_隧道内大水平推力热力管道固定支架设计研究

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白旭峰，等： 隧道内大水平推力热力管道固定支架设计研究
第 35 卷 第 5 期
水平推力方向
图 7 水平推力作用下管道 Mises 应力
图 10 水平推力作用下斜支撑 Mises 应力
图 8 水平推力作用下立柱和横梁 Mises 应力（ 受拉侧）
国内已实施的在通行管沟内架空敷设热力管道 工程，其管道公称直径不大于 1 000 mm，管道固定 支架水平推力不超过 2 000 kN。关于隧道内的大管 径、大推力的管道固定支架的研究尚属空白。本文 结合古交兴能电厂至太原供热主管道及中继能源站 工程，分析研究隧道内巨大水平推力热力管道固定 支架设计方法。该项目中热力供水管道固定支架承 受水平推力达 7 500 kN，管道固定支架的结构形式、 管道与支架的连接节点、支架与隧道的连接、支架在 隧道内的锚固生根等都是亟待解决的技术难题。在 充分保证管道运行安全的基础上，最大可能地充分
基金项目： 黑龙江省教育厅科学技术研究项目（ 12531482） 收稿日期： 2015 － 03 － 19； 修回日期： 2015 － 03 － 23
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白旭峰，等： 隧道内大水平推力热力管道固定支架设计研究
第 35 卷 第 5 期
利用管道自身的强度特点，采用合理的结构体系和 细部 构 造，减 少 造 价，确 保 集 中 供 热 安 全、经 济、高 效，为其他管道固定支架设计提供参考。
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煤气与热力
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图 12 重力和水平推力共同作用下管道 Mises 应力
是建立在管道固定支架可靠的基础上［1］。 热网中热力管道的敷设方式有地上敷设、管沟
敷设和直埋敷设 3 种。近几十年来，直埋敷设因施 工速度快、占地少、保温性好等优点广泛应用于热水 供热管网中。因此，对于直埋管道支墩受力分析与 计算的研究，国内外已经取得很多的成果［2 － 5］。对 于地上敷设管道固定支架的受力分析与计算，虽然 研究得更多、更早，但几乎都是早期的研究成果，且 由于理论相对比较成熟，所以近几年的发展相对缓 慢［6］。
图 5 重力荷载作用下斜支撑 Mises 应力
加劲肋 底板
图 3 重力荷载作用下管道 Mises 应力
图 4 重力荷载作用下立柱和横梁 Mises 应力
② 水平推力作用
图 6 重力荷载作用下加劲肋板及底板 Mises 应力
水平推力作用下管道受力模型是轴心受压构 件，与简化计算方式的分析一致，管道应力云图见图 7。水平推力作用部分管道，应力大部分在 100 MPa 左右，在与加劲肋板和底板连接的部位由于局部弯 曲的作用，应力突然增大，最大值约 217 MPa，满足 GB 50017—2003 的要求。对受拉侧，立柱和横梁为 H 型钢强轴受弯，在整体弯矩作用下立柱和横梁应 力并不大，约 100 MPa。受拉侧翼缘 Mises 应力见图 8，由于加劲肋板边缘与立柱和横梁翼缘焊接，局部 弯矩作用下等效应力会达到 314 MPa，略超出了设 计强度上限。受压侧翼缘 Mises 应力见图 9，在整体 弯矩作用下立柱和横梁应力也不大，约 100 MPa，但 在局部弯矩作用下，等效应力会达到 350 MPa，超出 了设计强度上限。斜支撑 Mises 应力见图 10，有限 元结果与设计简化分析结果基本一致，大部分小于 50 MPa，但与立柱连接处有应力集中，应注意加强 焊缝的延性处理。加劲肋板及底板有限元分析结果 见图 11，可以看出在局部荷载作用下，底板等效应 力会达到 350 MPa，超出了设计强度上限，应加厚。
第 35 卷 第 5 期 2015 年 5 月
煤气与热力
GAS ＆ HEAT
Vol． 35 No． 5 May 2015
隧道内大水平推力热力管道固定支架设计研究
