基于CAESARII的管徑對(duì)高層建筑空調(diào)管道應(yīng)力影響分析

孫志國(guó),孟劍虹，彭江海,聶偉,楊仲卿,孟勝利

(1.中建三局第二建設(shè)工程有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430070；2.重慶大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,重慶 沙坪壩 400000；3.中國(guó)電建集團(tuán)華中電力設(shè)計(jì)院有限公司,河南 鄭州 450007)

1 引言

對(duì)于高層建筑而言,合理的管道設(shè)計(jì)以及布置以及全面的管道應(yīng)力分析是確?？照{(diào)管路安全的重要措施[1]。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)各種類型的管道進(jìn)行了應(yīng)力分析研究。張樺通過(guò)對(duì)輸水管道中的埋地管道進(jìn)行分析,總結(jié)出了對(duì)管道有很大危害的應(yīng)力類型并且提出了預(yù)防措施和建議[2]。；李進(jìn)春通過(guò)CAESARⅡ?qū)Ω郀t改造工程制氧機(jī)系統(tǒng)主蒸汽管道進(jìn)行了建模與應(yīng)力分析,通過(guò)比較不同支吊架設(shè)置以及管道走向得出最佳方案[3]；杜明俊則是利用CAESARⅡ建立了合理的埋地?zé)嵊凸艿缿?yīng)力分析模型并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,分析了操作溫度與安裝溫度差值、管道埋深、土壤內(nèi)摩擦角等參數(shù)對(duì)管道局部推力和位移的影響[4]。

高層建筑空調(diào)管道的應(yīng)力通常可以分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和操作應(yīng)力這幾種。其中管道的一次應(yīng)力過(guò)高會(huì)導(dǎo)致管道的斷裂破壞,二次應(yīng)力過(guò)高會(huì)導(dǎo)致管道的疲勞破壞, 操作應(yīng)力過(guò)高可能導(dǎo)致管道的疲勞破壞和脆性斷裂[5]。由于不同管徑的管道受承受的應(yīng)力水平不同,因此探究不同管徑管道的應(yīng)力變化規(guī)律具有重要意義。本文利用應(yīng)力分析軟件CAESARⅡ在定壓和定溫的兩種工況下通過(guò)對(duì)不同管徑的管道進(jìn)行應(yīng)力分析,得出管徑對(duì)管道應(yīng)力影響規(guī)律,為空調(diào)管道的合理設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2 管道模型的建立

本文截取了某暖通空調(diào)系統(tǒng)中冷卻水管道系統(tǒng)的一段管道模型,管道采用滑動(dòng)支架和導(dǎo)向支架作為支撐,分別在起點(diǎn)和終點(diǎn)設(shè)置一個(gè)固定支架,用以截?cái)嘌芯繉?duì)象以外管道對(duì)模型的影響,管道具體支吊架設(shè)置和管道走向如圖1所示：

圖1 管道模型

根據(jù)實(shí)際暖通空調(diào)安裝的常用工況管材采用了常用的20號(hào)鋼材的管道,為了探究不同管徑管道在不同溫度壓力條件下的應(yīng)力規(guī)律所以設(shè)置了兩種工況。工況一是在管道壓力一定的條件下通過(guò)設(shè)置幾個(gè)不同溫度梯度來(lái)探究不同管徑管道的應(yīng)力情況,由于一般空調(diào)系統(tǒng)制冷時(shí)一般輸水溫度為7℃-12℃,制熱時(shí)輸水溫度為40-45℃,而鍋爐房輸水溫度一般在70℃以上,所以此工況下設(shè)置三種溫度分別是10℃、40℃、70℃,管道壓力則固定為2.5MPa。工況二則是在管道溫度一定的條件下通過(guò)設(shè)置幾個(gè)不同的壓力梯度來(lái)探究不同管徑管道的應(yīng)力情況,管道壓力分別設(shè)置為1Mpa、3Mpa、5Mpa,溫度固定為25℃。兩種工況下所采用的管道管徑及壁厚如表1所示。

