构的受力特点，为该种结构的设计工作提供了参考。

1 工程概况及设计要点

某PTA项目中的主管架设计资料如下:基本风压:ω0=0.40 kN/m;基本雪压:S0=0.40 kN/m;抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第一组，场地类别Ⅱ类。安全等级为二级，设计基准期50年。

管架的设计需满足工艺的要求，管架上要通行各种管道，有荷载大的大直径管道，也有荷载小的小直径管道。同时管架的结构布置还要满足人员操作、管道拆卸检修和人员通行的要求。因此，结构布置的关键是与各专业协调合理确定水平支撑和竖向支撑的位置，以防止管道与结构碰撞，同时要满足整体管架结构受力合理性的要求。另外，基于经济性的考虑，应合理选择梁柱截面，在保证安全的前提下，使其受力最优化。

本项目管架选用全钢结构，横向14 m，纵向271 m。由于篇幅限制，本文取其中一段为例进行分析设计。

2 管架结构布置

结构专业在进行管架布置时，应及时与管线、总图、仪表、电气等专业进行有效的沟通协调，结合温度区段、道路、地下管网的具体情况，在满足工艺要求的条件下，合理确定管架的结构布置。

1)管架跨度:根据管架上的管道布置情况，由结构专业和管线专业共同确定。本项目中的管架跨度取为6.5 m和7.5 m。

2)管架柱距:管架柱距原则上由管线专业确定，但是要满足结构专业受力合理性的要求。本项目中的管架各柱距为5 m～13 m之间。

3)温度缝布置:对于长度大于120 m的全钢管架结构，基于钢结构温度变形的考虑，要设置温度缝，且在温度缝处采用双柱处理。

4)斜撑布置:水平斜撑需与立面斜撑配套布置，形成稳定的受力体系，能将水平力可靠的传给主管架结构。

5)横向布置:基于使用的要求，为提供管架下方维修、通行空间和方便管道布设，横向应尽量避免使用立面斜撑，因此，一般情况下管架横向采用刚接的形式。

6)纵向布置:考虑管架结构受力合理性的要求，纵向梁柱采用铰接的形式。且纵向每隔几跨需布置立面斜撑以有效的传递水平力，立面斜撑的具体位置要考虑管线进出的要求，事先要和管线专业协调综合布置。

3 结构设计荷载

3.1 自重

自重包括管架本身自重和电缆自重。其中本管架上电缆自重为4 660 kg/m，折算为线荷载施加在主次横梁上。电缆层次梁的间距取2.5 m，施加在主次横梁上的电缆线荷载计算如下:

3.2 管道竖向荷载

管道竖向荷载包括管道的空重、操作重和试水重，由管线专业提供，这些荷载作用在主横梁或次梁上，作用形式为均布力或集中力。

1)均布力。

根据SH/T 3055—2017石油化工管架设计规范，小管道采用均布力的形式作用于主横梁及次梁上;荷载大于10 kN的大管道，宜按集中荷载作用于主横梁上。管道均布线荷载标准值(kN/m)可按下式计算:

其中，qv为作用在横梁上的管道竖向均布荷载标准值，kN/m;l为横梁间距，m;Fi为第i单根管道的垂直荷载标准值，kN/m;L4为较小管道的分布范围，m;n为计算区段内的管道数量(一般大于4根)。

2)集中力。

对大于10 kN的大管，按集中荷载作用在主横梁上，当上述均布力在主横梁上满布时，大管面积范围内的均布力要予以扣除，即:

其中，S为大管道跨度，m;W为大管道每米重量，kg/m;p为大管道投影范围内的均布面荷载，kg/m2;D为大管道直径，m。

3.3 管道的摩擦力

管道的摩擦力由管道专业提供，作用方式同管道操作荷载，作用方向为沿管道走向的水平方向。

3.4 管道的锚定力

管道锚定力由管道专业提供，本项目以每米宽2 kN水平集中力作用于主横梁上。

3.5 风荷载(WL)

根据大量工程经验，对于管架结构，主要是横向风荷载起控制作用。风荷载计算包括管道风荷载、作用在每根纵梁上的风荷载、作用在每榀桁架上的风荷载、作用在每榀柱上的风荷载、以及作用在每支电缆盘支撑桥架上的风荷载。其中每支电缆盘支撑桥架风荷载可按下式计算:

其中，h3为电缆桥架高度，m;le为电缆盘支撑桥架的间距，m;μs4为结构风荷载体形系数，取 1.3。

3.6 地震荷载

本项目中的管架需考虑横向水平地震作用，根据GB 50011—2010建筑抗震设计规范，采用底部剪力法进行水平地震作用计算。结构底部水平地震作用标准值按下式确定:

4 钢管架结构设计

4.1 钢管架的变形及位移控制

根据规范规定，本项目管架纵梁、横梁的允许挠度为1/250，钢桁架的允许挠度为1/500;在风荷载作用下，钢管架沿径向产生的柱顶点位移与总高度之比值不大于1/250。

4.2 结构承载力计算

轴心受压受拉构件的强度计算公式:

其中，N为轴心拉力或轴心压力;An为净截面面积;φ为轴心受压构件的稳定系数;Mx，My分别为同一截面处绕x轴和y轴的弯矩;Wnx，Wny分别为对 x轴和 y轴的净截面模量;γx，γy均为截面塑性发展系数。

4.3 结构建模的注意事项

本管架设计采用STAAD-PRO软件进行建模和计算。建模时最重要的一点是要判断各杆件节点的连接形式是否正确(铰接还是固接)，杆端约束释放是否正确。对软件的计算结果进行分析时，要注意手算复核输入的垂直及水平反力是否与输出的反力符合。

另外要注意的是，STAAD-PRO软件不能自动计算杆件局部受扭的情况，因此对于局部受水平力较大的梁，要单独验算梁及其接头处的抗扭能力。对于在主梁的一边悬挑出支撑梁的情况，要手工复核主梁的抗扭转能力。图1为该项目中钢管架的计算模型。

图1 管架结构模型

5 结语

钢管架设计要力求技术先进、安全可靠、经济合理、确保生产。本文结合实际工程和自己的设计工作经验，对钢管架的结构设计提出了一些建议，主要如下:

1)结构专业在进行管架布置时，要与工艺、管线、总图、仪表、电气等专业进行协调，结合温度区段、道路、地下管网的具体情况，在满足整体结构传力合理性的条件下，合理布置管架的跨度、柱距、水平斜撑和立面斜撑，并且要避免管道与构件的碰撞。

2)选取荷载时，应联系实际并对荷载做合理简化。

3)当对软件的计算结果进行分析时，要注意手算复核输入的垂直及水平反力是否与输出的反力符合。

4)构件设计时，对于纵梁，一般由挠度控制;对于横梁，一般由强度和稳定性控制;对于柱，一般由强度控制;对于水平斜撑一般由长细比控制;对于竖向斜撑，结构受力大时由强度控制，结构受力小时由长细比控制。