淺談化工管架的結(jié)構(gòu)設(shè)計

摘 要：基于化工行業(yè)管架的類型、受力特點、管架使用功能要求，運用結(jié)構(gòu)力學(xué)的分析方法和構(gòu)筑物設(shè)計的構(gòu)造措施要求，對化工管架的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點進行分析和闡述，解決管架結(jié)構(gòu)設(shè)計中常見的各個疑難問題，以進一步優(yōu)化管架的結(jié)構(gòu)優(yōu)設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：管架；結(jié)構(gòu)；設(shè)計

1 概述

在化工行業(yè)，管架是最常見的構(gòu)筑物，是液相、氣相介質(zhì)管道及電氣、儀表電纜橋架的支撐結(jié)構(gòu)。文章主要闡述，管架設(shè)計中碰到的一些設(shè)計要點問題，以期達到不斷優(yōu)化設(shè)計的目的。

2 管架的分類

管架按結(jié)構(gòu)形式主要分為獨立式管架、管廊式管架。獨立式管架適合于層高低、管道管徑小荷載小的單層管架，如T型管架。管廊式管架，一般簡稱管廊，適合于層高高、層數(shù)多、管道管徑大荷載大的多層管架。液相介質(zhì)管道直徑大于或等于500mm、氣相介質(zhì)管道直徑大于或等于600mm、輸送易燃、易爆、劇毒、高溫、高壓介質(zhì)的管道，支撐此類管道的管架應(yīng)采用管廊式管架，且固定架處應(yīng)設(shè)置水平撐、垂直撐等傳力構(gòu)件。

管架管道在管架上的支承條件分為固定管架和活動管架。固定管架橫梁上的管道設(shè)置了限位，將管道和橫梁緊緊地連接在一起，管道與管架之間不允許產(chǎn)生相對位移。固定架承受著縱向區(qū)段內(nèi)產(chǎn)生的全部水平力，所以，一般此處設(shè)有水平撐、垂直撐，以減小水平力的傳力途徑。

管架按結(jié)構(gòu)材料分為鋼筋混凝土管架、鋼結(jié)構(gòu)管架和混合結(jié)構(gòu)管架。由于鋼結(jié)構(gòu)具有易于工廠加工、安裝速度快、構(gòu)件斷面相對較小等優(yōu)點，鋼結(jié)構(gòu)管廊得到了越來越廣泛的應(yīng)用?；旌辖Y(jié)構(gòu)管架指橫向一榀柱與橫向主梁采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，縱向鋼梁、水平撐、垂直撐采用鋼結(jié)構(gòu)?；旌辖Y(jié)構(gòu)管架適用于工期要求不高的工程，尤其在鋼材成本高的時期可以降低造價。

3 管架的設(shè)計要點

管架的布置是管廊設(shè)計的重點，優(yōu)化的布置會讓管廊結(jié)構(gòu)受力更合理。首先管廊整體走向不宜布置成L型，因為“L”型管廊，兩條管廊橫縱相交處是整體應(yīng)力集中處，尤其在地震工況下。其次，鋼結(jié)構(gòu)管廊的區(qū)段長度需滿足伸縮要求，一般不超過120m為宜。固定架位置一般選在在管道水平力較大處，以實現(xiàn)傳力途徑最短，同時需考慮固定架處垂直對檢修通道、消防通道等的影響，避免出現(xiàn)垂直撐擋路的問題。基于以上內(nèi)容，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)將管廊的軸線不斷地進行調(diào)整，以使管廊的布置趨于結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、使用功能合理。

不可以忽略電纜橋架所受風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。當(dāng)豎向電纜橋架高度較大且數(shù)量較多時，風(fēng)荷載將對整個結(jié)構(gòu)和局部構(gòu)件產(chǎn)生較大影響，特別是在風(fēng)荷載較大的地區(qū)，忽略了往往導(dǎo)致結(jié)構(gòu)計算偏于危險。同時，對于風(fēng)荷載的計算，應(yīng)該嚴(yán)格按照規(guī)范，將管廊柱、縱梁、管道、電纜橋架上的荷載一并計算，以保證每個工況下，結(jié)構(gòu)計算的正確。

