管廊結(jié)構(gòu)與管道應(yīng)力空間協(xié)同分析方法

甄　軍　殷廣慶　任　偉　鄧云川

中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司　濟(jì)南　250101

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管廊結(jié)構(gòu)與管道應(yīng)力空間協(xié)同分析方法

甄軍*殷廣慶任偉鄧云川

中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司濟(jì)南250101

針對設(shè)計中存在的問題提出采用管廊結(jié)構(gòu)與管道應(yīng)力空間協(xié)同分析的方法，管道應(yīng)力分析時采用管廊結(jié)構(gòu)的實際剛度，得到了精確的支座反力。結(jié)果表明考慮結(jié)構(gòu)剛度后，管道支座反力有較大變化。

管廊結(jié)構(gòu)管道應(yīng)力分析空間協(xié)同分析

在化工、石油化工工程設(shè)計中，管廊是一項常見的、重要的特征構(gòu)筑物。在項目場地分布面寬，既容易引起各方評論，又容易得到各方領(lǐng)導(dǎo)的重視。管廊設(shè)計工作不難，但其中有一些事項容易被忽視。

目前，管廊結(jié)構(gòu)計算與管道應(yīng)力分析由不同專業(yè)分別完成，管道應(yīng)力分析假定管道支座結(jié)構(gòu)剛度無窮大，沒有支座位移(見圖1)。管廊結(jié)構(gòu)計算時，把管道應(yīng)力分析的支座反力作為荷載施加于結(jié)構(gòu)上。但實際工程中，結(jié)構(gòu)剛度不可能無窮大，管道支座處均有支座位移(見圖2)。這導(dǎo)致了管道應(yīng)力分析的不準(zhǔn)確，同樣導(dǎo)致結(jié)構(gòu)計算的不準(zhǔn)確，給工程設(shè)計帶來安全隱患。

圖1　管道應(yīng)力分析計算假定

圖2　管道支座實際位移

1　工程設(shè)計趨于集成化、協(xié)同化、數(shù)字化

從理論上講，無論是管廊結(jié)構(gòu)的梁、柱等構(gòu)件，還是管道本身，都具有一定的剛度和變形。只要把結(jié)構(gòu)模型和管道應(yīng)力計算模型進(jìn)行耦合，使管道應(yīng)力計算考慮結(jié)構(gòu)的實際剛度和變形協(xié)調(diào)，那么管道的支座反力就是精確解。

但問題在于結(jié)構(gòu)計算和管道應(yīng)力分析分屬于不同的專業(yè)。結(jié)構(gòu)設(shè)計專業(yè)根據(jù)國家建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計，管道專業(yè)則根據(jù)管道應(yīng)力計算相關(guān)規(guī)范進(jìn)行分析，這二者之間一般只存在單向提條件的流程。同時，采用的分析程序也都是為各自開發(fā)的專業(yè)軟件，均未考慮管廊結(jié)構(gòu)與管道應(yīng)力空間協(xié)同分析的需要。

目前，國家出臺了各種相關(guān)政策及規(guī)程，用以推進(jìn)建筑信息化模型(BIM)、工廠數(shù)字化模型(SP3D、PDMS)等技術(shù)的發(fā)展，工程設(shè)計越來越趨于集成化、協(xié)同化、數(shù)字化。在此背景下，本文通過梳理工程設(shè)計中的結(jié)構(gòu)計算和管道應(yīng)力分析程序，找到了可以進(jìn)行管廊結(jié)構(gòu)與管道應(yīng)力空間協(xié)同分析的軟件，并通過工程實踐證明了采用空間協(xié)同分析方法的準(zhǔn)確性。

2　空間協(xié)同分析方法

本文將空間協(xié)同分析分三個方面來展開，分別是：① 協(xié)同軟件的選擇；② 協(xié)同分析流程；③ 注意事項。

2.1軟件的選擇

目前，結(jié)構(gòu)專業(yè)的計算分析軟件眾多，國際上比較知名的通用有限元分析軟件有很多，例如Analysis、STAAD.PRO、SAP2000等。通過考察，由美國Bentley出版的STAAD.PRO軟件集合了結(jié)構(gòu)建模、后處理、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、管道等模塊，使得管道應(yīng)力分析可以采用結(jié)構(gòu)的實際剛度，進(jìn)而得到管道支座反力的精確解。因此，空間協(xié)同分析中結(jié)構(gòu)分析程序選定為STAAD.PRO。

