鋼結(jié)構(gòu)管廊的設(shè)計(jì)淺析

雷新海

（湛江南海西部石油勘察設(shè)計(jì)有限公司 524000）

引言

近年來隨著我國石油化工行業(yè)的蓬勃發(fā)展，石化處理裝置規(guī)模越做越大，管廊結(jié)構(gòu)也日趨大型、復(fù)雜化，設(shè)計(jì)人員有必要深入了解管廊的結(jié)構(gòu)特性，重視不同結(jié)構(gòu)形式的管廊結(jié)構(gòu)特性比較，優(yōu)化鋼管廊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，提高管廊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平，保證管廊設(shè)計(jì)在技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理、工程上安全可靠。

1 鋼結(jié)構(gòu)管廊設(shè)計(jì)概述

在石油化工行業(yè)中，鋼結(jié)構(gòu)管廊是常見的構(gòu)筑物，主要用于各化工處理裝置以及裝置內(nèi)各單元、建構(gòu)筑物及設(shè)備之間的相互連接，用于支承工藝管線、電纜橋架等。管架一般包含獨(dú)立式管架、管廊式管架。管廊式管架又可以分為縱梁式和桁架式管架。一般工程管架設(shè)計(jì)應(yīng)具備以下資料：

（1）管廊架平、剖面、布置圖、管道規(guī)格，管架位置圖及相應(yīng)要求。

（2）工藝管道重量，管道內(nèi)介質(zhì)重量，管道內(nèi)試壓水、預(yù)留荷載、平臺(tái)活荷載等，以及管道對(duì)管架的水平推力。

（3）工藝管道壁的最高、最低計(jì)算溫度。

（4）工程項(xiàng)目擬建場地資料及巖土工程地質(zhì)勘察資料。

2 管廊的計(jì)算原則

（1）管廊結(jié)構(gòu)應(yīng)以一個(gè)溫度區(qū)段作為一個(gè)計(jì)算單元，管架橫梁承受管道的豎向荷載和水平推力，對(duì)固定管架的橫梁，應(yīng)注意驗(yàn)算水平推力產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。

（2）管廊縱梁應(yīng)能傳遞縱向拉力，并承受橫向進(jìn)出管線荷載和其他荷載?？v梁與柱的節(jié)點(diǎn)連接宜為鉸接連接。

（3）管廊應(yīng)在每個(gè)溫度區(qū)段兩端設(shè)置柱間支撐，承受管線的不平衡水平推力。

圖1 管架計(jì)算模型

3 管廊的荷載計(jì)算

配管、電氣專業(yè)提供相關(guān)管線、電纜橋架的重量，結(jié)構(gòu)專業(yè)則根據(jù)管架跨度、柱距進(jìn)一步核算作用在每榀管架橫梁上的管線、電纜橋架荷載。管架的豎向荷載一般包括管架結(jié)構(gòu)自重、管道自重、設(shè)備重、附件重、保溫重、介質(zhì)重或沖水試壓時(shí)的水重、電纜和橋架重等。有多根密排管道，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10kN時(shí)，該管道應(yīng)單獨(dú)按照集中荷載考慮。

管架柱、橫梁、縱梁的風(fēng)荷載可以通過軟件按照擋風(fēng)面積自動(dòng)計(jì)算，比如國內(nèi)常用的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件PKPM、3D3S等。工藝管線、設(shè)備等設(shè)施所受風(fēng)荷載需要按照規(guī)范手動(dòng)計(jì)算，然后按照相應(yīng)的風(fēng)荷載工況添加至柱頂或橫梁。由于管廊結(jié)構(gòu)縱向較長，剛度較大，一般可以不考慮管廊結(jié)構(gòu)的縱向風(fēng)荷載，僅需計(jì)算管廊結(jié)構(gòu)橫向風(fēng)荷載。

除了需要相關(guān)專業(yè)提供的水平推力以外，其他的水平推力可以按照規(guī)范手動(dòng)計(jì)算，然后通過定義活載的方式進(jìn)行添加。試壓工況可以通過自定義荷載工況定義，關(guān)鍵是根據(jù)《化工工程管架、管墩設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB51019）充分考慮相關(guān)荷載的分項(xiàng)系數(shù)及組合系數(shù)。