表1 管徑壁厚表

3 結(jié)果與分析

對(duì)各兩種工況下各不同管徑管道應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總,結(jié)果表明在這兩種工況下操作應(yīng)力和二次應(yīng)力的最大節(jié)點(diǎn)為140節(jié)點(diǎn),其位置為彎頭如圖2所示,將此處作為對(duì)象研究管道的操作應(yīng)力和二次應(yīng)力。而一次應(yīng)力最大節(jié)點(diǎn)為160節(jié)點(diǎn),其位置為管道中部外部布置有滑動(dòng)支架,其位置如圖3所示。將此處作為對(duì)象研究管道的一次應(yīng)力。將定壓和定溫兩種工況下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分別進(jìn)行分析如圖4-9所示。

3.1 定壓工況下管道的應(yīng)力分析

3.1.1 定壓工況下操作應(yīng)力分析

由圖4知在定壓條件下(管道壓力為2.5MPa),管道的操作應(yīng)力隨著管徑的增大而增大。同時(shí)對(duì)比三條不同溫度的應(yīng)力曲線可以得出在不同溫度水平下,由于管道直徑的變化引起的操作應(yīng)力的變化幅度不同。其中在較高溫度下,隨著管道管徑的變化,管道的操作應(yīng)力上升的更加明顯。相比之下在10℃時(shí),隨著管徑的變化,管道的操作應(yīng)力僅有小幅上升。因此對(duì)于管徑因素對(duì)管道操作應(yīng)力的影響區(qū)域應(yīng)在較高溫度區(qū)域。由圖4知對(duì)于同一管道管道溫度和壓力不變的條件下,隨著管徑的增大,管道操作應(yīng)力的上升速率在減小。由圖4可知對(duì)于同一材質(zhì)管徑的管道其操作應(yīng)力隨著溫度的升高而升高。

管道的操作應(yīng)力主要受自重應(yīng)力載荷、溫度應(yīng)力載荷、壓應(yīng)力載荷影響。在工況一的條件下,管道的壓力不變,所以管道的操作應(yīng)力主要受自重應(yīng)力載荷和溫度應(yīng)力載荷影響。而管道的管徑的變化主要影響自重應(yīng)力載荷、管道溫度的變化主要影響溫度應(yīng)力載荷,兩者的影響效果不同,在較低溫度下,溫度對(duì)操作應(yīng)力的影響起主導(dǎo)作用。

圖4 工況一管道操作應(yīng)力和管徑關(guān)系

3.1.2 定壓工況下一次應(yīng)力分析

一次應(yīng)力是由于壓力載荷和持續(xù)載荷作用的結(jié)果,所以對(duì)于同一管徑管道,在壓力不變的情況下,管道的一次應(yīng)力與溫度應(yīng)力載荷無(wú)關(guān)。由圖5可以看出管道的一次應(yīng)力隨著管徑的增加呈減小趨勢(shì),但隨著管徑的增大一次應(yīng)力增加的幅度越來(lái)越小,趨于恒定。

圖5 工況一管道一次應(yīng)力與管徑關(guān)系

3.1.3 定壓工況下二次應(yīng)力分析

由圖6可以看出在定壓工況下管道的二次應(yīng)力的變化情況與操作應(yīng)力類似,都隨管徑的增加而增大,并且在較高溫度下二次應(yīng)力增長(zhǎng)的更加顯著。而對(duì)于同一管徑的管道來(lái)說(shuō),溫度的上升會(huì)使二次應(yīng)力顯著增大。管道的二次應(yīng)力主要是由熱脹冷縮和端點(diǎn)位移造成的。對(duì)于操作應(yīng)力而言,其在較高溫度區(qū)域受管徑影響更大,在較低溫度區(qū)域受管徑影響很小,并且管道的一次應(yīng)力與溫度應(yīng)力載荷無(wú)關(guān),所以管道的二次應(yīng)力隨管徑變化規(guī)律與操作應(yīng)力類似。

