独立式架空热力管道滑动支架优化设计与方案比较
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摘要 本文介绍了独立式架空管道滑动支架的设计思路 、结构选型及计算模型 ,可供类似 工程设计时参考 。
关键词 独立式架空支架 支架类型判定 刚性支架 柔性支架 摩擦力 ABSTRACT The behavior of sliding support for isolated supporting suspended pipeline was studied .
在滑动支架平面内 ,按下端嵌固 ,
上端与横梁铰接 ,计算横梁传来的垂直荷载和管道径向水
平荷载产生的内力 。在滑动支架平面外 ,按图 3 所示计算
管道轴向水平推力产生的内力 。
图 3 计算简图
图 4 计算简图
当梁柱刚接时 ,在滑动支架平面内 ,按平面刚架进行
内力分析 ;在滑动支架平面外 ,由于轴向水平推力垂直于
支架柱的横梁与柱设计成刚接
时 ,在轴向水平推力作用下梁 端水平弯矩使管架柱受扭 ,管
架柱应做抗扭验算 。
(4) 基础计算
刚性基础 、钢筋混凝土扩展
基础 、钻孔灌注桩 、锚杆基础等都
是常用的支架基础形式 ,具体工 程采用何种形式应根据地质勘察
资料 ,在安全可靠和最经济的条
图 6 内力状态
件下确定。其中采用最多的是钢筋混凝土扩展基础 ,其首先
This article described the design methodology , stucture selection and calculating model of sliding support . It can be a reference for similar project in civil engineering .
表 2 支架刚柔性判别
Δl (mm) 运行状态 6813 试压状态 716
Pf (kN) 291670 31301
Pm (kN) 451955 921570
支架特征 Pf < Pm 柔性支架 Pf < Pm 柔性支架
运行状态 试压状态
Pf Pf
= 3 EcIΔl/ = 3 EcIΔl/
H3 H3
31 滑动支架类型判定
滑动支架从结构特征上区分有刚性支架 、柔性支架 、
SPECIAL STRUCTURES No11 2004
表 1 荷载组合
管道工作状态
荷载
内容
运行状态 施工试压状态
垂直荷载 水平荷载 垂直荷载 水平荷载
管道自重 (含保温层) , 管内输送介质重
管道轴向方向的水平荷载 , 风荷载 、地震力
Δ2
=
kqΔl
式中 : kq 为牵制系数 ;μ为摩擦系数 ; H 为支架高度 ; E 为
支架柱材料的弹性模量 ; J 为支架柱沿管轴向的截面惯性
矩 ; n0 为一个支架的柱子根数 ;Δl 为主要热管在滑动支架
顶处的热变形 :Δl =αΔtL ;Δt 为管道内介质最高温度与安
装管道时大气温度之差 ; h 为沿管轴向的柱截面尺寸 。
= =
29167kN 31301kN
比较情况见表
2。
31 承载力计算 (设计值) 、配筋
按柔性支架进行设计 ,其内力及配筋情况见表 3 。
表 3 柱构件配筋
状态
截面 尺寸
内力 (设计值)
N
Mx
My
Vx
(kN) (kN·m) (kN·m) (kN)
运行 试压
450
×450
2061160 3651994
梁 、柱 、基础的设计
无论是组合式或独立式滑动
支架 ,通常都按单片平面支架进
行内力分析 。单片平面支架 ,又
按梁柱连接情况 ,分成刚接和铰
接两种 。
(1) 连接情况
当梁柱铰接时 ,考虑滑动支
架的实际工作状态 ,对于梁 ,计算
垂直荷载和管道轴向水平推力为
两端简支 ,但计算管道水平推力
产生的扭矩时为嵌固 。对于柱 , 图 2 支架变位示意
的总垂直荷载标准值 。
②对于输送气体的管道 :
∑ G = 112 ( qz + qw + qL ) l
式中 ,qL 为管道内冷凝液的重量 (kN/ m) 。 ③施工试压荷载 ,对 1 根最大管径的管道进行水压实
验。
(2) 沿管道轴向的水平荷载 : 管道移动的摩擦力 (刚
性支架) 或滑动支架变位弹力 (柔性支架) 。
