化工管架优化设计的途径

ＣＨＥＭＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＤＥＳＩＧＮ化工设计２０１３，２３（４）
化工管架优化设计的途径
张瑞松倡　浙江省天正设计工程有限公司　杭州　３１００１２
摘要　根据化工管架结构的体系和受力特点，提出管架结构设计中可以采用的优化设计途径。

关键词　固定管架　刚性活动管架　柔性活动管架　优化设计
管架系指支承架空管道或其他仪电管线、桥架的各种结构的总称。

管架上的架空管道为各生产装置或存储装置输送原材料、半成品和成品，是化工工厂物料输送的主要方式之一，连接工厂各个建构物的管架，又是化工工厂设计中不可或缺的一种结构形式。

由于管架线路长、数量多，所以设计过程中做到优化设计是结构设计人员的责任。

笔者通过多年管架设计经验的总结，提出管架设计中可以采用的优化设计的途径，供设计人员在工程设计中灵活组合使用，在保证结构安全的前提下，达到节约投资的目的。

１　管架的分类
１畅１　按照管道在管架上的支撑条件分类
管架按管道在管架上的支撑条件可分为固定管架和活动管架，其中活动管架又可分为刚性活动管架和柔性活动管架。

（１）固定管架指管道支座与管架为固定连接，管道与管架之间不允许产生相对位移，承受区段间产生的全部纵向水平推力的管架。

（２）刚性活动管架指活动管架（柱）的刚度较大，管道位移时，管架的水平位移小于管道位移，因此管道与管架之间产生相对位移，承受管道位移时产生的摩擦力的管架。

即管道位移产生的摩擦力标准值小于等于由于管架柱顶变位产生的弹性反力标准值的活动管架。

（３）柔性活动管架指活动管架（柱）的刚度较小，管道位移时，管架的水平位移能满足管道位移的需要，管道与管架之间不产生相对位移，承受柱顶变位产生的水平推力的管架。

即管道位移产生的摩擦力标准值大于由于管架柱顶变位产生的弹性反力标准值的活动管架。

１畅２　按支承管线的高度分类
管架按支承管线的高度可分为：低管架、中管架及高管架以及特种管架。

（１）低管架指管道保温层外缘至地面净距为０畅５～２畅５ｍ之间的管架。

（２）中管架指管道保温层外缘至地面净距为２畅５～５畅０ｍ之间的管架。

（３）高管架指管道保温层外缘至地面净距为５畅０ｍ以上的管架。

（４）特种管架指被支承的管道直径大于等于５００ｍｍ、管道数量３根或３根以下，且高度大于１０ｍ的管架。

２　管架的受力特点
２畅１　管廊的受力特点
（１）采用平面模型简化计算时，纵梁或桁架与柱为铰接时，管线的不平衡推力和纵向地震作用可由柱间支撑承受，柱可按单向偏心受压构件计算。

（２）管廊式管架横梁承受管道的竖向荷载和水平推力，应按双向受弯构件进行计算。

管廊式管架的纵梁或桁架，承受管道轴向水平力和由横梁所传递的垂直荷载，以及转弯管道所传递的荷载，应计算偏心而引起的附加弯矩，按拉弯或压弯杆件计算。

纵梁与柱节点的连接件，应按纵梁承受的轴向力进行抗剪计算。

（３）采用平面模型简化计算时，管廊式管架的桁架上部支承管道时，管道轴向水平推力可由桁架上弦杆承受，部分转弯管道的水平推力可由
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倡张瑞松：高级工程师，一级注册结构工程师，注册咨询工程师。

１９９４年毕业于浙江工业大学工业与民用建筑专业。

从事结构设计工作。

联系电话：（０５７１）８８３６２９３６，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇ－ｒｓ＠ｚｐｃｄｉ畅ｃｏｍ。

２０１３，２３（４）张瑞松　化工管架优化设计的途径　
桁架上弦水平支撑承受。

（４）柱间支撑可按受拉构件设计，对于地震区需要进行地震承载力验算的管架或有振动管道的管架，柱间支撑应按中心受压构件设计。

在柱间支撑处沿地面以下宜设置基础拉梁。

２畅２　独立式管架的受力特点
独立式管架柱应按双向偏心受压构件计算，对于“Ｔ”型管架柱，尚需进行抗扭计算。

活动管架梁应按双向受弯构件计算，水平荷载作用下的弯矩Ｍｙ≤０畅１Ｍｘ（Ｍｘ为垂直荷载作用下的弯矩）时，可按单向受弯计算。

独立式固定管架梁应按双向受弯及受扭计算。

３　管架结构体系的优化
３畅１　合理选择管架结构形式
管架的结构形式应结合项目的实际情况选用，原则上外形复杂、扩建改造可能性较大的管架宜用钢结构；外形简洁且改（扩）建可能性不大的管架，可采用钢筋混凝土结构；大中型企业装置区内的管架，宜采用钢管廊式管架。

