热力管与环境温度耦合作用下钢桁架管廊受力分析

赵文剑，邵林海，黄 琮

（华汇工程设计集团股份有限公司，浙江 绍兴 312000）

随着我国工业化水平的不断发展，工厂的建设也大幅增加。为提高工业区土地的利用率，综合管廊就成为各种管线的承载体而得到较为广泛的应用。与地下管廊相比，钢桁架管廊由于施工安装方便，技术成熟可靠，且造价相对较低的特点，在工业区管廊建设中占有重要的地位。

目前，对钢桁架管廊的研究主要集中在结构选型［1］、布置优化［2］、施工［3］和标准化设计［4-6］等方面。由于钢材良好的导热性能，钢桁架管廊的整体受力情况与环境温度密切相关。当管廊内布设有热力管时，管道的温度又会进一步产生温度应力，使结构受力复杂化。然而，对热力管的研究重点关注的是管道本身和支座的受力情况［7-9］，对钢桁架管廊的温度应力，特别是在热力管和环境温度耦合作用下的整体分析还有待进一步深入研究。

本文结合实际工程，采用有限元软件Midas/Civil对钢桁架管廊在环境温度和热力管耦合作用下的受力情况进行分析，给出了不同温度下的受力特点，为承载热力管的钢桁架管廊设计提供参考。

1 工程概况

本文以杭州湾上虞经济技术开发区综合管廊建设工程为背景。管廊采用地上单层钢结构桁架的形式，全长2.7 km。桁架净高为3.0 m，宽度4.3 m。管廊内纳入的管线包括给水管、通讯管线、污水压力管线、电力管线和热力管。其中，热力管型号为DN400。为减小结构温度应力，综合管廊沿长度方向分成24联。其中标准联长度99 m，标准跨径为15 m，在中点和两端设置抗推墩。钢桁架管廊结构布置见图1。

图1 钢桁架管廊结构布置

2 有限元模型

2.1 模型概况与约束

本文选取标准联段为研究对象，采用Midas/Civil建立有限元模型。由于其他管线受温度影响较小，在模型中只对钢桁架和热力管进行建模。杆件和管体均采用梁单元，通过释放梁端转角约束实现桁架受力特征的模拟。有限元模型共包含梁单元854个，节点407个。

热力管与钢桁架下横杆之间采用弹性连接模拟。在抗推墩处，管道与钢桁架固结，模拟固定支座。其他部位释放纵向约束以模拟滑动支座。墩和基础的连接为固支。为缓和热力管温度应力，在第2跨和第5跨设置方形补偿器。整体有限元模型见图2。

图2 标准联有限元模型

2.2 计算工况

结合背景工程所在地的气候状况，本文假定钢桁架和热力管的安装温度为10℃，并以整体升温20℃，管道温度100℃为典型分析工况。

3 计算结果

3.1 结构变形

温度升高时，因构件受热膨胀会引起钢桁架结构整体变形，产生纵向水平位移。典型工况（整体升温20℃，管道温度100℃）下，钢桁架抗推墩的水平位移云图见图3。由图可知，在温度荷载作用下，桁架最大水平位移出现在两端抗推墩的顶部。

图3 典型工况抗推墩水平位移云图

为进一步探明整体升温和管道温度对钢桁架水平位移的影响，图4和图5分别给出了单独考虑整体升温和管道温度时钢桁架管廊抗推墩顶部水平位移。由图4可知，钢桁架管廊水平位移随系统温度的升高呈线性增长，当整体温度上升50℃时，抗推墩顶最大偏移量可达到9.18 mm。

图4 整体升温对钢桁架水平位移的影响

图5 管道温度对抗推墩水平位移的影响

管道温度对抗推墩水平位移的影响也呈线性关系。由于热力管中设置了方形位移补偿器，管体的膨胀位移在补偿器处得到释放，因此对钢桁架管廊水平位移的影响较小。管道温度为200℃时，抗推墩顶最大偏移量仅1.21 mm。

3.2 固定支座水平推力

由于热力管的温度远高于钢桁架，管道沿纵向的变形远大于桁架杆件，在固定支座处必然存在不平衡水平推力。图6给出了在管道温度为100℃时，不同环境温度下抗推墩处固定支座的水平推力。

由图6可知，管道温度为100℃时，抗推墩固定支座水平推力可达到139.9 kN。随着环境温度的升高，水平推力线性减小，当整体升温为50℃时，支座水平推力降为40.7 kN，仅为初始状态的29.1%。这是由于热力管温度由内部介质决定，通常不随环境温度的改变而改变。当钢桁架整体升温时，桁架与管道间的温差减小，两者变形量也逐渐接近。

图6 支座推力随整体升温的变化

3.3 抗推墩构件应力

图7和图8为整体升温50℃时和管道温度100℃时抗推墩杆件的应力云图。由图可知，在升温作用下，抗推墩外侧立柱受压，内侧立柱受拉。和水平位移一样，由于方形补偿器释放了热力管的变形，由管道温度引起的结构应力相对较小，内外立柱最大应力分别为11.5 MPa和-11.7 MPa。整体升温则会在抗推墩立柱中引起很大的应力，内外立柱应力达到133.9 MPa和-195.2 MPa。因此，在高温的夏天，钢结构桁架处于受力不利状态。

图7 整体升温50℃时抗推墩应力云图

图8 管道温度100℃时抗推墩应力云图

4 结 语

本文基于有限元分析，对环境温度和热力管温度耦合作用下，钢桁架管廊的整体受力进行了研究，分析了温度对钢桁架水平位移、管道支座不均匀水平推力和钢桁架杆件应力的影响，可得出如下结论：

1）当温度升高时，钢桁架管廊最大位移出现在两端抗推墩顶部。水平位移随整体升温和管道温度的增大而呈线性增大。由于热力管补偿器的作用，整体升温引起的桁架水平位移占主导地位。

2）热力管固定支座处的水平推力与管道和环境温差有关。随着两者温差的减小，水平推力线性减小。

3）整体升温引起的抗推墩立柱的应力远大于管道温度引起的应力。当环境温度高时，结构应力增长明显。

4）当热力管合理地设置位移补偿器后，环境温度成为钢结构管廊设计时的主要温度荷载。