一、管道布置

 

 管道的合理深化和布置是管道支吊架設(shè)計(jì)的前提。為了設(shè)計(jì)安全、經(jīng)濟(jì)、合理、整潔、美觀的管道支吊架，首先需要合理布置管道，并考慮以下參數(shù):

1.管道布置設(shè)計(jì)應(yīng)滿足各種工藝管道和系統(tǒng)流程的要求；
2.管線布置要統(tǒng)籌規(guī)劃，做到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理，滿足施工、運(yùn)行、維護(hù)要求，力求整齊美觀；
3.確定管道進(jìn)出裝置(單元)的朝向和敷設(shè)方式時(shí)，應(yīng)做到內(nèi)外協(xié)調(diào)；
4.管道應(yīng)成排布置，成排管道之間的凈距(保溫管為保溫管之間的凈距)不應(yīng)小于50毫米。
5.對(duì)距離、角度、高差等有特殊要求的管線布置。、以及輸送介質(zhì)的大直徑管道應(yīng)滿足設(shè)備布置設(shè)計(jì)的要求，力求短而直，不交叉；
6.地面管線應(yīng)敷設(shè)在管架或橋墩上。在管架或墩上敷設(shè)管道時(shí)，管架或墩的垂直荷載和水平荷載應(yīng)平衡；
7.管道布置應(yīng)使管道系統(tǒng)具有必要的靈活性。在管道柔性及管道對(duì)設(shè)備和泵噴嘴的力和力矩不超過允許值的空轉(zhuǎn)條件下，管道應(yīng)最短，部件應(yīng)最少；
8.管線規(guī)劃時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮支撐點(diǎn)的設(shè)置，管線應(yīng)盡可能靠近可靠的支撐點(diǎn)布置，但管線外表面與建筑物的最小凈距不應(yīng)小于100mm，并盡可能考慮管線的自然形狀，實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)償；
9.管道布置宜“循序漸進(jìn)”或“循序漸進(jìn)”，減少氣囊或液袋。如果不可避免，應(yīng)根據(jù)操作和維護(hù)的要求進(jìn)行設(shè)置。

 

 二、管架跨度

 

 管架的跨度直接決定了管架的數(shù)量。跨度過小導(dǎo)致管架過密，增加管架數(shù)量，增加成本。因此，在保證管道安全和正常運(yùn)行的前提下，需要盡可能增加管道的跨度，降低工程成本。然而，管架跨度受管道材料、截面剛度、管道的其他載荷和允許撓度等的影響。，所以不可能無限擴(kuò)大。因此，在設(shè)計(jì)管道支吊架時(shí)，應(yīng)先確定管架的最大跨度，并根據(jù)強(qiáng)度和剛度條件分別計(jì)算管架的最大允許跨度，取最小值作為推薦的最大允許跨度。

 

 1.根據(jù)強(qiáng)度條件計(jì)算管架最大跨度的公式:

 LMAX-管架的最大允許跨度(米)

 

 Q——管道長度的計(jì)算荷載(N/m)，q=管道重量+保溫重量+附加重量。

 

 w-管段彎曲系數(shù)(cm3)

 

 φ ——管道橫向焊縫系數(shù)，0.7。

 

 [δ]t鋼管許用應(yīng)力-鋼管許用應(yīng)力(N/mm2)

 

 2.根據(jù)剛度條件計(jì)算管架最大跨度的公式:

 

 

 LMAX-管架的最大允許跨度(米)

 

 Q——管道長度的計(jì)算荷載(N/m)，q=管道重量+保溫重量+附加重量。

 

 et-剛性彈性模量(牛頓/平方毫米)

 

 I——管段慣性矩(cm4)

 

 I0——管道排水坡度，0.002。

 

 3.例:48K離心玻璃棉保溫，50mm保溫厚度的冷凍水管為φ325×8無縫鋼管。最大允許管道間距是多少？

 

 管道長度負(fù)荷

 

 q = 7850×3.14×0.008×(0.325-0.008)+1000×3.14×(0.325-0.008×2)2/4+48×3.14×0.05×(0.325+0.05)= 140.29kg/m = 1402.90N/m