滑动支架平面 ,需按空间刚架进行分析 。
(2) 管架梁计算
管架梁需要验算跨中 、支座边
缘以及集中荷载作用点等处的截面
强度 。管架梁计算截面上的内力组
合一般为双向受弯兼受扭 ,但如果 :
My ≤Mx/ 10 , 则可按单向受弯兼受
扭计算 。管架梁截面内力状态 (双
向受弯兼受扭) 如图 6 所示 。式中 : Mx 为垂直荷载下绕 x2x 轴的截面计
柔性滑动支架能适应管道
热变形 的 要 求 , 故 滑 动 支 架 顶
承受的管道轴向水平推力为 :
Pf
=
3 EJ kqΔl H3
n0
式中 :α为管道膨胀系数 ; L 为
管道固定点到所计算的滑动支
架顶之间的距离 (m) 。
单层柔性滑动支架承受的
荷载和计算简图如图 4 所示 。
61 滑动支架内力分析及支架
管道自重 (含保温层) , 试压水重
管道轴向水平荷载 , 风荷载
半铰支架 3 种 ,半铰支架由于其构造相对复杂 ,存在半铰
性能可靠度不足 ,或者半铰构配件老化后更换困难的问
题 ,目前已很少采用 。
从力学性能上看 ,刚性 、柔性滑动支架的构造是一致
的 :立柱的柱脚固定于基础 ,柱顶自由 。热力管道由于介
01337kN/ m ;管道风荷载标准值 w0 = 015kN/ m2 。某处滑动 支架高 H = 8m ,距固定支架 1615m ,跨距 1615m ,主要热管
SPECIAL STRUCTURES No11 2004
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
2951593 248138 341102 248138
01671 , ωk = 01671kN/ m2 ; M风 = 114ωkDhl = 2481409kN·m ; F风 = 114ωkDl = 271585kN。
运行状态下管道垂直荷载标准值 : G = 13113kN ;试压 状态下管道垂直荷载标准值 : G = 2641495 。
21 支架刚柔性判定
应满足承载力的要求 ,由于垂直荷载较小 ,水平荷载较大 ,偏 心距往往超出基础核心范围 ,为了保证管道的正常运行 ,设计 支架基础时 ,除计算地基承载力外 ,还应控制基础的偏心距 : e/ L ≤1/ 4 式中 : e 为基础
偏心距 , x 向和 y 向 ; L 为基础 边长 , x 向和 y 向。
此 外, 还
应验算基础的
稳定 (抗倾覆
和抗滑移) 。
二 、实例
分析
从前面的
论述可知 ,滑 动支架在精确
设计时应细分
为刚性滑动支 架和柔性滑动
图 7 管断面
支架 ,而不应笼统地全部按刚性滑动支架进行设计 ,下面
以某工程为例将滑动支架细分为刚性滑动支架和柔性滑
动支架进行分析和计算 ,并将结果和原设计作比较 。
～DN1000 为主 ,大多数采用独立式管道支架 ,如青岛发电
厂供热管网工程 、聊城发电厂供热管网工程等 。但在过去
的大多数工程中 ,由于时间紧任务重等外界因素 ,管道滑
动支架不是工程设计中的重点 ,固定 、导向支架由于推力
大 ,尤其在高支架设计中因较难处理而往往成为设计重
点 ,故而往往忽略了管道滑动支架的仔细分析及优化设
11 工程概述
某蒸汽管架空工程采用 T 形独立滑动支架 ,蒸汽管
DN1000 ,凝 水 管 DN200 管 道 断 面 见 图 7 。DN1000 管 重
21983kN/ m , 保 温 重 2101kN/ m , 充 满 水 时 重 7185kN/ m ; DN200 管 重 013152kN/ m ,保 温 重 0120kN/ m , 充 满 水 时 重
据此 ,满足下面公式即为柔性滑动支架 :
H h
3
≥
EhΔl n0 4 Gμ
满足下面公式为刚性滑动支架 :
H h
3
≥
EhΔl n0 4 Gμ
41 刚性滑动支架受力分析
刚性滑动支架不能适应管道热变形的要求 ,管道和
滑动支架顶有相对位移 ,故产生摩擦力 Pm , 这就是刚性
滑动支架顶承受的管道轴向水平推力 :
图5
— 26 —
图 1 热力管支架分布示意
算弯矩 ; My 为轴向水平推力下 , 绕 y2y 轴的截面计算弯 矩 ; Mz 为轴向水平推力作用下的截面计算扭矩 ; Qx 为对 应于 Mx 的剪力 ; Qy 为对应于 My 的剪力 。
