鋼管架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

劉 心

(大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，北京 100097)

1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

根據(jù)工藝要求，在管架上需交叉通行各種管道，并且大直徑管道多，管道荷載較大，同時要求管架設(shè)置不得有礙于操作及人員通行，便于設(shè)備、管道的拆卸、檢修。因此，一方面如何考慮管架水平支撐和豎向支撐的整體布置，防止管道與結(jié)構(gòu)碰撞，并滿足結(jié)構(gòu)的整體受力合理性的要求，是結(jié)構(gòu)布置的關(guān)鍵；另一方面，如何經(jīng)濟(jì)合理的選取梁柱截面，是結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2 結(jié)構(gòu)布置

2.1 管架的平面布置

1)管架跨度。

由管道專業(yè)及電氣儀表專業(yè)依據(jù)管道布置確定。

2)管架柱距。

由管道布置專業(yè)確定，但可從結(jié)構(gòu)專業(yè)的角度考慮柱距的合理性，若不合理，可向管道專業(yè)提出，并共同討論確定。

3)伸縮縫布置。

對于較長的管架，要設(shè)置溫度縫，一般在溫度縫處采用雙柱。伸縮縫間距：全鋼結(jié)構(gòu)或縱梁、桁架采用鋼結(jié)構(gòu)，柱采用混凝土結(jié)構(gòu)時不宜大于120 m；全鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時不宜大于70 m。

4)橫向中間梁布置。

管道層次梁間距一般不大于3 000 mm，當(dāng)僅支撐大管時，間距可適當(dāng)加大；支撐電纜層一般不大于2 500 mm，以滿足小管道及電纜的剛度需求，當(dāng)電氣專業(yè)選擇的電纜盤厚度可滿足更大支撐間距要求時，次梁間距可適當(dāng)加大。

5)水平斜撐。

與立面斜撐配套布置，對次梁上水平集中力較大的地方(如錨定力等)，適當(dāng)布置水平斜撐，將水平力傳遞給主框架系統(tǒng)。

2.2 管架的立面布置

1)橫向。

橫向主構(gòu)架通常采用剛接形式，避免使用斜撐，以免妨礙管道布設(shè)，并提供管架下方空間供維修或通行之用。對于層數(shù)較多且高度較高，負(fù)載較大的管架，在不影響維修通行空間的情況下，其橫向主構(gòu)架的最下層應(yīng)設(shè)法設(shè)置立面斜撐或角隅斜撐，以減小側(cè)移及柱斷面，從而節(jié)省鋼構(gòu)材料。

2)縱向。

為排架方向，梁柱采用鉸接形式，側(cè)向支撐系統(tǒng)采用立面斜撐，以便有效傳遞水平力。立面斜撐設(shè)置的位置要配合管線進(jìn)出的需求，最好能事先協(xié)調(diào)予以錯開。立面支撐的設(shè)置宜以4跨～5跨設(shè)立一組，每段獨(dú)立的管架宜至少設(shè)置兩組(較短的管架也可僅設(shè)置一組)。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載

3.1 自重

自重包括管架本身自重和電纜自重。

3.2 管道重量

由管道專業(yè)提供的管道空重、管道操作重、管道試水重，分別以均布力或集中力的形式作用于主橫梁或次梁上。

1)均布力。

根據(jù)SH/T 3055—2007石油化工管架設(shè)計(jì)規(guī)范中6.1.2條，多根密排管道宜按均布荷載計(jì)算，當(dāng)遇有一根管道作用于梁上的荷載大于10 kN時，該管道應(yīng)單獨(dú)按集中荷載考慮。此外，還應(yīng)考慮預(yù)留管道荷載。管道均布力簡化處理如下：

對8”及以下的小管，采用均布力的形式作用于主橫梁及次梁上，均布力的大小依管道專業(yè)提供的荷載條件確定，但對于空重不小于100 kg/m2，操作重及試水重不小于200 kg/m2(經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)時不小于150 kg/m2)。

管道均布線荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m)可按下式計(jì)算：

其中，qv為均布在橫梁上的管道垂直線荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m；l為橫梁間距，m；Fi為某單根管道的垂直荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m；L4為管道計(jì)算區(qū)段長度，m；n為管道計(jì)算區(qū)段內(nèi)的管道根數(shù)(一般取4根以上)。