 

 查看相關(guān)信息:

 

 截面彎曲系數(shù)W=616 cm3

 

 鋼管許用應(yīng)力[δ]t =112

 

 截面慣性矩I=10016 cm4

 

 彈性模量Et=2.1×105牛頓/平方毫米

 

 根據(jù)上述公式，分別計(jì)算強(qiáng)度條件下的Lmax1=13.14m。

 

 根據(jù)上述公式，分別計(jì)算了剛度條件下的Lmax2=27.40m。

 

 取最小值，該管道最大允許管間距為13.14米

 

 4.根據(jù)《通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB50243-2002等相關(guān)規(guī)范規(guī)定的管道支吊架最大間距確定管道最大允許跨度。

 

 表9.3.8鋼管支吊架最大間距

 

 

 三.管架分析

 

 1.管道支吊架介紹

 

 用于支撐管道的結(jié)構(gòu)稱為管道吊架。鋪設(shè)管道時(shí)，必須固定或支撐管道。用于固定或支撐管道的部件是吊架。管道支吊架一般由管座、管道支撐柱或管道支撐吊架(簡稱柱或吊架)、管道支撐梁(簡稱梁)和支撐節(jié)點(diǎn)組成。

 

 

 2.管道支架載荷分析

 

 (1)垂直載荷

 

 管道支吊架的豎向荷載按性質(zhì)可分為基本豎向荷載和可變豎向荷載，其中基本豎向荷載是指管道重量、介質(zhì)重量、保溫層重量等由管道支吊架承擔(dān)的永久荷載?？勺冐Q向荷載是指管道承受的活荷載、泥沙的重力以及地震時(shí)應(yīng)承受的特殊變化的荷載。由于可變豎向荷載無法準(zhǔn)確計(jì)算，我們將管架和吊架的基本豎向荷載乘以一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)(一般為1.2~1.4)作為管架豎向的計(jì)算荷載。

 

 為了計(jì)算管道支吊架的基本垂直載荷，可以將復(fù)雜的管道支撐系統(tǒng)近似為簡支梁。根據(jù)應(yīng)力分析，管架B的基本豎向荷載為GB' = (GL1+GL1)/2。

 

 由于一個(gè)工程中管道支吊架的種類很多，不可能一一計(jì)算。因此，我們只需考慮同類型支架的最不利受力情況，按管道支吊架最大允許跨度計(jì)算最不利支架。此時(shí)我們只需要計(jì)算最大允許跨度為l的管道、介質(zhì)和保溫層的重力GB。

 

 重力方向的計(jì)算荷載為G=αGB(α=1.2~1.4)

 

 (2)水平荷載

 

 管道的水平荷載是作用在管架上的水平推力，按支撐類型可分為活動(dòng)管架上的水平推力和固定管架上的水平推力。

 

 A.活動(dòng)管架的水平推力主要來自管道摩擦，吊桿的水平推力可以忽略；

 

 水平推力為管道摩擦力f=μG (μ為摩擦系數(shù)，G為管道垂直載荷)

 

 B.固定支架的水平推力主要來自補(bǔ)償器的彈性變形力。

 

 對(duì)于補(bǔ)償器補(bǔ)償?shù)墓艿?，作用在固定管架上的水平推力是補(bǔ)償器被壓縮或拉伸時(shí)產(chǎn)生的反彈力。

 

 水平推力=補(bǔ)償器的回彈力T = η δ L (η為補(bǔ)償器的彈性模量，δ L為補(bǔ)償器的變形長度)

 

 自然補(bǔ)償管道利用管道自然彎曲形狀的靈活性來補(bǔ)償管道的熱脹冷縮位移，如圖所示。

 

 

 固定支架變形管長度為L，補(bǔ)償臂長度為Lb。

 

