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第 3 1卷 第 4期 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 2 0 1 0正 8 月 管道支架的合理设计 郭立宏(中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 3 3 0 0 0 2)摘 要 介绍独立式架空管道支架的设计思路、方法；工程实例中刚性活动支架与柔性活动支架的比较表 明，采用柔性活动支架可减小所受的水平推力，提高经济效益；条件许可时，也可采用聚四氟乙烯垫板减小管道与活 动支架间的滑动摩擦力 关键词 独立式架空管道支架；固定支架；刚性支架；柔性支架；摩擦力；变位弹力 中图分类号：T U 9 9 0 3 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 4-4 3 4 5(2 0 1 0)0 4-0 0 4 5-0 4 Rat i o na l De ig n of Pi pe Sup po GU0 L i-h o n g (C h i n a N e r i n E n g i n e e ri n g C o，L t d ，N a n c h a n g,J i a n g x i 3 3 0 0 0 2,C h i n a)Ab s t r a c t De s i g n c o n c e pt a nd me t ho d o f f r e e s t a n di ng o v e r h e a d-pi p e s u pp o r t a r e i n t r o du c e d i n t h i s a r t i c l e I n e ng i ne e rin g e x amp l e s i t i s s h o wn t h r o u g h c o mp a ri s o n b e t we e n ri g i d t r a v e l i n g s u p p o rt a n d f l e x i b l e t r a v e l i n g s u p p o rt t h a t t h e a p p l i c a t i o n o f fl e x i b l e t r a v e l i n g s u p p o r t c a n r e d u c e b o r n e h o ri z o n t a l t h r u s t a n d i n c r e a s e e c o n o mi c b e n e f i t s a n d i f p o s s i b l e P T F E b o a r d c a n b e u s e d t o r e d u c e s l i d i n g f ri c t i o n b e t we e n p i p e a n d t r a v e l i n g s u p p o r t Ke y wo r d s f r e e-s t a n d i n g o v e r h e a d-p i p e s u p p o r t；a n c h o r s u p p o r t；ri g i d s u p p o r t；fl e x i b l e s u p p o r t；f r i c t i o n；r e a c t i n g f o r c e f r o m d i s p l a c e me n t 1 引 言 长距离的架空输送管道在介质和大气温度变化 的作用下，将产生热胀冷缩现象。为适应这种热胀冷 缩的要求，保证管道稳定和满足正常生产的要求，通 补偿 器 接 设备 常每隔一段距离，设置一个固定点，在两个固定点之 间，设置补偿器。这样管道系统就分为若干区段，每个 区段的热胀冷缩能量 由这一段的补偿器吸收，活动支 架所受的力也通过该段管道传给固定支座，整个系统 就成为一个稳定的系统。架空管道及支架系统常见的 布置如图 1 所示。固定支架 活动支架活动支架 活动支架 活动支架 活动支架 活动支架 固定支架 活动支架 活动支架 图 1 管架系统示意 2 管道支架分类及设计 2 1 管道支架的分类及管道支架所受的纵向水平力 管道支架按材料分有钢筋混凝土结构及钢结构；按外形分有 T 形、兀形、单层、多层、单片、空间等。管架 最基本的分类应按管道对变形的适应能力分为：固定 支架、活动支架和摇摆支架。其中摇摆支架对管道的 变形适应能力最强，因而最为经济。但摇摆支架制作 较麻烦，半铰l生 能可靠度不足，且半铰构配件老化后更 换困难，在工程中已经较少采用，故本文不再讨论。固定支架在竖向、纵向(沿管道轴向)及横向(沿 收稿 日期：2 0 1 0-0 6-1 7 作者简介：郭立宏(1 9 6 5 _ _)，女，高级工程师，主要从事结构设计与研究工作。