(3) 管架柱计算 管架柱截面上的内力组合
通常双向偏心受压 ,当独立式
No11 2004
陶帆等 独立式架空热力管道滑动支架优化设计与方案比较
S PS T
运行温度 300°C ,安装温度 - 9°C ;滑动支架混凝土柱截面
尺寸 b ×h = 450 ×450mm2 , Ec = 0185 ×2155 ×104N/ mm2 , I = 3142 ×109mm4 ,运行时管壁温度 300°C 时 ,α = 11341 ×
10 - 3cm/ m°C ; 试压时管壁温度 30°C 时 ,α = 11187 ×10 - 3 cm/ m°C ;安装温度 - 9°C。
DN1000 管中心距地 h = 7182m ,μs = 2 ,μz = 01636 ,ωk
= 01636kN/ m2 ;DN200 管中心距地 h = 8185m ,μs = 2 ,μz =
Pm = kqGμ
单层刚性滑动支架承受的荷载和计算简图如图 3 所
示。
— 25 —
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
S PS T
特 种 结 构
2004 年第 1 期
51 柔性滑动支架受力分析
计 ,但实际中滑动支架在整个工程中的数量最多 ,所占的
工程费用比例最大 ,因此滑动支架的优化设计往往是在保
证结构设计安全实用的前提下大幅降低工程投资的最有
效手段 ,本文将根据工程实践与体会对此进行初步探讨 。
一 、滑动支架设计
11 荷载确定 滑动支架承受的荷载一般有以下 3 类 :
(1) 垂直荷载 :包括管道自重 (含保温层) 、管内输送介
第 21 卷 第 1 期 2004 年 3 月
特 种 结 构
Vol121 No11 March 2004
独立式架空热力管道滑动支架优化设计与方案比较
陶帆1 陈思源2
(11 北京市煤气热力工程设计院 100032 ;21 中国船舶重工集团公司 北京 100861)
(11Bejing Gas And Heating Engineering Design Institite 100032 ;21China Ship Building Industry Corp 100861)
质重以及施工试压阶段的水重 。
①对输送液体的管道 :
∑ ∑ G =
112 ( qz + qw) l +
qly
式中 :112 为荷载系数 ; qz 为管道自重 ( kN/ m) ; qw 为管道 的保 管 层 重 量 ( kN/ m) ; qy 为 管 道 内 输 送 的 液 体 重 量 (kN/ m) ; l 为管道支架间距 ; G 为作用在 1 个管道支架上
质温度变化导致管道膨胀伸长 ,靠近固定支架的滑动支
架柱顶可变位Δ1 大于管道热变形Δ2 ,支架柱顶反弹力 Pf
小于管道和支架顶的临界摩擦力 Pm ; 反之距离固定端较
远的滑动支架柱顶变位Δ1 小于管道热变形Δ2 ,支架柱顶
反弹力 Pf 等于管道和支架顶的临界摩擦力 Pm 。其中 :
Δ1
=
kqGμH3 3 EJ n0
KEYWORDS Isolated erection support Support type selection Rigid support Flexible support
Friction
前言
独立式架空管道支架适用于管径较大 ,管道数量不多
的工程 ,过去大多数城市热网干线工程 ,管径多数以 DN500
(3) 与管道轴线方向交叉的侧向水平荷载 : 风荷载 、
管道横向位移产生的摩擦力 、水平地震力 。风荷载有两
wenku.baidu.com
部份 ,其一是作用于管道 ,其计算作用点位于管道中心 ,
然后沿管道的径向以集中力的形式传给支架 ; 其二是直
接作用于支架柱和梁的风荷载 ,对于这部分风荷载 ,在通
常情况下都很小 ,均可忽略不计 。 21 荷载组合见表 1 。
关键词 独立式架空支架 支架类型判定 刚性支架 柔性支架 摩擦力 ABSTRACT The behavior of sliding support for isolated supporting suspended pipeline was studied .
