钢管架结构设计论文

摘要:介绍了钢管架的结构特点，分析了钢管架结构荷载的计算和选取，明确了结构构件设计计算和控制条件，提出了钢管架结构与相关专业配合的合理性设计方法，使设计人员对该结构达到一个初步认识及参考。

关键词:管架，荷载，结构布置，构件设计

1设计要点

根据工艺要求，在管架上需交叉通行各种管道，并且大直径管道多，管道荷载较大，同时要求管架设置不得有碍于操作及人员通行，便于设备、管道的拆卸、检修。因此，一方面如何考虑管架水平支撑和竖向支撑的整体布置，防止管道与结构碰撞，并满足结构的整体受力合理性的要求，是结构布置的关键;另一方面，如何经济合理的选取梁柱截面，是结构构件设计的关键。

2结构布置

2．1管架的平面布置。1)管架跨度。由管道专业及电气仪表专业依据管道布置确定。2)管架柱距。由管道布置专业确定，但可从结构专业的角度考虑柱距的合理性，若不合理，可向管道专业提出，并共同讨论确定。3)伸缩缝布置。对于较长的管架，要设置温度缝，一般在温度缝处采用双柱。伸缩缝间距:全钢结构或纵梁、桁架采用钢结构，柱采用混凝土结构时不宜大于120m;全钢筋混凝土结构时不宜大于70m。4)横向中间梁布置。管道层次梁间距一般不大于3000mm，当仅支撑大管时，间距可适当加大;支撑电缆层一般不大于2500mm，以满足小管道及电缆的刚度需求，当电气专业选择的电缆盘厚度可满足更大支撑间距要求时，次梁间距可适当加大。5)水平斜撑。与立面斜撑配套布置，对次梁上水平集中力较大的地方(如锚定力等)，适当布置水平斜撑，将水平力传递给主框架系统。2．2管架的立面布置。1)横向。横向主构架通常采用刚接形式，避免使用斜撑，以免妨碍管道布设，并提供管架下方空间供维修或通行之用。对于层数较多且高度较高，负载较大的管架，在不影响维修通行空间的情况下，其横向主构架的最下层应设法设置立面斜撑或角隅斜撑，以减小侧移及柱断面，从而节省钢构材料。2)纵向。为排架方向，梁柱采用铰接形式，侧向支撑系统采用立面斜撑，以便有效传递水平力。立面斜撑设置的位置要配合管线进出的需求，最好能事先协调予以错开。立面支撑的设置宜以4跨～5跨设立一组，每段独立的管架宜至少设置两组(较短的管架也可仅设置一组)。

