高层民用建筑室内燃气管道补偿方式及受力分析

高层民用建筑室内燃气管道补偿方式及受力分析

论文导读：随着国民经济的发展，高层民用建筑日益增多，针对高层

建筑的不断增多，室内燃气管道高度的设计极限也开始面临挑战。针对烟

台的超高层民用建筑从2005年至今不断增加，而且不断创出新高，本文

就高层民用建筑室内燃气管道的补偿方式和管道的受力分析展开论述和学习。L管道的补偿量（m）。管道柔性（PipingFle某ibility）是反映管

道变形难易程度的一个物理概念，表示管道通过自身变形吸收热胀冷缩和

其他位移变形的能力。通过受力分析，B点所承受这AB段管道向下的自

身重量，和BC段管道向上的弹力作用，B点固定支架做法见图4。关键词：高层建筑，燃气管道，管道柔性，补偿，受力分析

1．背景

随着国民经济的发展，高层民用建筑日益增多，针对高层建筑的不断

增多，室内燃气管道高度的设计极限也开始面临挑战；针对烟台的超高层

民用建筑从2005年至今不断增加，而且不断创出新高，本文就高层民用

建筑室内燃气管道的补偿方式和管道的受力分析展开论述和学习。

2．项目研究

山东省烟台市地处山东半岛中部，全年平均温度13.3℃，气候适宜。一年四季温差较小，如对管道补偿进行温差分析，结合《城镇燃气设计规范》GB50028-2006[1]室内无空气调节建筑极限温差采用40℃。论文发表。针对烟台市开发区山水名园小区室内燃气管道为例展开分析，该小区3、

4#楼为超高层民用建筑，层数为28层（一层为小棚），建筑总高度约为

85米。希望能够针对该特例的研究让大家从中有所收获并对类似工程展

开具有实际意义的设计。

2.1温度影响

本文仅对燃气管道设计当中的管道受力进行分析和计算，对管径和管材的选取采用计算好的成果进行分析，管径可参见图1。

图1

室内立管总高度为75.2m；根据公式△L=0.012L△t

式中△L管道的补偿量（mm）；

△t管道安装时与运行中的最大温差（℃）；

L管道的补偿量（m）。

通过计算得出△L=0.012L△t=0.01275.240=36mm；

假设仅对管道两端固定，其极限变形量可达36mm，这样一个变形量对管道自身的影响较大，由于极限温度变化产生的力N，可通过胡克定律计算确定（《工程力学（静力学和材料力学）》[2]）

式中N管道伸缩引起的纵向力（N）；

E管材的弹性模量（Pa）；碳素钢（C0.30%）20℃弹性模量为192103MPa；

L管道的形变（m）；

L管道的长度（m）；

A管道的截面积（m2）；

整段管道分为AE段为DN25-20.3m、EF段为DN32-37.7m、FD段为DN40-17.2m（可见图1），通过（）计算得出总纵向力为N=105.842kN，

校核立管所受应力，立管承受应力根据应力计算公式

AE段为管道截面积最小处，校核AE段管道所受应力为

m===33800MPa，远大于材料的许用应力[m]=130MPa；

2.2管道补偿措施

为避免这样的影响我们采取了一些办法，下面是我们采取的一种措施

并对其进行分析。

由于管道自身较长，固定其两端的补偿方法会造成其产生较大的膨胀

力使得立管产生较大的集中应力，我们采用在八层和二十三层楼板面设置

固定支架将其立管分割为三段（可见图2）。

图2

其中B、C点为固定点，这样使其支架固定点不动，稍后对其支架进

行应力分析来判断支架是否满足需要，分段具体可见图2，立管被分割为

三段，我们要对每段管道的形变、柔性、管道自身的应力及支架的应力进

行分析，来判断我们对此高层立管所采用的补偿办法是否有效。论文发表。

2.3管道柔性的概念

管道柔性（PipingFle某ibility）是反映管道变形难易程度的一个

物理概念，表示管道通过自身变形吸收热胀冷缩和其他位移变形的能力。

管道柔性设计的目的是保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道

因热胀冷缩、端点附加位移、管道支撑设置不当等因素引起，管道应力过

大引起金属疲劳或管道推力过大造成支架破坏。

2.3.1柔性分析方法

这里我们采用两种方法，一、比对分析法；二、数值解析法；柔性分

析的比对分析法主要有（1）与实际运行良好的管道相同；（2）与经过详

细柔性分析并合格的管道相比，没有实质变化。

在实际运行当中我们对8层（含8层）以下的民用建筑均不考虑管道

的补偿问题，并且在烟台市已有着良好的运行记录；对8层以下的我们提

出一个特例计算下管道的伸长量：8层建筑，层高为2.9m，通过计算可以

得出该段管道的极限膨胀量可达到11.14mm；与之采用比对分析法我们可

以得出对比结论，可以认为如果室内立管的膨胀量不超过△L8=11.14mm

的；我们可视之为一般情况并且可以安全运行；△LAB=7.2mm＜

△L8=11.14mm，通过比对可以得出结论AB段的管道柔性是可以满足实际

需要的；CD段的管道也是可以满足管道的柔性。

由于BC段管道长度较长△LBC=20.88mm＞△L8=11.14mm超出实际运

行良好管道的膨胀量，故采取比对分析方法来证明BC管道的柔性满足要

求是不可行的。故我们要通过采取补偿方式来吸收其管道自身发生的形变，以避免管道投入运行后发生金属疲劳产生断裂发生事故；我们所采取的补

偿方式采用了自然补偿的办法（见图2）。

型补偿器补偿量计算公式为：

（《管道工程安装手册》[3]）

式中：L补偿器伸出距离（cm）；

L1补偿器的开口距离（cm）；

R管子弯曲许可应力，碳钢管取R=70~80MPa，此按70MPa；

E管材的弹性模量数（MPa）；