 管道的安裝溫度考慮為t1℃，管道的工作溫度為t2℃，因此鋼管制成的管道在溫度變化下會(huì)縮短δ L = α× δ T× L(其中α為鋼管的線膨脹系數(shù)，δ T為溫差，L為固定支架變形管道的長度)

 

 因此，作用在管道補(bǔ)償上的推力為T = 3δLEI/Lb3(E為管道的彈性模量，I為管道的慣性矩)。

 

 四.管道支架應(yīng)力計(jì)算實(shí)例

 

 根據(jù)上述管架受力分析，現(xiàn)采用上海環(huán)球金融中心低區(qū)空調(diào)水主管道進(jìn)行分析計(jì)算。

 

 如下圖所示，有兩根DN400冷水管，管材為無縫鋼管φ426×9，工作溫度為7-14℃。2根DN200熱水管，無縫鋼管φ219×6，工作溫度50-55℃，1根DN100蒸汽管，無縫鋼管φ108×5，工作溫度108℃，請分析一下該管組防搖支架的受力情況。

 

 

 根據(jù)規(guī)范，由于DN100的管架最大跨度為5m，因此該管組中設(shè)置的共用支架最大跨度為5m，因此管架的受力按最不利情況進(jìn)行分析，支架間距為5m。

 

 1.管道垂直方向荷載的計(jì)算

 

 (1)DN400單管作用在管架上的計(jì)算荷載dn 400單管豎向基本荷載(支吊架間距為5m)鋼管重量= 7850×(0.426-0.008)×0.008×5×3.14×9.8 = 4039n
保溫重量= 48×(0.426+)×0.05×5.14×9.8 = 176N中重量= 10000 單根DN400冷水管道的計(jì)算荷載g400 =(4039+176+6466)×1.35 = 14420n

(2)單根DN200管道在管架上的計(jì)算荷載dn200單根管道在垂直方向上的基本荷載(支吊架間距為5米)鋼管重量= 7850×(0.219-0.00)×0.006×5×3.14×9 單根DN200熱水管道的計(jì)算荷載g200 =(1544+100+1649)×1.35 = 4446n
(3)單根DN100管道在管架上的計(jì)算荷載dn100單根管道在垂直方向上的基本荷載(支吊架間距為5m)鋼管重量為7850×(0.108-0.005)×0.005×5×3.14×9 )單根DN100蒸汽管道的計(jì)算負(fù)荷G100=(623+59+370)×1.35=1421N2。
管道水平方向的計(jì)算載荷是管道在管架上的滑動(dòng)摩擦力，因?yàn)楣芗苁且粋€(gè)可移動(dòng)的支架。
水平推力t400 = f400 =μg400 = 0.3×14420 = 4326 ndn 200水平推力t200 = f200 =μg200 = 0.3×4446 = 1334 DN400水平推力T100=0

 

 3.管道支架應(yīng)力圖

 

 

 動(dòng)詞 （verb的縮寫）管道支撐梁選擇

 

 根據(jù)管道支撐梁的受力分析，管道支撐梁在管道重力或推力作用下可能出現(xiàn)兩種現(xiàn)象，一種是管道支撐梁會(huì)沿受力方向剪切，另一種是管道支撐梁會(huì)沿受力方向過度彎曲變形，嚴(yán)重彎曲斷裂。因此，管架梁的合理選擇是使管架梁剛好滿足梁的彎曲和剪切要求。

 

 1.管道支撐梁的內(nèi)力分析

 

 管架假定為剛性結(jié)構(gòu)的簡支梁。根據(jù)管架梁的豎向力和水平力，按平面簡支梁分析管架梁的內(nèi)力，根據(jù)靜力方程得到管架梁的內(nèi)力，繪制梁的剪力圖和彎矩圖，得到最大剪力和彎矩。

 

 根據(jù)上例中管架的應(yīng)力分析

 

 

 管道支撐梁垂直方向最大彎矩為17715n·m，最大剪力為24843n·n。

 

 管道支撐梁水平方向最大彎矩為3155n·m，最大剪力為5521n·n

 

 2.管道支撐梁選擇

 