4 6 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 第 3 1卷 管道径向)均限制管道的位移，以保证管道系统的稳 定。其所受的纵向水平力通常由 3 部分组成：(1)区段活 动支架对管道作用反力的合力；(2)伸缩节的反力；(3)管 道的不平衡内压力。应当注意，对固定支架来说，计算单 元为两伸缩节之间的区域。第 1 项可 由结构专业计 算，其余两项应由工艺专业提供。活动支架只是在管道竖向、横向限制其移动，纵 向移动是允许的。活动支架又分刚性支架和柔性支 架。从构造上看，刚性、柔性活动支架是一致的，即柱底 固定，柱顶 自由。但刚性管架的纵向刚度较大，管架的 变形不能适应管道受热变形的需要，管道与管架顶部 接触面产生相对位移，因而它承受的管道移动产生的 水平摩擦力 P为最大摩擦力：尸 (1)式中：P m 为管道与支座间的最大摩擦力；为管道问 的相互牵制系数，查有关手册提供 的相应表格(如文 献 1】表 5 3)；G为作用在 1 个管架顶上的总计垂直荷 载；为管道与支座问的摩擦系数。而柔性管架刚度较小，当管道与支架之间还没达 到最大摩擦力时，管架已和管道一起变形，管道作用 在其顶部的荷载变位弹力 为 P F 爿 (2)式中：E为支架柱材料的弹性模量；，为支架柱沿管轴 向的截面惯性矩；n 为管架柱的根数；为管架高度；为主要热管道在所计算管架顶处的热变形值。,h L=a A t L (3)式中：为管道的线膨胀系数；zX t 为管内介质的最高 温度溅最低温度1 与安装管道时大气温之差；为管道 固定点至所计算的管架顶之间的距离。对矩形断面的管道支架来说，根据上面公式，可 以推出以下判断公式：P,P m，即 时，管架为柔性活 动支架；当，即 一3、E h n A L 时，管架为刚性活 D V斗b“动支架。式中：b 为支架柱沿管轴向的宽度；|ll 为支架柱沿管径 向的宽度。刚性活动支架和柔I生活动支架计算简图见图 2 3。：I：2-2 管道支架所受的垂直力 固定支架竖向荷载、径向荷载的计算方法与活动 支架相同。对输液管道，竖向荷载包括管道 自重(含保 温层)、管内输送介质重以及 施工试压阶段的液体重量。G=I 2 2(q=+q 叼+g 式中：1 2为荷载系数；q 为管道 自重，k N m；q 为管道 保温层重，k N m；口 为管道内输送的液体重量，k N m；L 为管道支架间距；G为作用在 1 个管道支架上的垂直 荷载设计值。对输气管道 G-1-2 白 棚 式中：钆为管道内冷凝液的重量，k N m。2 3 管道支架所受的径向水平力 管道支架所受的径 向水平力主要包括：(1)管道 所受的风荷载。它作用在管道中心线上，并以集中力 加弯矩的形式传给支架。(2)纵梁式管架纵梁所受的风 荷载。对独立管架来说，柱子所受的风荷载一般可忽 略不计，但纵梁式管架要考虑作用到纵梁上的风荷载。(3)地震区管道所受的水平地震力。2 4 管道支架的荷载组合(表 1)表 1 荷载组合 霄遭工作状态 荷载 荷载组合 -w-、+太垂直荷载 管道 自重(含保温层)、试压水重 佤雎 忿水平荷载 管道轴 向的水平荷载、径向风荷载 2 5 长细比的控制 支架设计时，除了满足强度稳定的计算要求，还 要满足长细比的构造要求，单层独立式管架的计算长 度及长细比如表 2所示。2 6 管道支架的基础设计 常用的管架基础有素混凝土刚性基础或杯型基 础、钢筋混凝土独立基础或杯型基础、桩基础。管架由 于受到的水平荷载大，垂直荷载小，偏心距往往超出基 础的核心范围。因此偏心率按表3 控制。3 管道支架的合理设计 应注意区分固定支架和刚性支架的概念。固定支 第 4期 管道支架的合理设计 4 7 架(常用四根柱子加斜撑组成)本身的横向和纵向变 形是很小的，而管道与其固定，不能发生相对位移，是 整个管道系统稳定的保证。根据不同管道直径，伸缩 节要求较长距离才设定一个，管道对其主要作用力为 该区段活动支架对管道作用反力的合力加上伸缩节 的反力及补偿力。刚性支架是活动支架中的一种，本 身在顶部有一定的变形。而且管道可在管架上滑动，和管架有相对变形，故管道对管架的主要作用力为摩 擦力。表 2 单层管架的计算长度及长细比 注：日为管架柱的高度；如为管架柱的计算高度系数；为钢柱最小回转半径；6混凝土柱高或宽。系数(1 2 5 1 5)根据管道的纵向刚度定，管道直径 大，根数 多取 1 2 5 否则取 1 5。对钢结构管架来说，如果是非震动且竖 向荷载较小管架，现场制作、安装条件又有保证，可将允许长细 比放大到 2 5 0-3 0 0，但需通过仔细的强度及稳定性计算。表 3 基础的允许偏心率 抱 箍固定 注：4、B为基础边长；e 为 偏心距；e =M N=M X。从图 1 可以看 出工程中 8 0 以上的支架是活动 支架。现实设计中，设计人员常把活动支架都设计成 刚性支架。