管道设计中支架的合理及优化设计

长度 及长 细 比如 表 ２ 示 。 所
２ ２ 管道 支架所 受 的垂 直力 ．
固定 支 架竖 向荷 载 、 向荷 载 的计 算 方 法 与活 径
第 ３期
管道 设计 中支 架的合 理及 优化 设计
４ ７
注 ： 为 管 架 柱 的 高 度 ； 为 管 架柱 的 计 算 高 Ｈ 如
用 柔 性活 动管 架更 为经 济 ， 长距 离 输 水 管 道 尤 其 对 有意 义 。下 面 以工 程实 例说 明 ：
２ ６ 管道 支 架 的基础 设计 ． 常 用 的管 架基 础有 素 混凝 土 刚性基 础 或杯 型基
础 、 筋混 凝 土独 立基 础或 杯 型基 础 、 钢 桩基 础 。管架
由于受 到 的水 平 荷载 大 ， 直 荷载 小 ， 心 距往 往超 垂 偏
出基础 的核心 范 围 。因此 偏 心率按 表 ３控 制 。
第 ３期
管道 设计 中支 架的合 理及 优化 设计
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管 道 设 计 中 支 架 的 合 理 及 优 化 设 计
周 刚
（ 四川七 化 建化 工 工程 有 限公 司 ， 成都 ， １ １ ０ ６０ ０ ）
摘 要
介 绍 独 立式 架空 管道 支架 的设 计 思路 、 法 ； 程 实例 中 刚性 活 动支 架 与柔性 活 动支 架 的 比较 方 工
表 １ 荷载组合
式 中： ｂ为支 架 柱沿 管 轴 向 的宽 度 ； ｈ为支 架 柱
沿 管径 向 的宽度 。
管道工作状态 荷 载
运行状态
荷载 组合
刚 性 活 动 支 架 和 柔 性 活 动 支 架 计 算 简 图 见 图
２ 图 ３ 、 。
垂直荷载 管道自重（ 台保温层）管道内输送介质重量 、 水平荷载 管道轴向的水平荷载、 径向风荷载、 地震作用力
统 就成 为一个 稳 定 的系统 。架 空 管道 及支 架 系统 常 见 的布 置如 图 １所示 。
质 量 和装 置安 全运 行起 着 非常 重要 的作 用 。长距 离 的架空 输送 管 道在 介 质 和 大气 温 度 变 化 的作 用 下 ，
将 产生 热 胀 冷 缩 现 象 。为 适 应 这 种 热 胀 冷 缩 的要 求， 保证 管 道 稳定 和满 足正 常 生产 的要 求 ， 常每 隔 通
备
３ 管 道 支 架 的 合 理 及 优 化 设 计
应 注意 区分 固定 支 架 和刚性 支架 的概念 。固定 支架 （ 用 四根柱 子 加斜 撑 组成 ） 常 本身 的横 向和纵 向
变形 是很 小 的 ， 管 道 与 其 固 定 ， 能 发 生 相 对 位 而 不 移 ， 整 个管 道 系 统 稳 定 的保 证 。根 据 不 同管 道 直 是
当 Ｐ≤Ｐ 即 ｆ ｍ， Ｈ ３ Ａ Ｌ Ｅｈ ｎ
＿
，
管架 为柔性 活动
一
支 架
上 的 Ｊ ｔ荷 载 。 （ ） 震 区 管 道 所 受 的 水 平 地 震 ｘ， ３地
力。
当ｆ ｍ 警 时管 为 性 ２４ Ｐ Ｐ， ＜ 垦 ＞ 即 ， 刚活 ． 架
动支架。
管道支 架 的荷载 组合
力
固定 支架 在 竖 向 、 向（ 管 道轴 向） 纵 沿 及横 向（ 沿 管道 径 向） 限制 管道 的位移 ， 均 以保证 管道 系统 的稳
定 。其所 受 的纵 向水平 力 通 常 由 ３部 分组 成 ： １ 区 （） 段 活动支 架对 管 道作用 反 力 的合 力 ； ２ 伸 缩节 的反 （）
差 ； 管道 固定 点至 所计算 的管架顶 之 间的距离 。 Ｉ为
对矩 形 断面 的管道 支 架来说 ， 根据 上 面公式 ， 可
以推 出 以下 判 断公式 ：
所 受 的风荷 载 。它 作 用 在管 道 中心 线上 ， 以集 中 并 力 加弯矩 的形式 传 给支 架 。 （ ） 梁式 管 架 纵梁 所 ２纵 受 的风荷 载 。对 独 立管 架 来说 ， 柱子 所 受 的 风荷 载 般 可忽 略不计 ， 纵梁 式 管 架要 考 虑作 用 到纵 梁 但