管機(jī)專業(yè)的管道應(yīng)力分析軟件也比較多，設(shè)計公司常用的有CAESAR II、ATUO PIPE、CAEPIPE等，為了比較和驗證軟件的計算結(jié)果，選定CAESAR II及ATUO PIPE軟件，其中的ATUO PIPE是與STAAD.PRO集成在一起的。

2.2分析流程

協(xié)同分析流程見圖3。

圖3　空間協(xié)同分析數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)

(1)分別在STAAD和AUTOPIPE中建立結(jié)構(gòu)模型和管道模型，該項工作由結(jié)構(gòu)專業(yè)和管道專業(yè)人員分別完成。

(2)管道專業(yè)將AUTOPIPE的管道模型抽出并交與結(jié)構(gòu)專業(yè)，結(jié)構(gòu)專業(yè)將該模型導(dǎo)入STAAD中，在STAAD中完成模型的耦合，并將耦合后協(xié)同模型交與管道專業(yè)。

(3)管道專業(yè)在AUTOPIPE中進(jìn)行協(xié)同模型的管道分析，該分析結(jié)果會考慮到結(jié)構(gòu)剛度對管道的影響，使管道應(yīng)力計算更接近真實情況，同時也會得到管道對結(jié)構(gòu)的反力，而該反力正是管道對結(jié)構(gòu)作用的真實反映。

(4)管道專業(yè)將應(yīng)力分析結(jié)果中管道對結(jié)構(gòu)的作用力提交結(jié)構(gòu)專業(yè)，供結(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

(5)由于管道應(yīng)力分析工況和結(jié)構(gòu)分析工況不同，所以結(jié)構(gòu)專業(yè)在得到管道分析數(shù)據(jù)后需對管道分析各個工況下荷載作用進(jìn)行分解，并按照結(jié)構(gòu)專業(yè)的管架設(shè)計工況進(jìn)行重新組合。

(6)結(jié)構(gòu)專業(yè)根據(jù)規(guī)范要求，在STAAD軟件中對考慮管道作用的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析計算。管道與結(jié)構(gòu)模型耦合見圖4。

(7)管道工況與結(jié)構(gòu)工況的對接：由于管道分析組合工況和結(jié)構(gòu)分析組合工況不同，所以需要將管道分析的各個工況進(jìn)行拆分后重新組合為結(jié)構(gòu)工況，見圖5。

圖4　管道與結(jié)構(gòu)模型耦合

圖5　空間協(xié)同分析流程

2.3注意事項

(1) CAESAR II模型導(dǎo)入到AUTO PIPE過程中可能發(fā)生支吊架定義缺失或定義錯誤的問題，需要核對支吊架的約束形式等信息。

(2)AUTO PIPE中固定點的約束形式定義為Anchor，若定義成Guide + V-Stop + Line-Stop的三種獨立的約束形式，則分析報告會將三種約束形式的荷載分為3組結(jié)果顯示，而不會自動疊加，這與CAESAR II的分析方式有差別。

(3)AUTO PIPE自主建立的管道應(yīng)力分析模型與STAAD結(jié)構(gòu)模型有很強(qiáng)的識別和匹配，通過CAESAR II Neutral File轉(zhuǎn)化而來的AUTO PIPE管道應(yīng)力分析模型，則需要較為仔細(xì)的核對，才能防止錯誤，需要引起重視。

(4)CAESAR II和AUTO PIPE的管道應(yīng)力分析方式有所差異。CAESAR II對OPE工況結(jié)果分析是一次獲得，若要得到單個荷載的信息需要通過疊加計算才能獲得；AUTO PIPE的分析結(jié)果是直接得到單個荷載的結(jié)果，將疊加的方法完全開放給用戶，使其根據(jù)自己需要獲得疊加結(jié)果。AUTO PIPE的管道應(yīng)力分析結(jié)果導(dǎo)入到STAAD結(jié)果模型中是以單個荷載分計算工況導(dǎo)入，結(jié)構(gòu)專業(yè)根據(jù)相關(guān)專業(yè)規(guī)范進(jìn)行組合疊加。