在滑动支架平面内 ,按下端嵌固 ,
上端与横梁铰接 ,计算横梁传来的垂直荷载和管道径向水
平荷载产生的内力 。在滑动支架平面外 ,按图 3 所示计算
管道轴向水平推力产生的内力 。
图 3 计算简图
图 4 计算简图
当梁柱刚接时 ,在滑动支架平面内 ,按平面刚架进行
内力分析 ;在滑动支架平面外 ,由于轴向水平推力垂直于
支架柱的横梁与柱设计成刚接
时 ,在轴向水平推力作用下梁 端水平弯矩使管架柱受扭 ,管
架柱应做抗扭验算 。
(4) 基础计算
刚性基础 、钢筋混凝土扩展
基础 、钻孔灌注桩 、锚杆基础等都
是常用的支架基础形式 ,具体工 程采用何种形式应根据地质勘察
资料 ,在安全可靠和最经济的条
图 6 内力状态
件下确定。其中采用最多的是钢筋混凝土扩展基础 ,其首先
This article described the design methodology , stucture selection and calculating model of sliding support . It can be a reference for similar project in civil engineering .
表 2 支架刚柔性判别
Δl (mm) 运行状态 6813 试压状态 716
Pf (kN) 291670 31301
Pm (kN) 451955 921570
支架特征 Pf < Pm 柔性支架 Pf < Pm 柔性支架
运行状态 试压状态
Pf Pf
= 3 EcIΔl/ = 3 EcIΔl/
H3 H3
31 滑动支架类型判定
滑动支架从结构特征上区分有刚性支架 、柔性支架 、
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表 1 荷载组合
管道工作状态
荷载
内容
运行状态 施工试压状态
垂直荷载 水平荷载 垂直荷载 水平荷载
管道自重 (含保温层) , 管内输送介质重
管道轴向方向的水平荷载 , 风荷载 、地震力
Δ2
=
kqΔl
式中 : kq 为牵制系数 ;μ为摩擦系数 ; H 为支架高度 ; E 为
支架柱材料的弹性模量 ; J 为支架柱沿管轴向的截面惯性
矩 ; n0 为一个支架的柱子根数 ;Δl 为主要热管在滑动支架
顶处的热变形 :Δl =αΔtL ;Δt 为管道内介质最高温度与安
装管道时大气温度之差 ; h 为沿管轴向的柱截面尺寸 。
= =
29167kN 31301kN
比较情况见表
2。
31 承载力计算 (设计值) 、配筋
按柔性支架进行设计 ,其内力及配筋情况见表 3 。
表 3 柱构件配筋
状态
截面 尺寸
内力 (设计值)
N
Mx
My
Vx
(kN) (kN·m) (kN·m) (kN)
运行 试压
450
×450
2061160 3651994
梁 、柱 、基础的设计
无论是组合式或独立式滑动
支架 ,通常都按单片平面支架进
行内力分析 。单片平面支架 ,又
按梁柱连接情况 ,分成刚接和铰
接两种 。
(1) 连接情况
当梁柱铰接时 ,考虑滑动支
架的实际工作状态 ,对于梁 ,计算
垂直荷载和管道轴向水平推力为
两端简支 ,但计算管道水平推力
产生的扭矩时为嵌固 。对于柱 , 图 2 支架变位示意
的总垂直荷载标准值 。
②对于输送气体的管道 :
∑ G = 112 ( qz + qw + qL ) l
式中 ,qL 为管道内冷凝液的重量 (kN/ m) 。 ③施工试压荷载 ,对 1 根最大管径的管道进行水压实
验。
(2) 沿管道轴向的水平荷载 : 管道移动的摩擦力 (刚
性支架) 或滑动支架变位弹力 (柔性支架) 。
滑动支架平面 ,需按空间刚架进行分析 。
(2) 管架梁计算
管架梁需要验算跨中 、支座边
缘以及集中荷载作用点等处的截面
强度 。管架梁计算截面上的内力组
合一般为双向受弯兼受扭 ,但如果 :
My ≤Mx/ 10 , 则可按单向受弯兼受