管道內(nèi)的介質(zhì)分為氣體和液體，在不同工況組合下，荷載的分項(xiàng)系數(shù)取值不同。當(dāng)管道為液體管道時(shí)，管道內(nèi)的介質(zhì)重力應(yīng)按照恒荷載輸入，正常操作情況下，荷載分項(xiàng)系數(shù)恒荷載為1.2，活荷載為1.3，風(fēng)荷載為1.4；當(dāng)管道為氣體管道時(shí)，考慮管線試壓的情況，在充水試驗(yàn)時(shí)荷載的分項(xiàng)系數(shù)，恒荷載為1.2，試壓充水荷載為1.1，風(fēng)荷載為1.4。

4 管廊設(shè)計(jì)的其他事項(xiàng)

關(guān)于管架鋼柱的計(jì)算長度系數(shù)，一般鋼柱柱腳為剛接，柱軸向計(jì)算長度系數(shù)按照《化工工程管架、管墩設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB51019-2014）表3.5.5的規(guī)定采用；徑向計(jì)算長度系數(shù)按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017）的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。在3D3S軟件中可以自動(dòng)按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算兩個(gè)方向的計(jì)算長度系數(shù)，由于軟件不包含《化工工程管架、管墩設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB51019-2014），因此柱軸向計(jì)算長度系數(shù)需要通過自定義調(diào)整解決。

關(guān)于管架柱及支撐構(gòu)件的長細(xì)比控制，《化工工程管架、管墩設(shè)計(jì)規(guī)范》與《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的長細(xì)比有差異，在3D3S軟件中可以自定義長細(xì)比限值，設(shè)計(jì)人員應(yīng)特別注意框架柱以及支撐的長細(xì)比控制。

設(shè)計(jì)中還應(yīng)該特別注意支撐中間橫梁的鋼縱梁撓度限值控制為l/400；桁架按照l/500進(jìn)行控制。此外，設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)該控制跨內(nèi)撓度差異值，在裝置內(nèi)沿管架縱向一個(gè)柱距內(nèi)，管道支點(diǎn)最大撓度之差不應(yīng)大于30mm，在裝置外沿管架縱向一個(gè)柱距內(nèi)，管道支點(diǎn)最大撓度之差不應(yīng)大于40mm。

一般過程中經(jīng)常會(huì)有管廊架跨越廠區(qū)道路的情況，此時(shí)管架一般采用桁架結(jié)構(gòu)。上承式桁架與下承式桁架都為上弦桿受壓、下弦桿受拉，弦桿的應(yīng)力基本相同。上承式桁架的斜腹桿為拉桿，下承式斜腹桿為壓桿，相同截面的情況下，下承式桁架斜腹桿穩(wěn)定應(yīng)力接近1.0，上承式桁架斜腹桿用鋼量省，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理。

5 結(jié)論

（1）管廊結(jié)構(gòu)計(jì)算安全性及合理性是以上游相關(guān)專業(yè)提供資料準(zhǔn)確為前提，因此，上游相關(guān)專業(yè)提供的資料務(wù)必全面、準(zhǔn)確，比如上游相關(guān)專業(yè)提供的固定管架位置、水平推力大小會(huì)直接影響管架的結(jié)構(gòu)布置。對(duì)于氣體管道試壓時(shí)要做的充水試驗(yàn)的，還應(yīng)該提供單獨(dú)或同時(shí)做充水試驗(yàn)管徑范圍，使計(jì)算分析過程中考慮的荷載和實(shí)際工況盡量一致。

（2）分析過程中，管廊上部荷載取值、以及荷載分項(xiàng)系數(shù)選用務(wù)必要準(zhǔn)確，必須根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況充分考慮各種荷載工況組合。

（3）對(duì)于跨路段管架，一般采用桁架結(jié)構(gòu)，桁架截面形式選擇要經(jīng)濟(jì)合理，同時(shí)注意對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件撓度進(jìn)行校核。