论工业建筑钢结构管道支架设计

论工业建筑钢结构管道支架设计
摘要：管道支架是工业设计中常见的结构形式，但是真正会做，做的好的人却
不多。

12 年出了本《钢铁企业管道支架设计规范》GB50709，里面的内容相对来
说还是比较详细的，但对不熟悉管道支架的人却会感到无从下手。

对于管道支架
设计，乍一看是很简单的东西，往往遭到专业人员的轻视，但实际中，大多数结
构设计人员对它均不够了解，在实际设计过程中会碰到很多疑难问题，因为关系
到有毒易爆气体等情况，性质还是比较严重的。

另外，对于大型钢厂众多管道组
成的“管廊式”①管道操作上也存在很多争议的问题，比如并排铺设多根大管道后
支架顶梁如何设计等，且迄今为止没有人专门提出这些问题，更不用说给出相对
合理的解决思路和方法。

本文结合个人工作实践，给大家明确认识，理清思路，
并对管道支架设计中容易碰到的几个棘手问题，给出自己的解决方案。

供结构设
计人员参考。

关键词：支架；钢结构支架；管道支架；煤气支架
1 支架分类
工业大型管道支架均为架空结构，根据刚度的强弱可分为摇摆、柔性和刚性
管道支架；根据外观可分为单片和空间管道支架两种。

其实这几种分类之间概念
是有一定交叉的，比如单片支架可以是摇摆支架也可以是柔性支架，也可能是刚
性支架。

另一方面，各专业根据以往的经验或者说传统，他们会对管道支架有一
个自己的分类。

对燃气专业一般习惯分为全铰、半铰及固定管道支架，对于综合
管道专业、水道专业以及热力专业更多的是分为滑动支架和固定支架。

这是其专
业管道体系的特点决定的，也是以往传统做法的体现。

上游工艺人员无法正确理
解这些叫法之间的区别，真正用于工程实践中也就往往出现工艺表述与结构设计
理解之间出现信息缺失等问题。

要想解决此问题需要结构人员对管道体系有足够
的了解，只有在充分的了解管道体系的前提下才能准确把握工艺资料以及发现问题。

由于各专业之间管道工艺设计有不同特点，本文把目标锁定在大型管道（较
为常见的是燃气管道）支架设计。

2 燃气管道体系
燃气专业管道主要有焦炉煤气（COG），高炉煤气（BFG），转炉煤气（LDG），COREX 煤气（CRG）等几类。

它们之间介质有所区别，温度也各不相同，管径也有较大差别。

但它们也有共同点，即有毒，高架，直径较大等特点。

一般
燃气专业管道管底标高均在 6m 以上，直径从 DN400 到 DN4500不等，因为管道
较粗，自然补偿很难实现，所以补偿方式一般采用膨胀节补偿。

而膨胀节也分为
单向补偿膨胀节及双向补偿膨胀节 2种，双向补偿的膨胀节单价较贵，一般是单
向膨胀节的几倍，所以工艺、结构均应尽量调整膨胀节位置，少用双向膨胀节，
使工程更经济合理。

3 荷载及荷载组合工况
3.1 荷载
3.1.1 燃气专业提资荷载应该包括如下几项：
（1）管道金属重：顾名思义，此项即为管道本事的金属自重。

（2）管道操作水重：由于煤气管道是有湿度的，跟管道接触以及温度的变化
等等会凝结成水珠在管道里，此荷载虽然不是常量，但属于常态化荷载，而且变
化沿管道变化并不显著。

（3）管道事故水重：管道事故状态时，管道内会存在大量的水，填充管道的部分截面，此时管道内存水的重量即为事故水重。

（4）操作荷载：一般指阀门等平台上的使用荷载。

（5）径向水平推力：直线段原则上不产生径向水平推力，但工艺考虑施工精度等等缺陷，会提出一个相对比较小的荷载作为径向水平推力；管道管弯处，因
为此处是个天然的盲板，由于气流的影响，存在盲板力，而且此时的数值可观，
相较直线段应该是数量级的差距。

（6）轴向水平推力：因单片支架轴向认为是铰接的，故此荷载一般只存在于固定支架处。

轴向推力一般由以下几个因素引起：A 因为温度原因管道变形后压
缩或拉伸膨胀节（一般为压缩），引起的膨胀节这个大弹簧的反弹力。

B 盲板力。

一个是转弯处或端部封闭处的盲板力，一个是因为膨胀节直径比管道大，突出部
分产生的盲板力。

燃气专业提资除了荷载以外还应包括如下内容：
（7）固定支架固定侧及滑动侧具体位置。

（8）膨胀节具体布置位置。

（9）支架位移量：每个支架根据此位移判断是否满足△ /H ≤ 2% 的半铰支架
限制条件。

3.1.2 结构专业荷载
结构专业设计人员应根据燃气专业荷载，整理成如下荷载：
（1）管道恒荷载（D1）：计算正常运行状态时，恒荷载 = 管道金属重 + 操作水重。

