采用格構(gòu)式鋼柱的大跨度架空支架設(shè)計(jì)

韓碩

中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司 北京 100089

引言

在冶金、化工、石油、供熱等工程領(lǐng)域，管道支架屬于應(yīng)用廣泛的特種結(jié)構(gòu)類型。管道支架由管座、管架柱、管架梁（或桁架）和基礎(chǔ)組成，管道支架的結(jié)構(gòu)按照不同的支撐方式可以分為獨(dú)立式管架、縱梁式管架、組合式管架等，設(shè)計(jì)過(guò)程中需要結(jié)合不同的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)選型[1]。管道支架的設(shè)計(jì)除了需要考慮管道的荷載和連接方式，還需考慮整個(gè)場(chǎng)地的施工條件、總圖、場(chǎng)平、場(chǎng)地的使用規(guī)劃等等。

1 工程概況

本工程位于北京市，為室外煙管支架。設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑物抗震設(shè)防烈度為8度，鋼結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為四級(jí)。根據(jù)工藝資料，室外煙氣管道位于鍋爐房北側(cè)區(qū)域，共有10根，總長(zhǎng)度約93m，管道間距為2.5m，支架的間距最小為4.275m、最大為14m，高度為9.55m。場(chǎng)地北側(cè)靠近煙道區(qū)域?yàn)槎陬A(yù)留的熱泵及燃?xì)庹{(diào)壓區(qū)，根據(jù)使用需求及后期施工等因素，該區(qū)域需要通暢的路面交通空間，地面做下凹式綠地和透水鋪裝。

2 結(jié)構(gòu)選型

方案1采用縱梁式管架，梁跨度為3～8m，每8m布置一組支架，支架柱為4根一組并設(shè)置柱間支撐。方案1支架形式受力明確，可以滿足結(jié)構(gòu)承載力、變形、穩(wěn)定性等要求。鋼柱長(zhǎng)細(xì)比為150，煙管荷載較小的情況下，鋼柱截面的大小主要為構(gòu)造要求，小跨度和大跨度支架的鋼柱截面大小基本一致，材料利用率不高，不夠經(jīng)濟(jì)。部分煙管支架基礎(chǔ)與主體結(jié)構(gòu)間距近，需考慮做聯(lián)合基礎(chǔ)，且地面鋼柱較多，對(duì)后期預(yù)留空間影響較大。

方案2采用三角形立體管桁架，支架跨度為16m，鋼柱間距可以滿足地面空間的使用要求。三角形立體管桁架的截面形式為三角形，桁架結(jié)構(gòu)可適應(yīng)很大的結(jié)構(gòu)跨度，具有穩(wěn)定性好，抗扭轉(zhuǎn)剛度大的特點(diǎn)，在某25m跨度的燃?xì)夤艿乐Ъ茉O(shè)計(jì)中表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性，整體橫向剛度也較小[2]。在以往工程經(jīng)驗(yàn)中，立體管桁架這種結(jié)構(gòu)形式通常應(yīng)用在跨度在25m及以上跨度的支架結(jié)構(gòu)，本項(xiàng)目支架最大跨度為16m，沒(méi)有采用該形式。

方案3采用組合式支架，由大跨度橫梁、三角支撐及格構(gòu)式鋼柱組成，支架跨度為16m，圖1為東側(cè)局部煙管支架的結(jié)構(gòu)布置圖。豎向荷載由橫梁依次傳遞給帶腹桿的三角形斜撐和格構(gòu)式鋼柱。三角形支撐將橫梁跨度從16m減小到8m，有效控制豎向荷載下的彎矩和撓度，提供豎向剛度。由于煙氣管道自重較輕，水平風(fēng)荷載為主要控制荷載，為提高整體支架的橫向剛度，橫梁的截面采用了雙槽鋼格構(gòu)式截面，由兩側(cè)槽鋼抵抗豎向荷載和變形，通過(guò)水平支撐提供較大的平面外剛度來(lái)抵抗水平風(fēng)荷載，從而控制整體結(jié)構(gòu)的水平擺動(dòng)。鋼柱由四根小截面方鋼管和角鋼組合成，通過(guò)中心支撐的角鋼減小鋼柱的計(jì)算高度，有效控制柱子的長(zhǎng)細(xì)比，提高鋼柱的平面外穩(wěn)定性，整體結(jié)構(gòu)外觀更加輕盈纖細(xì)。