也可根据实际情况，底层采用钢筋混凝土结构，底层以上采用钢结构的混合结构管架；活动管架高度大于６ｍ，且管线的位移较小时，宜采用柔性管架。

３畅２　应尽量设置中低管架和柔性管架
当管架跨越道路、铁路时有净空的要求，如对厂区道路不应小于５畅０ｍ；对装置内的检修道路和消防道路不应小于４畅５ｍ；跨越铁路时，轨顶至桁架下缘对可燃气体、液化烃和可燃液体的管道不应小于６畅０ｍ，对其他管道不应小于５畅５ｍ。

对于其他管架应尽量采用中低管架，有利于减少柱的计算长度和柱底弯矩，从而降低投资。

同时，对于跨越管架和其他较高的活动管架，如采用刚性管架设计，柱底弯矩很大，造成浪费，而且这类管架架顶变位要求不高，故采用柔性管架设计比较合理。

３畅３　合理选择管廊的纵向柱距
纵梁式管廊纵向柱距可采用９ｍ，柱距大于９ｍ时，可在两侧的纵梁上翼缘设置水平支撑，见图１和图２。

与６ｍ柱距相比管架柱、横梁与纵梁截面不会增加很多，而管架数量却减少。

对于９ｍ以上的柱距，纵向梁柱铰接时采用钢梁不经济。

当然在软弱地基条件下，若基础部分的工程费用相对上部管廊结构高很多，可以考虑管廊纵向柱距拉大到９～１５ｍ。

在固定架或柱间支撑处为便于设置竖向支撑，宜采用６ｍ柱距。

固定管架应采用刚性管架。

水平推力较小者可采用独立式管架，较大者宜采用组合式空间体系结构、四柱式框架或纵向为“Ａ”字形式的空间结构，组合式结构宜采用
钢柱间支撑。

图
１　交叉形水平支撑
图２　三角形水平支撑
３畅４　合理设置固定管架的位置和数量
管线长度较长，热胀（冷缩）变形量很大，为了有计划地分配管线和膨胀（收缩）量，固定管架的位置极其重要。

管线布置对称均匀，管线牵制作用大，管线受力才合理。

由于固定管架承受区段内产生的全部纵向水平推力的管架，一般水平的推力较大，枟化工、石油化工管架、管墩设计规定枠新版的征求意见稿对固定管架的长细比要求较高，见表１和表２。

因此当管架上的管道数量较多时应尽量将各管道的固定点设置在同一榀管架上，减低固定管架设置的数量，从而降低工程投资。

４　管架构件和荷载的优化
４畅１　活动管架应考虑荷载的牵制系数
活动管架上敷设３根或３根以上管道时，活动
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表１　钢结构构件容许长细比（Ｌｏ／ｉ）
构件名称抗震等级
一级二级三级四级固定管架柱１２０１２０１２０１５０刚性管架柱１２０１２０１５０１５０柔性管架柱１５０２００２００２００水平支撑受拉２５０２５０３００３００水平支撑受压１５０１５０２００２００柱间受拉交叉支撑１５０２００２５０３００柱间受压交叉支撑１５０１５０２００２００一般柱间人字撑１５０２００２００２００柱间支撑的横梁１５０１５０１５０１５０纵梁及钢桁架
中各杆件
受　拉３００３００３００３００受　压
１５０
１５０
１５０
１５０
表２　钢筋混凝土柱容许长细比（Ｈｏｘ／ｂ、Ｈｏｙ／ｈ）
构件名称容许长细比
刚性管架柱３０柔性管架柱４０固定管架柱
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管架轴向水平推力应乘以牵制系数Ｋｊ，见表３。

当管架上敷设４根或４根以上管道时，应乘以管道牵制系数Ｋｊ，见图３。

敷设多层管道的管架，按图３
查取牵制系数Ｋｊ时，α值按下列规定取值。

计算柱、基础时，全部热管中应选定一根主要热管重量与上、下层全部管道总重量之比；计算梁时，所计算的该层应选定一根主要热管与该层全部管
道总重量之比。

图３　四根或四根以上管道牵制系数
表３　单层管架上敷设有３根管道时的牵制系数Ｋｊ
α
主要热管重量
全部管道重量
牵制系数Ｋｊ
＜０畅５０畅５００畅５≤α≤０畅７
０畅６７＞０畅７
１畅００
４畅２　合理设置纵梁上支撑中间横梁的竖杆在装置区管廊往往支承的管道数量多且管径较小，为符合支承中间横梁的需要，势必要层层设置纵梁。

由于各层的距离不大，一般为ｌ畅２～２畅０ｍ，过多的纵梁将导致沿纵向显得笨重，管道转弯的空间小，为减少纵梁的设置数量，节省管廊的空间及用钢量，可取消中间层的纵梁，沿上、下层纵梁间设置若干竖杆支承横梁，见图４。