计算施工阶段状态时，恒荷载 = 管道金属重。

（2）管道活荷载（L1）：计算正常运行状态时，管道活荷载 = 事故水重 - 操
作水重。

计算施工阶段状态时，管道活荷载无。

（3）其余恒荷载（D2）：支架自重以及管道上阀门及平台、管托、托架等
重量。

（4）其余活荷载（L2）：平台操作荷载。

（5）水平活荷载（P）：即径向水平推力（Px）及轴向水平推力（Py）。

（6）风荷载（W）：因为荷载规范对多管多层管道风荷载介绍较为简单，风
荷载的计算建议按《管道支架计算及构造手册》或《简明管道支架计算及构造手册》进行计算。

（7）地震荷载（Q）：按《抗规》及《钢铁企业管道支架设计规范》执行。

3.1.3 荷载作用点：参照《钢结构管道支架设计规范》执行，具体如下：
（1）沿管道轴向的水平力
A 当采用上滑式管托时，作用点取管道外皮最低点。

B 采用下滑式管托或抱箍式管托时，作用点取管托底面。

（2）沿管道径向的水平力：取管道中心点
3.1.4 牵制系数：牵制系数是针对多跟管道并行铺设时，管道之间变形不同步
以及变形异向等情况，从而使荷载发生相互抵消的情况而设置的一个系数。

一般此系数在管道专业提轴向水平荷载时已经考虑进去。

3.2 结构设计中问题以及易犯错误整理
3.2.1 荷载组合问题
由于煤气管道主要活荷载 L1 为事故水荷载，本身是一种极端状态，即偶然荷载，一
般我们认为事故状态与地震同时发生概率极低，故活荷载 L1 不与地震荷载 Q 组合。

风荷载为台风发生时的极端荷载，原则上，活荷载 L1 也不与风荷载 W 组合。

但考虑平常风力荷载还是存在的，个人认为 L1 与 W 组合时应对风荷载进行
额外打折处理。

然而在缺乏实现数据、未论证清楚的情况下，尤其是沿海台风多
发地带不建议打折处理。

3.2.2 多层管道布置时，单片支架计算问题多层管道布置时，单片支架计算不
再仅仅是平面支架，在平面外也会受力。

此时，还会有主从动管如何设置问题。

A 多层管道布置时，我们首先碰到的是每层均分别选一根为主动管还是整个
支架仅选用一根为主动管问题。

这个需要具体情况具体分析：
①当第一层管道及第二层管道之间距离够大，大到能满足△ /H ≤ 2% 时，各
层应各选一根管道为主动管，上下管道之间的水平力影响可忽略不计，但应考虑
上层管道竖向力引起的附加弯矩M=FΔ 的影响。

②当第一层管道及第二层管道之间距离不大，不能满足△ /H ≤ 2% 时，整个
支架可选择一根较大管为主动管，此时考虑另一层管道的水平作用 P 的影响。

另
一层管道的作用力 P 取管道摩擦力与相对位移引起的支架反弹力的较小者。

③当第一层管道及第二层管道之间距离较大，但还不到能满足△/H ≤ 2% 时，整个支架各层可各选择一根较大管为主动管。

此时考虑另一层管道的水平作用 P
的影响。

另一层管道的作用力 P 取相对位移引起的支架反弹力。

B单片支架补充计算模型：以两层管道为例，如图 3。

3.2.3 支架柱长度系数和长细比
支架柱长度系数按《钢铁企业管道支架设计规范》6.4.3 条执行，支架柱长细
比按《钢铁企业管道支架设计规范》10.2.3 条执行。

3.2.4 支架柱位移控制
风荷载、水平推力作用下柱顶位移不应大于 H/400。

地震力作用下柱顶位移
不应大于 H/200。

3.2.5 支架顶梁加载方式问题
在宽度较大的管道支架设计时，由于主动管往往在支架中间位置，即产生弯
矩最大位置附近，导致支架顶梁及上部柱子截面较大，这样显然是不经济的，故
结构设计者往往在顶层设置为人字支撑，但是问题由此产生：中间管道荷载是按
线性荷载输入还是集中荷载输入？会影响顶梁、柱子以及支撑的内力。

一般我们
会偏保守处理为：计算人字支撑时按集中荷载输入，计算顶梁时按均部荷载输入。

需要特别提出的是支架顶部人字支撑因为是控制顶部横梁截面的关键构件，一般
需要按中震不屈服设计。

结束语：
钢结构管道支架在我国工业建筑项目中应用广泛，也是管道工程设计的重要
组成部分。

文章总结了在实际设计过程中会碰到的疑难问题并给出对策分析。

结
合了个人工作实践，给大家明确认识，理清思路，给出自己的解决方案。

供结构
设计人员参考。

参考文献：
［1］祝远驰．余热利用电厂钢管道支架设计［J］．山西建筑，2012，
38( 10) : 26-28．。