2)集中力。

管道布置(見圖1)，對大于8”的大管，采用集中力的形式作用于主橫梁上，當(dāng)主橫梁上均布力滿布時，要注意扣除大管面積范圍內(nèi)的均布力，即：

F=S(W-pD)g。

其中，S為管道跨距；W為大管重，kg/m；p為大管所在位置的均布面荷載，kg/m2；D為大管管徑。

3.3 管道的摩擦力

管道的摩擦力由管道專業(yè)提供，設(shè)計(jì)時還沒有相應(yīng)的荷載資料，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)近似取管道操作荷載的10%布于主次橫梁上，作用方式同管道操作荷載，作用方向?yàn)檠毓艿雷呦虻乃椒较?見圖2)。

3.4 管道的錨定力

管道錨定力由管道專業(yè)提供，若無管道荷載資料時，每層以每米寬2 kN水平集中力作用于主橫梁上(見圖3)。

3.5 風(fēng)荷載(WL)

依據(jù)HG/T 20670—2000化工、石油化工管架、管墩設(shè)計(jì)規(guī)定的4.4節(jié)計(jì)算，一般管架結(jié)構(gòu)以橫向風(fēng)荷載起控制作用，包括管道徑向風(fēng)荷載、管架柱及縱向構(gòu)件風(fēng)荷載。

管道風(fēng)荷載：

Wk=μsμzWodld。

其中，Wk為管道徑向風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN；μs為風(fēng)荷載體形系數(shù)，單根取0.6；2根取0.9；3根，4根取1.2；不小于5根取1.4；d為管道外徑(包括保溫層)，多根管道取平均外徑，m；ld為前后相鄰管架間管道長度之半，m。

作用在每根縱梁上的風(fēng)荷載：

WL1=μs1μzWoh1ld。

作用在每榀桁架上的風(fēng)荷載：

WL2=μs2μzWoh2ld。

作用在每榀柱上的風(fēng)荷載：

Wz=μs3μzWoh3b。

其中，WL1，WL2，Wz均為橫向風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN；μs1，μs3均為結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載體形系數(shù)，取1.3；μs2為單榀桁架構(gòu)件的體形系數(shù)，μs2=φμs,μs為對型鋼桿件可取1.3，桁架擋風(fēng)系數(shù)φ=An/A,An為桁架桿件和節(jié)點(diǎn)擋風(fēng)的凈投影面積，m2,A為桁架的輪廓面積，m2,A=h2ld；h1，h2，h3分別為梁截面高度、桁架高度和柱子高度，m；b為風(fēng)荷載作用方向上的柱截面寬度，m；ld為管道跨度，即柱距(若管架兩側(cè)的跨度不等時，取平均值)，m。

3.6 地震荷載(SL)

根據(jù)HG/T 20670—2000化工、石油化工管架、管墩設(shè)計(jì)規(guī)定，本管架雖然處于抗震設(shè)防烈度8度以下地區(qū)，但是管架上直徑大于500 mm的管道多于3根，應(yīng)進(jìn)行橫向水平地震作用驗(yàn)算；同時管架大于3層也應(yīng)進(jìn)行縱向地震作用驗(yàn)算。依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用底部剪力法計(jì)算。

結(jié)構(gòu)底部總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值：

F=αGeq。

α=η2αmax(當(dāng)0.1

α=(Tg/T)rη2αmax(當(dāng)Tg

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 管架梁及桁架的允許撓度

依據(jù)HG/T 20670—2000化工、石油化工管架、管墩設(shè)計(jì)規(guī)定中3.0.9條及表3.0.9，縱梁、橫梁的允許撓度為1/250，鋼桁架的允許撓度為1/500。

4.2 管架柱的水平位移

依據(jù)HG/T 20670—2000化工、石油化工管架、管墩設(shè)計(jì)規(guī)定中3.0.17條規(guī)定，鋼管架柱沿徑向的允許位移值規(guī)定如下：

1)鋼管架柱在風(fēng)荷載作用下沿徑向產(chǎn)生的柱頂點(diǎn)位移與總高度之比值不宜大于1/250；

2)鋼結(jié)構(gòu)縱梁式、桁架式管廊，如柱頂設(shè)有水平支撐時，在風(fēng)荷載作用下沿徑向產(chǎn)生的柱頂位移與總高之比值不宜大于1/200。

5 結(jié)語

管架設(shè)計(jì)要力求技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、確保生產(chǎn)。鋼管架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要結(jié)構(gòu)布置要綜合工藝、管道和結(jié)構(gòu)專業(yè)的要求，使管架的跨度、柱距、水平斜撐和立面斜撐布置滿足整體傳力合理性的要求。

[1] GB 50011—2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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

[3] GB 50017—2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] SH/T 3055—2007,石油化工管架設(shè)計(jì)規(guī)范[S].