钢结构管廊涉及常见问题解析

钢结构管廊设计常见问题解析
摘要在对钢结构管廊的设计和校核工作中，发现很多在设计中容易疏忽或出现错误的地方，按结构基本布置、荷载、结构构件计算和连接节点计算四个方面总结和分析常见的问题。

关键词常见问题解析钢结构管廊设计
在相邻独立式管架间设置纵向联系构件，如纵梁或桁架，所构成空间体系称为纵梁式管廊。

若结构构件采用型钢，就是通常所说的钢结构管廊，它是一种广泛应用于冶金、石油化工等行业的管道支撑结构。

由于钢结构具有易于工厂加工、安装速度快、构件断面相对较小等优点，使钢结构管廊得到越来越广泛的应用。

通过对钢结构管廊的设计和校核工作，发现很多在设计中容易疏忽或出现错误的地方，按结构基本布置、荷载、结构构件计算和连接节点计算四个方面总结和分析常见的问题。

管廊的水平外力通过纵梁传递到垂直支撑，进而传到柱和基础。

设计经验不足的设计人员往往只考虑结构本身来布置垂直支撑。

这样可能会产生很多问题：如水平力传递路径过长、与管道碰撞或产生较大的温度应力等。

1 结构基本布置
1．1 最小净空
1．1．1 原因分析
由于管廊跨越道路或铁路时，跨度比较大，一般需要采用桁架，而管道专业条件中往往只提管道底标高即结构的顶标高，若采用桁架上弦支撑管道，下弦离路面或轨顶的距离可能就满足不了最小净空的要求。

最小净空要求见《化工、石油化工管架、管墩设计规定》HG／T 20670—2000(以下简称《设计规定》)。

1．1．2 解决方法
若采用上弦支撑管道导致下弦至道路中心或铁路轨顶净空不足时，可采用桁架下弦支撑管道。

若净空仍不满足，则应要求管道专业修改管底标高。

该问题一定要特别注意，否则等钢结构安装好之后再修改就会十分困难。

1．2 垂直支撑布置
1．2．1 原因分析
管廊的水平外力通过纵梁传递到垂直支撑，进而传到柱和基础。

设计经验不足的设计人员往往只考虑结构本身来布置垂直支撑。

这样可能会产生很多问题：
如水平力传递路径过长、与管道碰撞或产生较大的温度应力等。

1．2．2 解决方法
垂直支撑应尽量布置在水平推力较大处，一般情况下为大管道固定点处，这样可以使水平力的传递路径尽量短；还要考虑管道和设备的布置等，尽量避免碰撞；另外，垂直支撑应尽量靠近管廊中部对称布置，以最大程度减小温度应力。

2 荷载
2．1 垂直管道荷载
2．1．1 原因分析
若管道条件中只提出了管道纵向1延米的重量或一层横梁上的均布荷载，设计人往往会根据次梁的布置按面积考虑荷载传递，见图1。

而实际上管道的荷载传递是与管道的跨度和支撑位置密切相关的。

一般管廊的纵向柱距为6～9m，直径稍大的管道都可以直接跨越而不需要在次梁上再设支撑。

如果按主、次梁的跨距均分管道荷载，主框架梁的计算是偏于危险的。

2．1．2 解决方法
由于荷载的传递是与管道的支撑位置密切相关的，所以要求管道条件中要体现出管道、特别是大直径管道的支撑位置。

而当管廊上支撑的小直径管道较多时，要求管道专业提出每一根管道的支撑位置往往是不现实的，在这种情况下就要让管道专业提出一个荷载传递的原则，如有多少比例的管道需要在次梁上设支撑。

如果管道专业提不出，只能按所有的管道在主梁上支撑来计算，这样对主梁来说是偏于保守的，但用于计算主框架梁柱和基础还是可行的。

2．2 荷载分项系数
2．2．1 原因分析
按《建筑结构荷载规范》取值，恒载分项系数取1．35，活载分项系数取1．4。

2．2．2 解决方法
按《设计规定》第7．0．2条取值，恒载分项系数取1．2，活载分项系数取1．3。

2．3 竖向电缆桥架产生的风荷载
2．3．1 原因分析
有人认为电缆桥架对结构产生的风荷载可以忽略，实际上，当竖向电缆桥架高度较大且数量较多时，风荷载将对整个结构和局部构件产生较大影响，特别是
在风荷载较大的地区，往往会导致结构计算偏于危险。