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。3．2管道重量由管道专业提供的管道空重、管道操作重、管道试水重，分别以均布力或集中力的形式作用于主横梁或次梁上。1)均布力。根据SH/T3055—2007石油化工管架设计规范中6．1．2条，多根密排管道宜按均布荷载计算，当遇有一根管道作用于梁上的荷载大于10kN时，该管道应单独按集中荷载考虑。此外，还应考虑预留管道荷载。管道均布力简化处理如下:对8”及以下的小管，采用均布力的形式作用于主横梁及次梁上，均布力的大小依管道专业提供的荷载条件确定，但对于空重不小于100kg/m2，操作重及试水重不小于200kg/m2(经济设计时不小于150kg/m2)。管道均布线荷载标准值(kN/m)可按下式计算:其中，qv为均布在横梁上的管道垂直线荷载标准值，kN/m;l为横梁间距，m;Fi为某单根管道的垂直荷载标准值，kN/m;L4为管道计算区段长度，m;n为管道计算区段内的管道根数(一般取4根以上)。2)集中力。管道布置(见图1)，对大于8”的大管，采用集中力的形式作用于主横梁上，当主横梁上均布力满布时，要注意扣除大管面积范围内的均布力，即:F=S(W－pD)g。其中，S为管道跨距;W为大管重，kg/m;p为大管所在位置的均布面荷载，kg/m2;D为大管管径。图1管道荷载布置示意图F6F5F4F3F2F1L1LL2L3L4L2L3LF5F6qvLllllllSSSF6F5F6F5F6F5F6F5qvqvqvqvqvqvqvqvqv3．3管道的摩擦力管道的摩擦力由管道专业提供，设计时还没有相应的荷载资料，根据经验近似取管道操作荷载的10%布于主次横梁上，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(见图2)。图2管道摩擦力布置示意图Lq′P2′P1′q′q′q′q′q′q′q′q′q′P2′P1′P2′P1′P2′P1′lllllSSlS3．4管道的锚定力管道锚定力由管道专业提供，若无管道荷载资料时，每层以每米宽2kN水平集中力作用于主横梁上(见图3)。图3管道锚定力布置示意图n@10002kN2kN2kN2kN2kN2kN2kN2kN2kN2kN2kN2kN2kN2kN2kN2kN2kN2kN2kN2kNllllllSSS3．5风荷载(WL)依据HG/T20670—2000化工、石油化工管架、管墩设计规定的4．4节计算，一般管架结构以横向风荷载起控制作用，包括管道径向风荷载、管架柱及纵向构件风荷载。管道风荷载:Wk=μsμzWodld。其中，Wk为管道径向风荷载标准值，kN;μs为风荷载体形系数，单根取0．6;2根取0．9;3根，4根取1．2;不小于5根取1．4;d为管道外径(包括保温层)，多根管道取平均外径，m;ld为前后相邻管架间管道长度之半，m。作用在每根纵梁上的风荷载:WL1=μs1μzWoh1ld。作用在每榀桁架上的风荷载:WL2=μs2μzWoh2ld。作用在每榀柱上的风荷载:Wz=μs3μzWoh3b。其中，WL1，WL2，Wz均为横向风荷载标准值，kN;μs1，μs3均为结构风荷载体形系数，取1．3;μs2为单榀桁架构件的体形系数，μs2=μs，μs为对型钢杆件可取1．3，桁架挡风系数=An/A，An为桁架杆件和节点挡风的净投影面积，m2，A为桁架的轮廓面积，m2，A=h2ld;h1，h2，h3分别为梁截面高度、桁架高度和柱子高度，m;b为风荷载作用方向上的柱截面宽度，m;ld为管道跨度，即柱距(若管架两侧的跨度不等时，取平均值)，m。3．6地震荷载(SL)根据HG/T20670—2000化工、石油化工管架、管墩设计规定，本管架虽然处于抗震设防烈度8度以下地区，但是管架上直径大于500mm的管道多于3根，应进行横向水平地震作用验算;同时管架大于3层也应进行纵向地震作用验算。依据《建筑抗震设计规范》，采用底部剪力法计算。结构底部总水平地震作用标准值:F=αGeq。α=η2αmax(当0．1＜T＜Tg时)。α=(Tg/T)rη2αmax(当Tg＜T＜5Tg时)。

4结构设计计算

4．1管架梁及桁架的允许挠度。依据HG/T20670—2000化工、石油化工管架、管墩设计规定中3．0．9条及表3．0．9，纵梁、横梁的允许挠度为1/250，钢桁架的允许挠度为1/500。4．2管架柱的水平位移。依据HG/T20670—2000化工、石油化工管架、管墩设计规定中3．0．17条规定，钢管架柱沿径向的允许位移值规定如下:1)钢管架柱在风荷载作用下沿径向产生的柱顶点位移与总高度之比值不宜大于1/250;2)钢结构纵梁式、桁架式管廊，如柱顶设有水平支撑时，在风荷载作用下沿径向产生的柱顶位移与总高之比值不宜大于1/200。5结语管架设计要力求技术先进、安全可靠、经济合理、确保生产。钢管架的结构设计需要结构布置要综合工艺、管道和结构专业的要求，使管架的跨度、柱距、水平斜撑和立面斜撑布置满足整体传力合理性的要求。

参考文献:

［1］GB50011—2010，建筑抗震设计规范［S］．

［2］GB50009—2012，建筑结构荷载规范［S］．

［3］GB50017—2003，钢结构设计规范［S］．

［4］SH/T3055—2007，石油化工管架设计规范［S］．

作者:刘心 单位:大唐环境产业集团股份有限公司