 (1)管道支撐梁抗彎強(qiáng)度計(jì)算

 

 計(jì)算出管架梁的最大彎矩后，管架梁的材料規(guī)格和型號(hào)按以下公式選擇:

 

 

 式中:rx，RY-截面塑性發(fā)展系數(shù)，一般型鋼為1.05。

 

 Mx，MY-檢查梁截面繞X軸和Y軸的最大彎矩(n m)。

 

 Wnt，Wny——X軸和Y軸檢查梁截面的截面系數(shù)(cm3)

 

 σ ——鋼的抗拉強(qiáng)度，型鋼一般為210MPa。

 

 通過檢驗(yàn)算法將初步估算的型鋼規(guī)格對(duì)應(yīng)的截面系數(shù)代入上述公式進(jìn)行驗(yàn)算，滿足該公式的型鋼可作為管架梁的替代材料?，F(xiàn)在，以上例中的管架為例，根據(jù)管架梁的最大彎矩，選擇管架梁的材料:

 

 管道支撐梁選擇計(jì)算表

 

 

 根據(jù)管架選梁計(jì)算表，角鋼200×18、槽鋼280c、工字鋼25a、工字鋼150×150×7×10或兩個(gè)角鋼160×14、兩個(gè)20a槽鋼150×150×7×10均滿足彎矩承載要求。由于工字鋼150× 7× 10所占比例最小，我們在經(jīng)濟(jì)上暫定工字鋼150× 10。

 

 (2)檢查管道支撐梁的抗剪強(qiáng)度

 

 根據(jù)管支撐梁的抗彎強(qiáng)度，需要檢查是否滿足管支撐梁的抗剪要求。參照以下公式檢查管道的剪切力。

 

 

 其中:τ-剪切強(qiáng)度

 

 Vx，Vy——梁在X軸方向和Y軸方向上的最大剪力(n)。

 

 S——梁的橫截面積(m2)

 

 σv——鋼的抗拉強(qiáng)度，一般型鋼為160MPa。

 

 參照上述例子，檢查所選管架梁的抗剪能力。

 

 

 因此，改性型鋼能夠滿足抗剪要求，因此管支撐梁采用H型鋼150×150×7×10。

 

 不及物動(dòng)詞管道支撐柱選擇

 

 根據(jù)管架梁的受力分析，為了滿足管架梁的管道重力和水平推力之間的平衡，管架柱(或吊桿)給管架梁一個(gè)反作用力，以保持管架梁和梁上管道之間的平衡。根據(jù)我們梁的反作用力，選擇管道支撐柱(或吊桿)。根據(jù)分析，管道支撐柱上有兩個(gè)力，一個(gè)是垂直拉力(或壓力)，另一個(gè)是水平推力。

 

 1.管道支撐柱截面計(jì)算公式

 

 S=1.5R/(0.85σ)，其中S為管道支撐柱的最小截面積，R為管道支撐柱的豎向拉力或壓力，σ為鋼材的抗拉強(qiáng)度，一般型鋼為210MPa。

 

 因此，上例中管架立柱的最小橫截面積為

 

 S=1.5×21843/(0.85×210)=184mm2

 

 2.管道支撐柱彎曲計(jì)算

 

 類型:

 

 R——截面塑性發(fā)展系數(shù)，一般型鋼為1.05。

 

 F——管道支撐梁作用在管道支撐柱上的水平支撐反力n

 

 H——管道支撐梁距支撐點(diǎn)的高度

 

 W——管道支撐柱最小截面系數(shù)(cm3)

 

 σ ——鋼的抗拉強(qiáng)度，型鋼一般為210MPa。

 

 因此，上例中管道支撐柱的最小截面系數(shù)為

 

 w = 1.5×5521×1/(0.85×1.05×210)= 44 cm3

 

 檢查型鋼規(guī)格表，使所選型鋼的截面積大于184mm2，其截面系數(shù)必須大于44cm3。為了管架的整體協(xié)調(diào)，管架柱和管架梁也采用了相同規(guī)格的H型鋼，150×150×7×10。