圖1 支架結(jié)構(gòu)示意圖

平面布置上，方案2和方案3為下方綠地和調(diào)壓區(qū)提供了較大的空間，也兼顧了美觀度。從受力性能分析，三種結(jié)構(gòu)形式均可以滿足設(shè)計(jì)要求。從經(jīng)濟(jì)性角度分析，方案2適合更大跨度的架空支架結(jié)構(gòu)，方案3采用的結(jié)構(gòu)形式更加復(fù)合本項(xiàng)目的實(shí)際情況，最終選擇方案3作為本工程的結(jié)構(gòu)選型。

3 設(shè)計(jì)荷載

管道支架的荷載包括恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載及地震荷載。恒荷載為煙管的自重，由工藝專業(yè)提供，每個(gè)受力點(diǎn)豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值為2t?；詈奢d包括管道安裝和檢修荷載，按照1kN的點(diǎn)荷載作用在橫梁最不利位置。雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值取0.40kN/㎡，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值取0.45kN/m2，場(chǎng)地粗糙度為B類，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 5009-2012[3]，支架高度在10m以內(nèi)，風(fēng)壓高度變化系數(shù)取1.0，煙氣管道的水平風(fēng)荷載折算成集中荷載施加在煙氣管道支托的位置。地震荷載計(jì)算按照建筑物抗震設(shè)防烈度8度，地震基本加速度值0.20g，第二組，本工程場(chǎng)地類別Ⅱ類，設(shè)計(jì)特征周期Tg=0.40s，水平地震影響系數(shù)最大值amax=0.16進(jìn)行計(jì)算。

4 結(jié)構(gòu)建模

本項(xiàng)目采用由上海某土木工程技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的3D3S Design V2021.5軟件進(jìn)行建模和內(nèi)力分析。為實(shí)現(xiàn)管道支架的節(jié)點(diǎn)、構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化，格構(gòu)式鋼柱的標(biāo)準(zhǔn)截面為120×120×6×6的矩形鋼管，底層鋼柱截面為120×120×6×6的矩形鋼管四角焊接L50×5角鋼，支撐截面為L(zhǎng)50×5和L63×5角鋼，水平支撐截面為L(zhǎng)50×5和L63×5。所有鋼材均為Q235B。

建模分析時(shí)采用的計(jì)算假定為：①所有柱底與基礎(chǔ)均為剛接節(jié)點(diǎn)，梁與柱之間為剛接節(jié)點(diǎn)，支撐兩端為鉸接節(jié)點(diǎn)。②所有中心支撐的角鋼都是直桿，受力特性為二力桿，僅考慮軸力作用，不考慮節(jié)點(diǎn)剛性產(chǎn)生的彎矩。③各構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度：主梁平面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度取三角支撐的間距，平面外計(jì)算長(zhǎng)度為橫梁總長(zhǎng)度16m，柱間支撐計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)為1.0。④整體結(jié)構(gòu)分析需考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性，采用二階P-Δ彈性分析法，考慮結(jié)構(gòu)初始幾何缺陷。

5 整體分析結(jié)果

煙管支架x方向共3跨，y方向?yàn)?跨。x方向支架的剛度較大而y方向剛度較小，結(jié)構(gòu)容易對(duì)y方向地震力產(chǎn)生響應(yīng)。由于支架整體剛度較柔，風(fēng)荷載為主要控制荷載，在y方向風(fēng)荷載下橫梁容易發(fā)生水平變形。

