縱梁式管架荷載計算及受力分析

余偉勝

(東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024)

縱梁式管架荷載計算及受力分析

余偉勝

(東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024)

該文對縱梁式管架的荷載、荷載計算原則進(jìn)行了說明，并對活動管架、固定管架進(jìn)行了受力分析，同時對管道(應(yīng)力)專業(yè)提出條件的規(guī)范性以及管架受力機(jī)理進(jìn)行了探討，對類似工程設(shè)計具有一定參考價值。

縱梁式管架 ;荷載; 管道(應(yīng)力)專業(yè)提出條件；受力分析

0 引 言

在石油化工廠,管道網(wǎng)承擔(dān)著輸送各種不同溫度(高溫、低溫、常溫)、不同壓力(高壓、中壓、低壓)的介質(zhì)(液體、氣體、固體顆粒)的任務(wù)。

管架是支撐架空設(shè)置的管道系統(tǒng)中除管道外的全部結(jié)構(gòu)的總稱[1]。按縱向聯(lián)系的結(jié)構(gòu)分為縱梁式管架、桁架式管架、吊索式管架等。當(dāng)前工程中基本不使用吊索式管架[2]。

在管架設(shè)計過程中,只有管道(應(yīng)力)專業(yè)提出完善的設(shè)計條件,結(jié)構(gòu)專業(yè)將條件準(zhǔn)確轉(zhuǎn)化為管架的設(shè)計荷載,才能展開后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算。本文主要針對石油化工工程應(yīng)用較多的縱梁式管架荷載計算及受力分析進(jìn)行探討。

1 管架荷載

1.1 荷載分類

1.1.1 垂直荷載

垂直荷載包含永久荷載、可變荷載。

永久荷載包含管道、內(nèi)襯、保溫層、管道附件重;管道內(nèi)介質(zhì)重;管架自重。

可變荷載包含平臺上活荷載;管內(nèi)沉積物、試壓水重;積灰荷載;冰雪荷載。

1.1.2 水平荷載

水平荷載為可變荷載,包含縱向和橫向水平荷載。

縱向水平荷載包含管道補(bǔ)償器反彈力,管道的不平衡內(nèi)壓力,活動管架的管道摩擦力或活動管架的位移反彈力。

橫向水平荷載包含風(fēng)荷載,拐彎管道或支管傳來的水平推力,管道橫向位移的摩擦力。

1.1.3 特殊荷載

特殊荷載包含事故水和地震作用荷載。

1.2 荷載分項系數(shù)

荷載分項系數(shù)按文獻(xiàn)[3]表7.0.2。管道專業(yè)提的荷載均作為標(biāo)準(zhǔn)值。

從文獻(xiàn)[3]表7.0.2可以看出,部分可變荷載的分項系數(shù)[4]與現(xiàn)行荷載規(guī)范[4]規(guī)定的分項系數(shù)有差別,而永久荷載分項系數(shù)是一致的。

1.3 荷載組合

管架承載能力極限狀態(tài),應(yīng)按管架規(guī)范表7.0.3[3]采用荷載效應(yīng)基本組合和地震作用效應(yīng)組合,取最不利者進(jìn)行設(shè)計。

管架正常使用極限狀態(tài),應(yīng)驗算梁(或桁架)豎向撓度,并按管架規(guī)范表7.0.5[3]進(jìn)行荷載組合?；炷凉芗軕?yīng)按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合并考慮荷載長期作用影響的剛度進(jìn)行計算;鋼管架考慮荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合。

1.4 垂直荷載計算原則

多根密排管道,宜按均布荷載計算。具體見表1[5]所列。

1.5 縱梁式管架水平荷載計算原則

1.5.1 活動管架水平推力

活動管架承受管道膨脹時產(chǎn)生的水平推力(該推力大于摩擦力時,管架承受摩擦力)應(yīng)按下列規(guī)定確定:

表1 集中荷載簡化為均布荷載

1.5.1.1 活動管架構(gòu)件支承的管道

符合下列條件之一者,水平推力忽略不計[3]:

(1) 常溫管道,輸送介質(zhì)的溫度不超過40 ℃;