2．3．2 解决方法
电缆桥架对结构产生的风荷载需按《建筑结构荷载规范》进行计算，对于直接承受电缆桥架的构件，必要时需要打水平支撑。

2．4 管道内介质重
管道内介质重按活载输人，在进行抗震验算时活载又取了0．5的折减系数。

2．4．1 原因分析
管道中的介质重量通常应按恒载输人，有些设计人员不了解程序在进行地震作用验算时，竖向活载要乘以0．5的折减系数，从而导致结构计算不安全。

2．4．2 解决方法
管道中的介质重按恒载输人进行计算。

3 结构构件计算
3．1 水平摩擦力
管廊框架横梁计算未考虑管道水平摩擦力作用或摩擦力取值错误。

3．1．1 原因分析
管廊框架横梁在管道荷载作用下通常都是双向受弯构件，少数没有经验的设计人员往往不知道要考虑管道对横梁的摩擦作用，只考虑了垂直力和管道提出的水平外力等，但更常见的是不知道如何计算摩擦力。

3．1．2 解决方法
管道与结构之间的相互作用是_个十分复杂的问题，要精确计算是十分困难甚至不太可行的。

对于工程设计来说，可按下式计算管道对横梁产生的摩擦力：
m j F =K G μ⨯⨯
式中，Fm 为管道对横梁产生的摩擦力；Ki 为管道牵制系数； 为管道与钢梁之间的摩擦系数；G 为垂直荷载。

算出垂直方向和水平方向的弯矩后按《钢结构设计规范》GB 50017—2003(以下简称《规范》)中下述公式计算横梁的整体稳定
性。

x b x y y M /W +M/W f μγ≤（）（）
式中，M M 为构件同一截面处绕强弱轴的弯矩；(pb 为绕强轴所确定的梁整体稳定系数；7为截面塑性发展系数。

3．2 轴向J 立力
3．2．1 原因分析
管廊纵梁除支撑次梁、管道外，还要将管道或其他作用产生的水平推力传递到垂直支撑。

当水平力较大时，纵梁的轴力往往是不能忽略的。

在用PKPM 建模计算时，程序只按下述公式来验算梁，轴力并没有体现出来，这样是偏于危险的。

x b x y y y M /(W )+M /W f ϕγ≤（）
3．2．2 解决方法
《设计规定》中第8．2．11条中规定纵梁应按拉弯或压弯构件计算。

计算公式按《规范》5．2．1条的下述公式来计算。

n x x x y y y N/A +M /W +M /W f ϕγ≤（）（）
式中，N 为所计算构件段范围内的轴心内力；为构件净截面面积。

．
3．3 固定架处柱的双向受力
3．3．1 原因分析
有些设计人员认为只要纵横两个方向分别用PK 计算没问题就可以了，实际上在固定架处，在纵向最不利荷载组合下，管廊柱在恒载和活载作用下，横向仍可能存在弯矩和剪力，忽略了横向的力将导致柱子计算不安全。

3．3．2 解决方法
柱按双向受力计算，将纵向最不利荷载组合下产生的应力值与横向恒载、活载作用下产生的应力值取最不利位置进行叠加。

3．4 柱的计算长度
管廊纵向按无侧移框架计算时，柱的计算长度按程序默认值而没有做必要的修改。

PKPM程序默认的柱计算长度都取两个节点之间的距离，但有时节点的位置并不能成为阻止柱子位移的有效支撑点，见图2。

图2 管廊纵立面图
3．4．2 解决方法
按《规范》第5．3．7条规定：框架柱沿房屋长度方向(在框架平面外)的计算长度应取阻止框架柱平面外位移的支承点之间的距离。

如图2中①、②柱的计算长度都应取H而非程序默认的H1和H2。

3．5 单角钢受压构件长细比
计算单角钢受压构件长细比时，未采用角钢的最小回转半径，而采用了与角钢肢边平行轴的回转半径。

有些设计人员认为角钢只会在与角钢轴平行的平面内发生屈曲。

3．5．2 解决方法
按《规范》5．3．8条注2：计算单角钢受压构件的长细比时，应采用角钢的最小回转半径，但计算交叉点相互连接的交叉杆件平面外长细比时，可采用与角钢肢边平行轴的回转半径。

3．6 钢梁上翼缘受较大集中荷载
当钢梁上翼缘受较大集中荷载时(如支撑大管径的液态介质管道)未设置横向加劲肋，且未进行该处腹板的局部承压强度验算。

3．6．1 原因分析
有些设计人员会认为只要程序计算通过就可以了，而忽略了此处的局部承压验算，梁可能会因为局部承压强度不够而发生破坏。

3．6．2 解决方法
当钢梁上翼缘受较大集中荷载时，宜在该处按构造设置横向加劲肋，并按《规范》第4．1．3、4．3．2、4．3．6和4．3．7条要求进行局部承压验算。