經(jīng)3D3S軟件計(jì)算分析，可以得到各個(gè)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（圖2）。鋼柱的最大應(yīng)力比為0.9，鋼梁、支撐的最大應(yīng)力比均在0.6以內(nèi)，截面強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。從圖中可以看出，應(yīng)力分布較大位置為鋼柱中下端區(qū)域，該區(qū)域在最不利組合下繞x和y軸方向的穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果應(yīng)力比為0.7，強(qiáng)度驗(yàn)算應(yīng)力比為0.85～0.9，截面強(qiáng)度為控制應(yīng)力比，材料的利用率高，經(jīng)濟(jì)效果顯著。

圖2 各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力比計(jì)算結(jié)果

從整體結(jié)構(gòu)位移結(jié)果看，支架頂部的層間位移角x方向?yàn)?/663，y方向?yàn)?/263，均滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中小于1/250的要求，該結(jié)構(gòu)體系可以提供足夠的豎向和水平剛度。結(jié)構(gòu)水平最大位移受風(fēng)荷載組合工況控制，結(jié)構(gòu)最大水平位移為31mm，位于跨中，變形方向?yàn)閥方向（垂直煙管方向），結(jié)構(gòu)主要變形由風(fēng)荷載控制。

通過(guò)3D3S軟件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，前9個(gè)周期分別為0.4799s，0.3768s，0.3507s，0.2812s，0.2897s，0.2605s，0.2338s，0.2240s，0.2053s。圖3為前3個(gè)振型的模態(tài)，振動(dòng)變化分別為y方向平動(dòng)、y方向平動(dòng)及局部扭動(dòng)，x方向平動(dòng)。在外部地震波激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)較薄弱方向?yàn)閥方向。分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的承載力、變形、整體指標(biāo)等均滿足相關(guān)規(guī)范的要求，該結(jié)構(gòu)受力合理，體系穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 前三個(gè)振型的模態(tài)

6 結(jié)構(gòu)用鋼量

在本工程初步設(shè)計(jì)階段，分別對(duì)方案1和方案3進(jìn)行了建模和分析，并統(tǒng)計(jì)了整體用鋼量。方案1總體用鋼量約為54t，方案3的總用鋼量為43.6t，方案3比方案1節(jié)省了約10.4t鋼材，經(jīng)濟(jì)性較好。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了格構(gòu)式鋼柱的大跨度架空支架在能源領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例，得到如下結(jié)論：

由小截面鋼柱組成的格構(gòu)式鋼柱顯著提高了結(jié)構(gòu)受壓狀態(tài)下的整體穩(wěn)定性，截面強(qiáng)度為控制強(qiáng)度，充分發(fā)揮了鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度材料性能，整體結(jié)構(gòu)受力合理的情況下，鋼柱截面纖細(xì)輕盈，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和美觀度。

恒荷載較小的大跨度架空支架主要控制荷載為水平風(fēng)荷載，格構(gòu)式橫梁既可以滿足結(jié)構(gòu)豎向承載力及變形要求，也可以通過(guò)水平支撐為整體結(jié)構(gòu)提供足夠的橫向剛度。

和獨(dú)立式管道支架相比，由大跨度橫梁、三角支撐及格構(gòu)式鋼柱組成組合式支架在用鋼量和美觀度上都具有明顯優(yōu)勢(shì)。

隨著我國(guó)工業(yè)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，管道支架的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹?lái)越廣泛，針對(duì)管線密集、支架間距較小、場(chǎng)地空間受限等問(wèn)題，可以采用不同形式的架空組合支架。在大跨度支架設(shè)計(jì)中，桁架、懸索、斜拉等結(jié)構(gòu)形式都有很好的跨越能力，本文僅以其中一個(gè)設(shè)計(jì)思路進(jìn)行探討，達(dá)到拋磚引玉的作用。