根据刚性支架和柔性支架 的概念，采用柔 性活动管架更为经济，对长距离输水管道尤其有意 义。下面以工程实例说明：某常温工作的高架输水管道，公称直径 8 0 0 m m，管中心距地面 7 5 m；管重 1 5 9 k N m，充满水时，水重 5 0 2 k N m；采用 T形钢筋混凝土独立活动支架，跨度 1 4 m 支架柱高 8 m；安装时温度 5，运行时管内水 温最高达 5 0 oC；支架顶部做成 u型槽，加卡箍限制钢 管的径向移动，并用橡胶衬垫，如图 4、图 5 所示。钢管 与橡胶之间的摩擦系数取 0 4，混凝土的弹性模量 E c=0 8 5 x 2 5 5 X 1 0 4 N mm 2，钢管在常温下的线膨胀系数：1 1 9 x 1 0 c m (m o c)。风荷载 5 0 k N m2,z=1，s=1 2，Wk=1 1 2 x 0 5-0 6 k N m2,=1 4x W k x Dx L=1 4x O6x 0 8 x 1 4=9 4 1 k N，=x -o=9 4 1 x 8 5=8 0 0 k N m。(Ho 为管中心距基础顶的高度。)补偿器 图 4 输水管架立面示意图 图 5输 水管 架 图 根据公式(1)、(2)分两种方案(方案一柱尺寸 6 0 0 x 6 0 0 m m2，方案二柱尺寸 5 0 0 x 5 0 0 mm 2)计算，结果 见表 4 5。从表 4 5可以看到，柱截面由 6 0 0 x 6 0 0 mm 2 改为 5 0 0 5 0 0 mm 2 时，体积减少 了 3 0 5，由刚性活动支 架改为柔性活动支架，受力大大降低，不仅节约柱的混 凝土用量，钢筋用量及基础面积也可大大减少，当支柱 数量多或支柱高时，取得的经济效益是很可观的。设计柔性支架时应注意，与固定支架距离不同的 位置由于，J 值 不一样，根据公式(2)，管道对柔性支架 的推力是不同的，应分组设计。如表 4中=5 6 m与：2 8 m水平力相差倍。另一种有效方法是减小水平摩擦力，以前常常采 用低摩擦系数的滚动支座。由于滚动支座的滚轴在长 时间的使用过程中容易生锈。阻碍滚轴的滚动影响滚 接设备 4 8 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 第 3 1 卷 动摩擦的效果，因此 目前很少采用滚动支座。为了解 决滚动支座中出现的问题，并同时达到滚动支座低摩 擦系数的效果，目前常常采用聚四氟乙烯滑动支座 即 在钢板之间的滑动面上涂上聚四氟乙烯材料，或预埋 高的承载能力 其滑动支座不但滑动摩擦系数在0 1 0 以下(当施工安装有保障时，可达 0 0 6；而钢板之间的滑 动摩擦系数为0 3 0)，而且具有较长的使用寿命。所以 尽管聚四氟乙烯滑板本身价格较高，但在有条件使用 聚四氟乙烯板。由于聚四氟乙烯具有低摩擦系数和很 的情况下，还是能明显降低工程的造价。表 4 支架刚柔性判别及内力计算结果 表 5支架的配筋及基础计算结果(a)水平拐弯 垂直升高跨越 图 6 管道拐弯处变形示意 4 固定支座和伸缩节的合理设置 5 结束语 固定支座的间距应根据伸缩节的类型和管道 的 直径及当地气温确定，有关手册上也提供了一些表格 供查用，工艺或土建工程师常常不查资料凭估计确 定，这是不对的。土建工程师常犯的错误还有：在二个 固定管座之间不设补偿器，通常也是不允许的。但下 列两种情况例外，即含水平拐弯的管道或垂直升高的 跨越的管道，如图 6 所示，这些管道的变形可以起到 替代补偿器的作用。设计架空式独立管架系统时，除了合理地布置固 定支 架、活动支架和补偿器外 还应注意 尽量采用柔性 活动支架，它不仅“苗条美观”，而且经济合理；条件许 可时，也可采用聚四氟乙烯垫板。参考文 献 1 国振喜，曲照嘉管道支架设计手册【1】北京：中国建舡业出版社，l 9 9 8 业坐 螺 j 毒 业业 夸 船 坐 业 业啦 j r 业 j 坐 业业j j 坐 业坐 I 业(t 2 接第 4 4页)毛白杨、蚊母树等，以改善景观，减少废气、臭味对周围 环境的影响。f 2 1 线，即主要考虑场外、场内运输道路是一条活 动的污染带。设计计划在各条道路的沿线两侧种植双 排行道树，在道路边坡进行植草绿化。f 3 1 面，即对填埋场区内的填埋库区和调节池进行 全投影面的绿化。在保护好填埋场四周已有植被的同 时，在填埋场已形成的最终平面及边坡上及时植草皮 和灌木，以防止覆盖土的裸露。在填埋场封场后，其终 场顶面可铺砌草皮，并以 1 0 m x l O m的间距网格种植 乔木，当经过一定年限，垃圾达到稳定化、无害化之后，可种植在当地可以生长的各类净化空气的植物，达到 品种多样化。渗沥液调节池四周拟种植高大乔木作为 隔离带。4 结 论 填埋场的总体布置是否合理直接影响到整个填 埋场的建设投资、运营成本，要结合填埋场类型、工艺 要求、气象和地质条件等因素经过技术经济比较确定，使垃圾填埋场运营达到最佳使用要求。参考文献【1 C J J 1 7-2 0 0 4，生活垃 填 【2 G B J 2 2-8 7，厂矿道路设计规范