白旭峰1， 孟昭辉1， 刘洪波2， 苏晓果1
（ 1． 中国市政工程华北设ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ研究总院有限公司，天津 300074； 2． 黑龙江大学 建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080）
2 项目概况
古交兴能电厂至太原供热主管道及中继能源站 工程总造价近 40 × 108 元，热源来自山西省古交兴 能电厂，受热地点为太原市，供热系统设计供热规模 为 7 600 × 104 m2 ，供热管线全长 80 km。结合该工 程的实际情况，主管道敷设方式分别采用直埋敷设、 野外架空敷设及隧道内架空敷设，其中隧道内架空 敷设约 15． 4 km。隧道热力管道断面及管道固定支 架结构设计见图 1，共敷设四根 DN 1 400 mm 热力 管道，根据隧道的对称结构特点，两侧管道固定支架 也对称布置，上部两根供水管，下部两根回水管，上 层供水管的管道固定支架沿管道长度方向推力巨 大，达到 7 500 kN，离隧道壁远，固定困难，是本文研 究的重点。
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水平推力方向
箱形斜支撑
图 2 三维有限元模型
受弯，最大应力在上部横梁中部，Mises 应力为 38． 0 MPa，见图 4。斜支撑受力很小，见图 5，与之前的分 析结果一致，这是由于重力主要由立柱承担。加劲 肋板及底板简化计算比较困难，有限元分析结果见 图 6，重力荷载作用下加劲肋板及底板应力不大，应 力集中加劲肋板尖端为 306 MPa（ 由于极少量网格 数据能呈现该值，在图中无法显示） 。
图 9 水平推力作用下立柱和横梁 Mises 应力（ 受压侧）
③ 综合受力分析 重力载荷和水平推力共同作用下管道受力模型 是压弯构件，管道应力云图见图 12。水平推力作用 部分管道，应力大部分在 100 MPa 左右，在与加劲肋 板和底板连接的部位由于局部弯曲的作用，应力突 然增大，最大值 213 MPa，满足 GB 50017—2003 的 要求。对受拉侧，在整体弯矩作用下立柱和横梁应
加劲肋板 16 mm 厚
箱形斜支撑
图 1 热力管道断面及管道固定支架结构设计
3 管道固定支架设计方案研究
隧道内支架间距 25 m，供水管道的折算重力荷 载为 34． 8 kN / m。考虑到隧道内施工空间狭小，隧 道长度超过 10 km，为方便施工安装，管道固定支架 采用钢结构，隧道外制作，运输就位焊接安装。为了 保证管道固定支架的安全，必须采用受力清晰、传力 路径明确的设计方案。在设计方案阶段，对复杂结 构的简化是非常重要的，经过理论分析和初步研究， 设计管道固定支架上、下、侧面固定于隧道二衬上， 与预埋件焊接，连接节点及预埋件按固结计算及构 造。隧道一衬二衬局部环状加厚，与岩体形成环状 顶推面，以承受管道纵向推力。由于水平推力巨大，
1 概述
对热力管道而言，管道固定支架受力分析与计 算是供热系统安全运行的重要保障。但是，管网在 运行过程中，爆管、管道开裂等事故时有发生，其中 相当一部分是由管道设计者对管道固定支架的受力 分析计算以及强度校核不准确引起的。在工程设计 中，管道受 力 分 析 主 要 解 决 管 道 的 强 度、刚 度 等 问 题，为管道布置、安装、配置提供科学依据，但这些都
5 设计方案改进
① 去掉焊缝加承托角钢 有限元研究结果发现，受拉侧加劲肋板底板与 立柱横梁翼缘焊接容易造成局部弯矩作用下破坏。 而且这种情况也会形成人工缝，见图 17a。从断裂 力学角度看，如 果 焊 接 材 料 塑 性 较 差，在 拉 力 作 用 下，在人工缝处产生应力集中，会使该裂缝扩大，极
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4 有限元分析