扭计算 。管架梁截面内力状态 (双
向受弯兼受扭) 如图 6 所示 。式中 : Mx 为垂直荷载下绕 x2x 轴的截面计
柔性滑动支架能适应管道
热变形 的 要 求 , 故 滑 动 支 架 顶
承受的管道轴向水平推力为 :
Pf
=
3 EJ kqΔl H3
n0
式中 :α为管道膨胀系数 ; L 为
管道固定点到所计算的滑动支
架顶之间的距离 (m) 。
单层柔性滑动支架承受的
荷载和计算简图如图 4 所示 。
61 滑动支架内力分析及支架
管道自重 (含保温层) , 试压水重
管道轴向水平荷载 , 风荷载
半铰支架 3 种 ,半铰支架由于其构造相对复杂 ,存在半铰
性能可靠度不足 ,或者半铰构配件老化后更换困难的问
题 ,目前已很少采用 。
从力学性能上看 ,刚性 、柔性滑动支架的构造是一致
的 :立柱的柱脚固定于基础 ,柱顶自由 。热力管道由于介
01337kN/ m ;管道风荷载标准值 w0 = 015kN/ m2 。某处滑动 支架高 H = 8m ,距固定支架 1615m ,跨距 1615m ,主要热管
SPECIAL STRUCTURES No11 2004
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2951593 248138 341102 248138
01671 , ωk = 01671kN/ m2 ; M风 = 114ωkDhl = 2481409kN·m ; F风 = 114ωkDl = 271585kN。
运行状态下管道垂直荷载标准值 : G = 13113kN ;试压 状态下管道垂直荷载标准值 : G = 2641495 。
21 支架刚柔性判定
应满足承载力的要求 ,由于垂直荷载较小 ,水平荷载较大 ,偏 心距往往超出基础核心范围 ,为了保证管道的正常运行 ,设计 支架基础时 ,除计算地基承载力外 ,还应控制基础的偏心距 : e/ L ≤1/ 4 式中 : e 为基础
偏心距 , x 向和 y 向 ; L 为基础 边长 , x 向和 y 向。
此 外, 还
应验算基础的
稳定 (抗倾覆
和抗滑移) 。
二 、实例
分析
从前面的
论述可知 ,滑 动支架在精确
设计时应细分
为刚性滑动支 架和柔性滑动
图 7 管断面
支架 ,而不应笼统地全部按刚性滑动支架进行设计 ,下面
以某工程为例将滑动支架细分为刚性滑动支架和柔性滑
动支架进行分析和计算 ,并将结果和原设计作比较 。
～DN1000 为主 ,大多数采用独立式管道支架 ,如青岛发电
厂供热管网工程 、聊城发电厂供热管网工程等 。但在过去
的大多数工程中 ,由于时间紧任务重等外界因素 ,管道滑
动支架不是工程设计中的重点 ,固定 、导向支架由于推力
大 ,尤其在高支架设计中因较难处理而往往成为设计重
点 ,故而往往忽略了管道滑动支架的仔细分析及优化设
11 工程概述
某蒸汽管架空工程采用 T 形独立滑动支架 ,蒸汽管
DN1000 ,凝 水 管 DN200 管 道 断 面 见 图 7 。DN1000 管 重
21983kN/ m , 保 温 重 2101kN/ m , 充 满 水 时 重 7185kN/ m ; DN200 管 重 013152kN/ m ,保 温 重 0120kN/ m , 充 满 水 时 重
据此 ,满足下面公式即为柔性滑动支架 :
H h
3
≥
EhΔl n0 4 Gμ
满足下面公式为刚性滑动支架 :
H h
3
≥
EhΔl n0 4 Gμ
41 刚性滑动支架受力分析
刚性滑动支架不能适应管道热变形的要求 ,管道和
滑动支架顶有相对位移 ,故产生摩擦力 Pm , 这就是刚性
滑动支架顶承受的管道轴向水平推力 :
图5
— 26 —
图 1 热力管支架分布示意
算弯矩 ; My 为轴向水平推力下 , 绕 y2y 轴的截面计算弯 矩 ; Mz 为轴向水平推力作用下的截面计算扭矩 ; Qx 为对 应于 Mx 的剪力 ; Qy 为对应于 My 的剪力 。