管廊橫向主、次梁上的垂直管道荷載傳遞問題。管徑小于等于2寸時，管道的最大支承長度為3米；管徑大于2寸且小于等于6寸時，管道的最大支承長度為6米；管徑大于6寸且小于等于12寸時，管道的最大支承長度為9米。對于大直徑的管道一般只在橫向主梁上支承，如果橫向主梁的荷載范圍按相鄰兩個半跨取值，橫向主梁上的荷載就會大大偏小，造成橫向主梁的計算偏于危險。所以，橫向主梁的荷載取值范圍應(yīng)取相鄰半個柱距范圍內(nèi)的荷載。

管廊橫梁與管道之間的水平摩擦力該如何考慮的問題。管道在一定區(qū)段內(nèi)會設(shè)置Π型補償器，Π型補償器是管廊縱向力的釋放點。兩個Π型補償器之間的管道為一個剛性受力體，此段管道會與管廊鋼梁以限位的形式固定在一起，使此段管道和此段管廊成為一個整體。對于這個整體來說，管廊橫梁與管道之間的水平摩擦力是內(nèi)部力，不是外部荷載，所以，整體內(nèi)部的內(nèi)力無需計算。但是，對于某一根橫梁來說，管廊橫梁與管道之間的水平摩擦力就是外部力，此力需要計算。

管廊縱梁受力計算。縱梁除支撐次梁、管道外，還要將管道或其他作用產(chǎn)生的水平推力傳遞到垂直支撐。當(dāng)水平力較大時，縱梁的軸力往往是不能忽略的。在我們用PKPM建模計算時，縱梁當(dāng)然都是按梁輸入的，PK的計算程序就只按梁的應(yīng)力計算公式Mx/（？漬bWx）+My/（？酌yWy）≤f來驗算，軸力并沒有體現(xiàn)出來，這樣是偏于危險的。解決方法：《設(shè)計規(guī)定》中第8.2.11條中規(guī)定縱梁應(yīng)按拉彎或壓彎構(gòu)件計算。計算公式按《規(guī)范》5.2.1條N/An+Mx/（？酌xWx）+My/（？酌yWy）≤f來計算。另外還要特別注意縱梁連接節(jié)點的驗算，如高強螺栓、焊縫抗剪及節(jié)點板驗算等。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的撓度超過限值。沒有設(shè)計經(jīng)驗的工程師通常只注意結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力計算而沒有注意到《化工工程管架、管墩設(shè)計規(guī)定》中對構(gòu)件撓度的限制。管架的撓度主要應(yīng)滿足管道要求，防止管道撓度過大發(fā)生積液導(dǎo)致流阻加大。工程上已發(fā)生該類事故。所以，除單個構(gòu)件需滿足《設(shè)計規(guī)定》3.0.9條中的限值外，裝置內(nèi)管廊在一個柱距內(nèi)，管道支點最大撓度之差不大于30mm。管廊縱向構(gòu)件及其上的鋼次梁撓度疊加為總撓度，支撐在鋼次梁上的小管道的撓度值為該撓度與框架橫梁撓度之差。

固定架處基礎(chǔ)沒有按雙向受力進行計算。沒有設(shè)計經(jīng)驗的工程師認(rèn)為管廊固定架處只要按傳到基礎(chǔ)頂面的縱向力計算就可以。實際上在固定架處，在縱向最不利荷載組合下，橫向在恒載和活載作用下仍可能存在彎矩和剪力，忽略橫向的力將導(dǎo)致基礎(chǔ)計算不安全?；A(chǔ)應(yīng)按雙向受力計算，通常獨立基礎(chǔ)兩個方向所受力如圖3。

4 結(jié)束語

管架在化工行業(yè)比較常見，但是各種疑難問題較多，結(jié)構(gòu)設(shè)計中不可掉以輕心，應(yīng)認(rèn)真分析結(jié)構(gòu)特點、詳細(xì)計算、精于布置，才能繪出安全、合理、經(jīng)濟的設(shè)計方案。

參考文獻

[1]祝亞茹.廠區(qū)內(nèi)管廊的配管設(shè)計[J].北京：石油和化工設(shè)備，2016.

[2]李春梅.石油化工裝置內(nèi)管廊上管道的布置設(shè)計[M].廣東：中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2014.

[3]任建淼.化工廠鋼結(jié)構(gòu)管廊式管架結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].上海：江西建材，2016.

[4]鄭炯.濤石油化工管廊設(shè)計要點探索[J].廣東：石化技術(shù)，2015.