表格 （ 文献 Ｅ－ ５ ３ ； 为作 用 在 １个 管 架顶 如 ］Ｉ — ）Ｇ 表
上 的总计垂 直荷 载 私为 管道 与支座 问 的摩 擦 系数 。
』１
图 ３ 柔性 支 架 计 算 简 图
而柔 性 管架 刚度 较 小 ， 管道 与 支架 之 间还 没 当 达 到最 大摩 擦力 时 ， 管架 已和 管道一 起变形 ， 管道 作
补 偿 器
接 设 备 固定 支 架 活 动 支 架 活 动 支 架 活 动 支 架 活 动支 架 活 动 支 架 活 动 支 架 固定 支 架 活 动 支 架 活 动 支架
图 １ 管 架 系统 示 意
２ 管 道 支 架 分 类 及 设 计
２ １ 管道 支 架 的分 类 及 管 道 支 架 所 受 的 纵 向水 平 ．
管道 自重 （ 保温层 ）试压水重 含 、
施工施压状态 垂 直荷载
水平荷载
管道釉向的水平荷载、 径向风荷载
２ ５ 长细 比的控 制 ．
支 架设计 时 ， 除了满 足强度稳 定 的计 算 要求 ， 还
要满 足长 细 比的构造 要 求 ， 层 独立 式 管 架 的计 算 单
圈 ２ 刚 性 支 架计 算 简 圈
图 ４ 图 ５所 示 。钢 管 与 橡 胶 之 间 的 摩 擦 系 数 取 、 ０ ４ 混凝 土 的 弹性 模 量 Ｅ 一０ ８ ×２ ５ ×１ ４Ｎ／ ．， ｏ ． ５ ．５ ０
ｒｍ２ 钢 管 在 常 温下 的线 膨 胀 系数 ａ＝１ １ ｘ １ ａ ， ＝ Ｉ９ ０ ＝ ｃ ｍ ・℃） ｍ（ 。风荷 载 Ｗ０ ． ０ｋ ｍ２ 一 ｌ 一 —０ ５ Ｎ／ ， ，
动支 架相 同 。对输 液 管 道 ， 向荷 载 包括 管 道 自重 竖 （ 含保 温层 ） 管 内输送 介 质 重 以及 施 工 试压 阶段 的 、
液体重 量 。
Ｇ－ ｌ２ （ ｚ ｑ ＋ ｑ ） ∑ ｑ － ＿ ∑ ｑ＋ Ｉ Ｉ ＋ Ｙ
Ｇ
—ｒ ——ＬＴ
式 中 ： ｍ 为 管 道 与 支 座 间 的最 大摩 擦 力 ； Ｐ Ｋｑ 为管 道 间 的相 互 牵制 系数 ， 有 关 手 册提 供 的相应 查
表 明 ， 用柔 性 活动支 架 可减 小所 受 的水平 推 力 ， 高 经济 效益 ； 件许 可时 ， 可采 用 聚 四氟 乙烯 采 提 条 也
垫 板减 小 管道 与 活动 支架 间 的滑 动摩 擦力 。 关键 词 ： 刚性 支架 柔性 支架 摩 擦 力 固定 支架 变位 弹力
段 距离 ， 置一 个 固定 点 ， 两 个 固定 点 之 间 ， 设 在 设
管道 支 架 按 材 料 分 有 钢 筋 混 凝 土 结 构 及 钢 结
构 ； 外形 分 有 Ｔ 形 、 按 Ⅱ形 、 层 、 层 、 片 、 间 单 多 单 空 等 。管架 最基 本 的分类 应按 管 道对 变形 的适 应 能力 分为 ： 固定 支架 、 动支 架 和摇 摆支 架 。其 中摇 摆支 活
度 系 数 ；为 钢 柱 最 小 回转 半 径 ； ｉ ｂ为 混凝 土 柱 高 或 宽 。系数 （． ５ １５根 据 管道 的纵 向刚度定 ， 道 １２ ～ ．） 管 直径大 ， 根数 多 取 １ ２ ， 则取 １５ ． ５否 ． 。对 钢结 构 管架
来说 ， 如果 是 非 震 动 且 竖 向 荷 载 寝 小 管 架 ， 场 制 现 作、 安装 条 件 又有保 证 ， 将允 许 长 细 比放 大 到 ２ ０ 可 ５
表 ３ 基 础 的 允许 偏 心 率
×Ｈｏ ． １ ． －８． Ｎ ・ 一９４ ×８ ５ ００ｋ ｍ。（ 为管 中心 距 Ｈ０
基 础顶 的 高度 。 ）
注 ： Ｂ为基 础边 长 ；ｘ ｅ 为 偏 心 距 ； ｘ Ａ、 ｅ 、ｙ ｅ —Ｍｘ Ｎ，ｙ Ｍｙ Ｎ。 ／ ｅ ／
接 设
补 偿 器
１２， 一１ ． ×０ ５ ０ ６ｋ ｎ ， ｙ １ ４ ． Ｗｋ ×１２ ． － ． Ｎ／ ｆ Ｆ ＝ ． ×、