(3) 管架柱计算 管架柱截面上的内力组合
通常双向偏心受压 ,当独立式
No11 2004
陶帆等 独立式架空热力管道滑动支架优化设计与方案比较
S PS T
运行温度 300°C ,安装温度 - 9°C ;滑动支架混凝土柱截面
尺寸 b ×h = 450 ×450mm2 , Ec = 0185 ×2155 ×104N/ mm2 , I = 3142 ×109mm4 ,运行时管壁温度 300°C 时 ,α = 11341 ×
10 - 3cm/ m°C ; 试压时管壁温度 30°C 时 ,α = 11187 ×10 - 3 cm/ m°C ;安装温度 - 9°C。
DN1000 管中心距地 h = 7182m ,μs = 2 ,μz = 01636 ,ωk
= 01636kN/ m2 ;DN200 管中心距地 h = 8185m ,μs = 2 ,μz =
Pm = kqGμ
单层刚性滑动支架承受的荷载和计算简图如图 3 所
示。
— 25 —
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
S PS T
特 种 结 构
2004 年第 1 期
51 柔性滑动支架受力分析
计 ,但实际中滑动支架在整个工程中的数量最多 ,所占的
工程费用比例最大 ,因此滑动支架的优化设计往往是在保
证结构设计安全实用的前提下大幅降低工程投资的最有
效手段 ,本文将根据工程实践与体会对此进行初步探讨 。
一 、滑动支架设计
11 荷载确定 滑动支架承受的荷载一般有以下 3 类 :
(1) 垂直荷载 :包括管道自重 (含保温层) 、管内输送介
第 21 卷 第 1 期 2004 年 3 月
特 种 结 构
Vol121 No11 March 2004
独立式架空热力管道滑动支架优化设计与方案比较
陶帆1 陈思源2
(11 北京市煤气热力工程设计院 100032 ;21 中国船舶重工集团公司 北京 100861)
(11Bejing Gas And Heating Engineering Design Institite 100032 ;21China Ship Building Industry Corp 100861)
质重以及施工试压阶段的水重 。
①对输送液体的管道 :
∑ ∑ G =
112 ( qz + qw) l +
qly
式中 :112 为荷载系数 ; qz 为管道自重 ( kN/ m) ; qw 为管道 的保 管 层 重 量 ( kN/ m) ; qy 为 管 道 内 输 送 的 液 体 重 量 (kN/ m) ; l 为管道支架间距 ; G 为作用在 1 个管道支架上
质温度变化导致管道膨胀伸长 ,靠近固定支架的滑动支
架柱顶可变位Δ1 大于管道热变形Δ2 ,支架柱顶反弹力 Pf
小于管道和支架顶的临界摩擦力 Pm ; 反之距离固定端较
远的滑动支架柱顶变位Δ1 小于管道热变形Δ2 ,支架柱顶
反弹力 Pf 等于管道和支架顶的临界摩擦力 Pm 。其中 :
Δ1
=
kqGμH3 3 EJ n0
KEYWORDS Isolated erection support Support type selection Rigid support Flexible support
Friction
前言
独立式架空管道支架适用于管径较大 ,管道数量不多
的工程 ,过去大多数城市热网干线工程 ,管径多数以 DN500
(3) 与管道轴线方向交叉的侧向水平荷载 : 风荷载 、
管道横向位移产生的摩擦力 、水平地震力 。风荷载有两
wenku.baidu.com
部份 ,其一是作用于管道 ,其计算作用点位于管道中心 ,
然后沿管道的径向以集中力的形式传给支架 ; 其二是直
接作用于支架柱和梁的风荷载 ,对于这部分风荷载 ,在通
常情况下都很小 ,均可忽略不计 。 21 荷载组合见表 1 。