3．7 结构构件的挠度超过限值
3．7．1 原因分析
设计经验不足的设计人员通常只注意结构构件的应力计算，而没有注意到《设计规定》中对构件挠度的限制。

管架的挠度主要应满足管道要求，防止管道挠度过大发生积液导致流阻加大，工程上已发生过该类事故。

3．7．2 解决方法
除单个构件需满足《设计规定》中表3．0．9的限值外，装置内管廊在一个柱距内，管道支点最大挠度之差不大于30mm。

管廊纵向构件及其上的钢次梁挠度叠加为总挠度，支撑在钢次梁上的小管道的挠度值为该挠度与框架横梁挠度之差。

3．8 结构自振周期折减系数
3．8．1 原因分析
PKPM程序默认结构自振周期折减系数为0．8，导致计算出的地震力偏大。

3．8．2 解决方法
对于管廊等空旷结构(无填充墙等)，结构自振周期不折减，即结构自振周期折减系数取1．0。

4 连接节点计算
4．1 角焊缝的计算长度
角焊缝计算时，焊缝的计算长度取实际长度或取焊缝的实际长度减去10mm。

4．1．1 原因分析
有些设计人员不清楚现行《规范》中对角焊缝计算长度的规定。

4．1．2 解决方法
按《规范》7．1．3条规定，角焊缝的计算长度l 为实际长度减去焊脚尺寸hf的两倍，即2hf。

4．2 侧面角焊缝长度
侧面角焊缝长度大于60hf，仍按实际长度计算焊缝强度。

4．2．1 原因分析
有些设计人员不了解侧面角焊缝的传力特征和构造要求。

4．2．2 解决方法
按《规范》8．2．7条第五款的规定，角焊缝的计算长度不宜大于60h{。

当大于上述数值时，其超过部分在计算中不予考虑。

4．3 螺栓的承载力
构件采用摩擦型高强螺栓拼接时，拼接接头的一端螺栓沿受力方向的连接长度L1大于15d0时，螺栓的承载力设计值未予折减。

4．3．1 原因分析
在构件拼接时，高强螺栓的连接长度有时会过大，此时应该考虑螺栓受力的不均匀性。

否则往往会导致局部螺栓受力过大而使螺栓各个击破，从而导致构件破坏。

4．3．2 解决方法
按《规范》7．2．4条规定，当受力方向的连接长度l 】大于15d0时，应将螺栓的承载力设计值乘以折减系数：1．1～1l ／(150do)
4．4 荷载较大的梁柱刚性连接节点梁柱刚性连接节点中，当荷载较大时，柱翼缘与横向加劲肋包围的柱腹板节点域未进行计算。

4．4．1 原因分析
一般情况下节点域计算是没有问题的，设计人往往会忽略计算。

但是当荷载较大时，节点域的强度或稳定性可能会不满足。

4．4．2 解决方法
按《规范》7．4．2条规定，对节点域进行计算。

(1)按下述公式对柱腹板进行抗剪强度计算：b1b2p v M +M V 4f /3≤（）/
式中，Mbl 、Mb2为节点两侧梁端弯矩设计值；Vn 为节点域腹板的体积；fv 为钢材的抗剪强度设计值。

(2)腹板的厚度t 还应满足下式要求：
w c b t h +h 90≥（）/
式中， 为柱腹板厚度；hc 为柱腹板高度；hb 为梁腹板高度。

4．5 节点板的强度验算
节点板在拉力和剪力共同作用下，未进行节点板的强度验算。

4．5．1 原因分析
在较大的拉力和剪力共同作用下，节点板可能会发生撕裂破坏。

此部分计算为新《规范》增加内容，有些设计人员容易忽略。

4．5．2 解决方法
按《规范》7．5．1条规定对节点板进行强度计算。

4．6 桁架斜腹杆节点板稳定性计算
桁架斜腹杆节点板在压力作用下未进行稳定性计算。

4．6．1 原因分析
有些设计人员往往只注重桁架杆件本身的强度和稳定性计算，而忽略节点板的计算。

此部分计算也为新《规范》增加内容。

4．6．2 解决方法
按《规范》7．5．3条规定对节点板进行稳定
性计算。

4．7 地脚螺栓的受力
地脚螺栓同时考虑了承受拉力和柱脚底部的剪力。

4．7．1 原因分析
有些设计人员往往认为地脚螺栓与普通螺栓一样能够承受剪力，但实际上地脚螺栓的设计应尽量避免其受剪，《规范》中也没有给出地脚螺栓的抗剪强度。

4．7．2 解决方法
一般情况下，柱脚的剪力由柱脚底板与混凝土之间的摩擦力或设置抗剪键来承受，见《规范》8．4．13条。

抗剪键的断面和焊缝要由计算来确定。

5 结语
以上四个方面问题看似并不复杂，但很容易忽视，若不注意很容易导致结构设计不合理甚至发生工程事故。

在很多工程项目中，这些问题都或多或少地出现过，有的甚至已经造成了一定的经济损失。

在今后的钢结构管廊设计工作中，若能时刻注意这些问题，将会使我们的结构设计更加安全、经济、合理。

参考文献
1 国家石油和化学工业局．HG/T 20670—2000(2000年)，化工、石油化工管架、管墩设计规定 [S]
2 GB 50017—2003。

钢结构设计规范 [S]。