× ＤＸ Ｌ一 １ ４× ０ ６ ０ ８ １ — ９ ４ Ｎ ， ｘ Ｆ ． ． × ． × ４ ． １ｋ Ｍ ＝ ｙ
３０ 但需 通 过仔 细 的强 度及 稳定 性计 算 。 ０，
－
某常 温 工 作 的 高 架 输 水 管 道 ， 称 直 径 ８ ０ 公 ０ ｍｍ， 中心距 地 面 ７５ｍ； 管 ． 管重 １５ Ｎ／ 充 满水 ．９ｋ ｍ，
时 ， 重 ５ ０ Ｎ／ 采 用 Ｔ 形 钢 筋 混 凝 土 独 立 活 水 ． ２ｋ ｍ；
动支 架 ， 跨度 １ ｍ， 架 柱 高 ８ｍ； 装 时 温度 ５Ｃ， ４ 支 安 ￣ 运行 时 管 内水 温 最 高 达 ５ ＂ 支 架 顶 部 做 成 ｕ型 ０ Ｃ； 槽， 加卡 箍 限制钢 管 的径 向移 动 ， 用 橡 胶 衬 垫 ， 并 如
构 配件 老化 后 更换 困难 ， 工程 中 已经较 少 采用 ， 在 故
本 文不 再讨 论 。
４ ６
四川化 工
第１ ４卷
２ １ 第 ３期 ０ １年
管 架顶 部接 触 面产 生 相对 位 移 ， 而它 承 受 的管 道 因 移 动产 生 的水平 摩擦 力 Ｐ为最 大摩擦 力 ：
Ｐ 一 Ｋｑ Ｇ （Biblioteka Baidu １
架 。从 构造 上 看 ， 刚性 、 性 活 动 支 架是 一 致 的 ， 柔 即 柱底 固定 ， 顶 自由。但 刚性 管架 的纵 向 刚度较 大 ， 柱 管架 的变 形不 能适 应 管 道 受热 变 形 的需 要 ， 管道 与
架 对管 道 的变 形适 应 能 力 最 强 ， 因而 最 为 经 济 。但 摇 摆支 架制 作较 麻烦 ， 铰 性能 可靠 度不 足 ， 半 且半 铰
一
１ 概 述
管 道设 计 中支 架 的合 理及 优化 设计 对 整个 管道
置补 偿 器 。这 样 管 道 系统 就分 为若 干 区段 ， 每个 区
段 的热胀 冷缩 能 量 由这 一 段 的补 偿 器 吸 收 ， 动支 活 架所 受 的力也 通 过 该 段 管 道传 给 固定 支 座 ， 个 系 整
图 ４ 输 水 管 架 立面 示 意 图
抱 箍 固 定
径 ， 缩 节要 求较 长 距离 才 设定一 个 ， 道对 其 主要 伸 管 作 用力 为该 区段 活 动支 架对 管 道作用 反 力 的合 力加 上 伸缩 节 的反力 及 补偿 力 。刚 性支 架是 活动 支 架 中
力 ；３ 管道 的不 平 衡 内压 力 。应 当 注意 ， 固定 支 （） 对
架来 说 ， 算 单 元 为两 伸 缩 节 之 间 的 区域 。第 ｌ 计 项
可 由结构 专业 计 算 ， 余 两项应 由工艺 专业 提 供 。 其
活 动支架 只是 在 管道 竖 向 、 向限制其 移 动 ， 横 纵 向移 动是 允许 的 。活动 支 架又 分 刚性支 架 和柔 性支
用 在其 顶部 的荷 载变 位 弹力 Ｐ为 ： ｒ
Ｐｆ ＝ ｎ （） ２
式 中 ：． １２为荷 载 系数 ； 管道 自重 ，Ｎ／ ｑ为 ｋ ｍ；
ｑ为管道保温层重，Ｎ ｍ；ｖ ｗ ｋ ／ ｑ 为管道 内输送 的液体
式中： 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 ； 管架 柱 的根数 ； 为 管 ｎ为 Ｈ
△ Ｉ 一 ａ・ ｔ・Ｉ △ （） ３
式 中 ： ｑ为管道 内冷凝 液 的重 量 ，Ｎ／ Ｉ ｋ Ｉ。 Ｔ
２ ３ 管道 支架所 受 的径 向水 平力 ． 管道 支架 所受 的径 向水 平力 主要 包括 ：１ 管道 （）
式中 ： 管道的线膨胀系数； ｔ ａ为 Ａ 为管 内介 质
的最高温度 （ 或最 低温度） 与安装 管道时大气 温之
重 量 ，Ｎ／ Ｉ为 管道支架 间距 ； ｋ ｍ； Ｇ为作 用在 １ 管 个
道 支架上 的垂直 荷载 设计值 。 对输 气管道
Ｇ— １ ２ （ ｚ ｑ ． ∑ ｑ ＋ ＋ ｑ．Ｉ Ｉ ）
架 高度 ； Ｉ为主 要 热 管道 在 所 计 算 管 架 顶处 的热 △ 变形 值 。