圖6 工況一二次應(yīng)力與管徑關(guān)系

3.2 定溫工況下的管道應(yīng)力分析

3.2.1 定溫工況下操作應(yīng)力分析

圖7 工況二操作應(yīng)力與管徑關(guān)系

由圖7可知,在溫度不變的情況下(管道溫度為25℃),管道的操作應(yīng)力隨著管徑的增加呈上升趨勢(shì)。當(dāng)管徑較小時(shí),由管徑增大引起的管道操作應(yīng)力的增大幅度比管徑較大時(shí)的幅度大。而對(duì)于同一管徑的管道而言,在溫度不變的情況下管道的壓力越大,操作應(yīng)力越大,并且在不同壓力水平下,管道的操作應(yīng)力隨管徑變化的規(guī)律類似。管道的操作應(yīng)力主要受自重應(yīng)力載荷、溫度應(yīng)力載荷、壓應(yīng)力載荷影響。在定溫工況下,溫度應(yīng)力載荷保持不變,所以操作應(yīng)力受自重應(yīng)力載荷和壓應(yīng)力載荷影響。管徑的增大會(huì)使自重應(yīng)力載荷增大,而管道壓力的增大使壓應(yīng)力載荷增大,兩者共同影響管道的操作應(yīng)力。

3.2.2 定溫工況下一次應(yīng)力分析

圖8 工況二一次應(yīng)力與管徑關(guān)系

由圖8可知,在溫度不變的情況下(管道溫度為25℃),管道的一次應(yīng)力隨著管徑的增加在整體上呈減小的趨勢(shì)。但是在管道壓力為5Mpa時(shí),管道的一次應(yīng)力隨著管徑的增大先是略微增大,然后是顯著減小,最后是區(qū)域穩(wěn)定。而對(duì)于管道壓力分別為1MPa和3MPa的管道而言,管道的一次應(yīng)力一直隨著管徑的增大而減小。對(duì)于同一管道而言,在溫度不變的情況下,管道壓力越大其一次應(yīng)力也越大。

3.2.3 定溫工況下二次應(yīng)力分析

由圖9知管道的二次應(yīng)力隨著管徑的增大而增大,并且呈較好的線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。由于管道的二次應(yīng)力反映的是管道受到熱脹冷縮和端點(diǎn)位移時(shí)產(chǎn)生的位移,所以對(duì)于同一管道而言,在溫度不變的情況下,壓力的變化對(duì)二次應(yīng)力的大小沒(méi)有影響。

4 結(jié)論

通過(guò)運(yùn)用應(yīng)力分析軟CAESARⅡ?qū)δ晨照{(diào)管道進(jìn)行了應(yīng)力分析,通過(guò)在定壓和定溫工況下改變管道的管徑對(duì)管道的操作應(yīng)力、一次應(yīng)力和二次應(yīng)力進(jìn)行分析,得出如下結(jié)論：

圖9 工況二二次應(yīng)力與管徑關(guān)系

(1)在定壓和定溫的兩種工況下,管道的操作應(yīng)力都隨管徑的增大而增大。在定壓工況下,管道溫度越高,操作應(yīng)力增大的趨勢(shì)更加明顯,管道在低溫時(shí),操作應(yīng)力變化幅度不大；

(2)在定壓和定溫的兩種工況下,管道的一次應(yīng)力隨著管徑的增加呈減小趨勢(shì)。對(duì)于同一管徑的管道的而言,溫度恒定時(shí),管道的壓力越大一次應(yīng)力越大；

(3)在定壓和定溫的兩種工況下,管道的二次應(yīng)力都隨管徑的增加而增大。對(duì)于定壓工況而言在較高溫度下二次應(yīng)力增長(zhǎng)的更加顯著。而對(duì)于同一管徑的管道來(lái)說(shuō),溫度的上升會(huì)使二次應(yīng)力顯著增大。

因此,在設(shè)計(jì)高層建筑的空調(diào)管路時(shí),需要考慮管道的溫度、壓力、以及所要承受的載荷來(lái)選擇合適的材質(zhì)管徑的管道,同時(shí)需要合理的管道支吊架布置,以確?？照{(diào)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。