采用有限元分析的方法对管道固定支架工作性 能进行分析研究，主要侧重管道固定支架在均布重 力荷载作用下和水平推力作用下各部分的受力情 况。有限元分析采用 ANSYS 软件，有限元模型选用 Shell181 单元进行网格划分，网格划分尽可能采用 矩形单元，角部、受力较大部位的网格进行细化。钢 材的本构关系采用理想的双线性模型，用以反映钢 材屈服、构件变形等非线性特性。钢材的屈服强度 根据材料实验或钢材标号进行选取。泊松比根据规 范取 0． 3。有限元模型考虑加劲肋板底板和横梁立 柱之间的接触，采用目标单元 TAＲGE170 和接触单 元 CONTA173 模拟，摩擦系数取 0． 4。受力分析时 的计算单元将管道从两支架中间截断，立柱和横梁 与隧道的连接均设为固定连接，由于计算单元管道 两端的约束与等跨连续梁跨中情况类似，可以沿管 道长度方向移动，可以垂直管道竖向移动，不能沿水 平方向移动，不能转动。重力荷载均匀加到管道划 分的网格节点上，水平推力均匀施加在管道的右端。 有限元模型见图 2。
如果仅采用主立柱受弯来承受水平推力，一方面该 立柱截面太大，另一方面材料强度得不到充分利用， 浪费材料。立柱设计方案中加入支撑体系。在立柱 沿管道纵向设米字形支撑，形成轴心受力体系。支 撑按轴心受力构件设计，为了安全起见，支架与隧道 连接节点分别按铰接和刚接计算两次，取不利结果 设计构件和焊缝。斜支撑主要承受水平推力，立柱 主要承受重力荷载。管道与支架连接采用环状加劲 肋板底板构造，保证沿管道周长均衡传递水平推力。 经过简化计算分析，构件的设计数据见图 1 （ 单位 mm） 。加劲肋板及其底板初步选 16 mm 厚钢板，钢 材支架选用 Q345B，DN 1 400 mm 热力管道钢材为 L290。
① 重力荷载作用 重力荷载作用下管道受力模型是多跨连续梁， 这一点有限元分析结果与简化计算时的分析一致， 管道应力云图见图 3（ 数据轴的单位均为 Pa，数据中 的． 表示小数点，每种颜色均表示一个数据范围，以 下各图情况均与此相同） ，最大应力出现在支座上 部，约 32． 9 MPa，远小于设计强度 290 MPa，满足 GB 50017—2003《钢 结 构 设 计 规 范 》（ 以 下 简 称 GB 50017—2003） 的要求。立柱和横梁为 H 型钢弱轴
关键词： 热力管道； 支架设计； 有限元分析； 水平推力； 支撑体系； 隧道 中图分类号： TU995． 3 文献标志码： B 文章编号： 1000 － 4416（ 2015） 05 － 0A04 － 06
DOI:10.13608/j.cnki.1000-4416.2015.05.002
作者简介： 白旭峰（ 1970 － ） ，男，山西临县人，高级 工程师，学士，主要从事市政结构设计及研究工作。
图 11 水平推力作用下加劲肋板及底板 Mises 应力
力并不大，约 100 MPa。受拉侧翼缘 Mises 应力见图 13，由于加劲肋板边缘与立柱和横梁翼缘焊接，局部 弯矩作用下等效应力会达到 350 MPa，略超出了设 计强度上限。受压侧翼缘 Mises 应力见图 14，在整 体弯矩作用下立柱和横梁应力也不大，约 100 MPa， 但在局部荷载作用下，等效应力会达到 350 MPa，超 出了设计强度上限。斜支撑受力见图 15，有限元结 果与设计简化分析结果基本一致，大部分小于 50 MPa，但与立柱连接处有应力集中，应注意加强焊缝 的延性处理。加劲肋板及底板有限元分析结果见图 16，可以看出在局部荷载作用下，底板等效应力会达 到 350 MPa，超出了设计强度上限，应加厚。
摘 要： 结合实际工程，简化计算时热力管道固定支架整体受力安全的前提下，应用有限元 方法对隧道内水平推力和重力荷载单独作用及综合作用下的热力管道固定支架进行了受力分析研 究。在结构方案设计阶段，简化计算是非常必要的； 大管径、大推力的管道固定支架宜采用斜支撑 等轴心受力构件支撑体系； 钢结构焊接节点中应避免出现人工缝； 不易简化的复杂结构或不成熟的 节点构造，应借助实验或有限元进行分析。
顶梁 1 000×300×16×16 加劲肋板 350×350×16
每侧共 6 个 次立柱 1 000×300×16×16
底板 16 mm 厚 中间水平梁 1 000×500×20×24
主立柱 1 000×500×20×24 箱形斜支撑 400×400×16×16 加劲肋板 350×550×16 每侧共 14 个