(2) 管道至少10根,且最高溫度(包括掃線溫度)低于130 ℃;

(3) 主要熱管重量與全部管道重量之比小于0.15。

1.5.1.2 剛性管架與柔性管架的水平推力計算

活動管架的剛性柔性區(qū)分的主要依據(jù)是管架的剛度大小、管架水平位移能否滿足管道受熱變形的需要、管道與管架之間是不是產(chǎn)生相對位移。

(1) 剛性管架水平推力計算,如圖1所示。

圖1 剛性管架水平推力示意圖

剛性管架頂部的變形不能適應(yīng)管道變形需要,管道發(fā)生相對位移,產(chǎn)生摩擦力,即

(1)

其中,Fm為作用在剛性活動管架上,由于管道位移產(chǎn)生的摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值(kN);G1為 正常操作時作用在一榀管架橫梁上的總垂直荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN);μ′為摩擦系數(shù),鋼與鋼滑動接觸時采用0.3,鋼與混凝土滑動接觸時采用0.4,鋼與聚四氟乙烯之間采用0.1;K為牽制系數(shù),可按文獻(xiàn)[3]第4.1.3條和第4.1.4條取值。

(2) 柔性管架水平推力計算,如圖2所示。

圖2 柔性管架水平推力示意圖

柔性管架頂部適應(yīng)管道變形需要,與管道一起移動,產(chǎn)生彈性力:

混凝土管架:

(2)

鋼管架:

(3)

其中,Ff為作用在柔性活動管架上,由于柱頂變位產(chǎn)生的彈性反力標(biāo)準(zhǔn)值(kN);n為一榀管架柱的根數(shù),宜為2根;H為管架柱的高度,雙層管架時,為基礎(chǔ)頂至主要熱管所在橫梁頂面的高度(mm);Δl為主要熱管在所計算的管架頂面處的位移(mm),計算見文獻(xiàn)[3]4.3.5-2式,一般由管道(應(yīng)力)專業(yè)提出;Ec為混凝土弾性模量[6](kN/mm2);E為鋼材弾性模量[7](kN/mm2);I為一榀管架中一根柱沿管道縱向的截面慣性矩[8](mm4)。

1.5.2 固定管架水平推力

固定管架水平推力為管道補(bǔ)償器[9]彈性反力標(biāo)準(zhǔn)值ΣFb、管道不平衡內(nèi)壓力標(biāo)準(zhǔn)值ΣFn和活動管架的反作用力標(biāo)準(zhǔn)值ΣFm或ΣFf組成。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)管道(應(yīng)力)專業(yè)提供的水平推力,并考慮兩側(cè)活動管架的不平衡水平推力。其中,ΣFb、ΣFn由管道(應(yīng)力)專業(yè)提出,結(jié)構(gòu)專業(yè)應(yīng)根據(jù)中間活動管架的特征、管道布置具體情況,按重載式(端部固定管架)、減載式(中間固定管架),自行計算出ΣFm或ΣFf,相疊加組成固定管架的總水平推力F值。

1.5.2.1 管道補(bǔ)償器彈性反力Fb產(chǎn)生原理

當(dāng)管道膨脹時,補(bǔ)償器將被壓縮變形,由于補(bǔ)償器的剛度作用,必將產(chǎn)生一個抵抗壓縮變形的反力,即圖3中Fb,這個反力通過管道作用在固定管架上,此力由管道專業(yè)提供。

1固定管架 2補(bǔ)償器

1.5.2.2 管道不平衡內(nèi)壓力Fn產(chǎn)生原理

如圖4,在兩個固定管架間設(shè)有套筒式補(bǔ)償器[9],并在補(bǔ)償器的一側(cè)又設(shè)有閘閥[10],如將閘閥關(guān)閉,由于閘閥受到內(nèi)壓力的作用,將有使套筒式補(bǔ)償器脫開的趨勢,這個力就是管道內(nèi)的不平衡內(nèi)壓力Fn。

1固定管架 2閘閥 3填料式補(bǔ)償器

2 縱梁式管架受力分析

2.1 概念設(shè)計

2.1.1 伸縮縫間距與布置

全鋼結(jié)構(gòu)或縱梁采用鋼結(jié)構(gòu)、柱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時不大于120 m;全鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不大于70 m;應(yīng)盡可能設(shè)置在補(bǔ)償器附近[6]。