(5) 為了使得AUTO PIPE管道應(yīng)力分析模型與STAAD結(jié)構(gòu)分析模型能夠更好的匹配和連接，管道應(yīng)力分析工程師建立模型最初定義管系起點時即按照總圖坐標(biāo)進(jìn)行定位；結(jié)構(gòu)分析工程師將結(jié)構(gòu)模型的定位也放置在總圖定位的坐標(biāo)上，這樣模型導(dǎo)入時，管道應(yīng)力分析模型即可以STAAD結(jié)構(gòu)分析實現(xiàn)自動連接，減少手動將管道支座與梁柱相連的工作量和檢查匹配的工作量。

3　工程實例

某項目工藝區(qū)管廊，選取其中PP4～PP6段，總長度163.45m，縱向21個柱距，大部分為2層，局部3層，見圖6。通過對比協(xié)同分析與非協(xié)同分析的管道應(yīng)力分析數(shù)據(jù)，結(jié)果表明考慮結(jié)構(gòu)剛度后，管道支座反力有較大變化。

圖6　PP4～PP6空間協(xié)同分析模型

支座節(jié)點位移見表1。由此看出，未考慮空間協(xié)同分析的計算結(jié)果中，因為假定支座位移為零，因此豎向位移全部為零；采用空間協(xié)同分析方法，考慮結(jié)構(gòu)實際剛度的結(jié)構(gòu)支座的位移達(dá)到了9.68mm，同時水平向位移也有較大變化，這種變化將會對關(guān)系產(chǎn)生一定的影響。由此可見，工程中結(jié)構(gòu)的實際變形不可忽略。

表2、表3為V-Stop支座節(jié)點反力，節(jié)點140位于桁架中間橫梁處，兩端與下弦鉸接，橫梁變形較大，由于考慮結(jié)構(gòu)變形而產(chǎn)生了卸載，支座反力相比無限剛度假定減少很多；節(jié)點150位于框架梁處，兩端與鋼柱剛接，橫梁變形教小，由于支座豎向變形小支座反力增大很多。

表4為Anchor支座節(jié)點反力，由表中數(shù)據(jù)可以看出，在考慮結(jié)構(gòu)實際剛度后，最明顯的變化就是豎向內(nèi)力，差值達(dá)到50%左右，水平向內(nèi)力亦有變化，但變化幅度較小，差值為0%～25%。

4　結(jié)　語

通過上述分析可以得到結(jié)論：

(1)管廊結(jié)構(gòu)與管道應(yīng)力協(xié)同分析從計算原理及實際操作層面均可行。

(2)管廊結(jié)構(gòu)耦合結(jié)構(gòu)前后載荷變化明顯，尤其是大跨度桁架處由于結(jié)構(gòu)變形引起支架載荷重新分配，支架受力變化較大。建議對于大載荷大跨度桁架設(shè)計進(jìn)行進(jìn)一步分析，以優(yōu)化設(shè)計；對于敏感管道及設(shè)備管口配管也應(yīng)該考慮結(jié)構(gòu)剛度位移等因素。這也與軟件廠家建議相符合。

表2　V-Stop支座節(jié)點反力對比(Node 140)

表3　V-Stop支座節(jié)點反力對比(Node 150)

表4　Anchor支座節(jié)點反力對比

(3)通過協(xié)同設(shè)計，結(jié)構(gòu)專業(yè)提前介入管道布置及應(yīng)力分析工作，并梳理了應(yīng)力分析結(jié)果，保證了結(jié)構(gòu)設(shè)計輸入的準(zhǔn)確性。

(4)經(jīng)過不同軟件的相互驗證，可以增強(qiáng)對設(shè)計工作的把控能力。

(5)在保證安全適用的基礎(chǔ)上，整個結(jié)構(gòu)的用鋼量可以得到優(yōu)化。

1GB 51019-2014，化工工程管架管墩設(shè)計規(guī)范[S] .北京：中國計劃出版社，2014.

2016-05-30)

*甄軍：結(jié)構(gòu)工程師。2008年畢業(yè)于青島理工大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)獲碩士學(xué)位?，F(xiàn)從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

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