由于中间横梁支承的管道管径较小，因此荷载不大，
该竖杆可设计得轻巧美观。

图４　设有竖杆的管廊式管架横剖面图
４畅３　桁架的斜杆宜按受拉杆件设计
工程中桁架的结构形式很多。

为便于支撑管道通常采用平行弦杆桁架，当桁架支于柱顶时，支座斜杆常采用上升式；当桁架支于柱间时，支座斜杆常采用下降式或上升式。

通过对不同桁架腹杆布置的比较发现，在靠近桁架两侧支座的斜杆采用下降式时，杆件均承受拉力，受力状态较为理想，且不会出现截面突变的情况。

但是这种布置方式会在柱上水平向产生较大拉力，在设计柱截面或连接节点时应考虑拉力的作用，见图５。

４畅４　刚性管架上设置摩擦系数较小的材料
刚性活动管架水平推力标准值计算式：
Ｆｍ＝Ｋｊ・Ｇ１・μ′
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图５　桁架腹杆布置与应力比较示意图
式中，Ｋｊ为牵制系数；Ｇ１为正常操作时作用在一榀管架横梁上的总垂直荷载标准值，ｋＮ；μ′为摩擦系数，钢与钢滑动接触时采用０畅３，钢与混凝土滑动接触时采用０畅６。

刚性管架上的水平推力与摩擦系数有很大的关系，当刚性管架上的管道数量不多，且主要的管道为热管或冷管时，可以考虑采用摩擦系数较小的材料如聚四氟乙烯板，聚四氟乙烯板与钢滑动接触时的摩擦系数为０畅１，可大大减小管架水平推力标准值。

４畅５　固定管架基础应允许出现零应力区
当有风荷载、地震作用时，管架基础底面零应力区的面积应符合基础底面允许部分脱开地基土的面积应控制不大于底面全面积的１／５。

固定管架基础垂直荷载较小，水平荷载较大，偏心距超出基础核心范围，将产生基底大面积脱离的现象，如严格控制基底不容许产生脱离，势必将基础设计得过大。

４畅６　统筹考虑管线在管架中的位置
在设计时，通常考虑小直径管道应放在上层，热（冷）管、大直径管道应放在下层；需经常维修的管道应放在下层或外侧，带有阀门的管道应放在方便操作的位置或沿检修通道敷设。

管架布置同时应考虑电气和仪表电缆桥架敷设的需要，并考虑生产扩建需要预留的位置。

装置区管廊式管架中电气和仪表电缆桥架宜布置在管廊最上层，可沿纵向一侧布置或两侧布置。

４畅７　可不计算水平推力的柔性活动管架
柔性活动管架的水平推力主要是由于管道的最高温度与管道安装时温度有差距，管道发生位移而产生的，环境温度的变化对柔性活动管架的水平推力影响较小。

当柔性活动管架（不包括支承有振动管道的管架和跨越式管架）所支承的管道符合下列条件之一时，管道的水平推力可不计算。

（１）常温管道，介质的温度不超过４０℃。

（２）管道数量在１０根以上，其中介质的最高温度Ｔｍａｘ≤１３０℃。

（３）主要热管重量与全部管道重量的比值α≤０畅１５。

５　管架的防火设计优化
根据现行国家标准枟石油化工企业设计防火规范枠ＧＢ５０１６０的规定，在爆炸危险区范围内的主管廊的钢架应采取耐火保护措施，而爆炸危险区范围在化工及石油化工企业一般由安全专业、化工专业或电气专业来确定，并不是管廊所有的部位都需要采取耐火保护措施。

在爆炸危险区范围内应作防火保护的钢结构管廊，其柱、梁和承重柱间支撑等构件的防火保护层设置高度、耐火极限应符合现行国家标准枟石油化工企业设计防火规范枠ＧＢ５０１６０第５畅６畅２条内容的规定；水平支撑、操作平台、走道、爬梯可不做防火保护层。

６　结语
化工工厂设计中管架的管线长，工程量大。

管架设计应与管道专业密切配合，通过合理选择管架的结构形式、统筹考虑固定点和柱间支撑的位置、优化管线的布置和荷载组合，尽量做到在保证结构安全的前提下管架设计经济合理、整齐美观。

参　考　文　献
１　ＨＧ／Ｔ２０６７０－２０００，化工、石油化工管架、管墩设计规定［Ｓ］畅北京：全国化工工程建设标准编辑中心，２００１畅２　ＧＢ５０１６０－２００８，石油化工企业设计防火规范［Ｓ］畅北京：中国计划出版社，２００９畅
（收稿日期２０１３－０３－１６）
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化工管架优化设计的途径
作者：张瑞松
作者单位：浙江省天正设计工程有限公司 杭州 310012
刊名：
化工设计
英文刊名：Chemical Engineering Design
年，卷(期)：2013(4)
本文链接：/Periodical_hgsj201304009.aspx。