2.1.2 計算單元的確定及構(gòu)件受力分析

一般以一個溫度區(qū)段作為一個計算單元。

橫梁承受管道的豎向荷載和水平推力,按雙向受彎構(gòu)件計算。固定點宜設(shè)置在有支柱的橫梁上,對固定管架的橫梁,尚應(yīng)計算由水平推力所產(chǎn)生的扭矩?？v梁或桁架,承受管道軸向水平力和有橫梁傳來的垂直荷載以及轉(zhuǎn)彎管道所傳遞的荷載,由于水平力作用在橫梁的頂面,應(yīng)計算偏心而引起的附加彎矩,因此應(yīng)按拉彎或壓彎桿件計算。

宜在每個溫度縫區(qū)段兩端設(shè)置縱向柱間支撐,以承受水平推力。管架柱一般不承受水平推力。

桁架式管架的桁架上弦宜設(shè)置交叉性水平支撐,下弦宜在管架柱距左右兩側(cè)橫梁區(qū)域內(nèi)設(shè)置交叉性水平支撐。管道軸向水平推力由桁架上弦桿承受,部分轉(zhuǎn)彎管道的水平推力則由桁架上弦水平支撐承受。

2.2 平面模型簡化計算

2.2.1 一個計算單元內(nèi)水平力分析

圖5中FtAB、FtBA、FtBC、FtCB指由固定點A、B、C管道傳來的水平力標(biāo)準(zhǔn)值,由Fb和Fn組成,管道專業(yè)提供; 指支承于盡端固定管架上,轉(zhuǎn)彎處的管線彈性力標(biāo)準(zhǔn)值,由管道專業(yè)提供。

1柱間支撐 2固定管架 3活動管架 4管道固定點 a、b補(bǔ)償器

其中1.2,為不均勻系數(shù)。

2.2.2 一個計算單元內(nèi)活動管架受力分析

活動管架受力分析,如圖6所示。

qv1、qv2-垂直荷載;wk上、wk下-作用于上層、下層管道風(fēng)荷載

當(dāng)縱梁與支架柱頂部處于同一水平面時,管架柱不承受軸向水平推力,可按單向偏心受壓構(gòu)件計算。

當(dāng)縱梁布置在下層位置時,須考慮柱在縱梁位置上,由上層固定管道水平推力對柱產(chǎn)生的彎矩,并應(yīng)驗算縱梁支座處柱截面的承載力。

縱梁與柱節(jié)點的連接件,應(yīng)按縱梁承受的軸向力進(jìn)行拉剪計算。

3 結(jié)束語

一套好的縱梁式管架設(shè)計方案,不僅要求結(jié)構(gòu)設(shè)計師概念清晰、合理進(jìn)行荷載分析,還要對管架受力產(chǎn)生的原理有所了解,這就要求結(jié)構(gòu)設(shè)計師了解管道熱膨脹、補(bǔ)償器以及管道內(nèi)壓力的工作機(jī)理,能對管道(應(yīng)力)專業(yè)提出的條件正確性、完整性進(jìn)行判斷。

[1] 孫 超,呂秀平.管廊式管架設(shè)計心得及對其受力的分析和探討[J].山西建筑,2012,38(25)：58～59.

[2] SH/T 3055-2007，石油化工管架設(shè)計規(guī)范[S].

[3] GB 51019-2014，化工工程管架管墩設(shè)計規(guī)范[S].

[4] GB 50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[5] 曲昭嘉,王 瑾,曲圣偉,等.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計資料集(7)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[6] GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[7] GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[8] 吳三元,莊錦亮,趙 玉.組合截面慣性矩求解方法研究[J].雞西大學(xué)學(xué)報,2015,15(11)：58～60.

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[10] GB/T 12234-2007，法蘭和對焊連接鋼制閘閥[S].

2016-11-18；修改日期：2016-11-21

余偉勝(1974-)，男，安徽太湖人，東華工程科技股份有限公司高級工程師.

TQ055.8

A

1673-5781(2016)06-0727-04