機(jī)電安裝管道支吊架的設(shè)計(jì)

成乾碩 閻 斌 賈 蒙 孫智君 林 勇 朱若檸

中建一局集團(tuán)第三建筑有限公司 北京 100161

目前，已有的文獻(xiàn)資料規(guī)定了機(jī)電管道支吊架的選型與荷載計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)與要求，然而在機(jī)電安裝施工技術(shù)方面，對(duì)于大型管道支吊架方面缺少相關(guān)計(jì)算方法和規(guī)范圖集的支持。

支吊架在管道正常運(yùn)行過(guò)程中受豎向荷載與水平荷載作用，支吊架所受豎向荷載為管道、管道附件及介質(zhì)的重力，水平荷載為管道系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的水平推力?；瑒?dòng)支吊架的水平推力主要為管道摩擦力，固定支吊架的平推力為管道熱伸長(zhǎng)產(chǎn)生的水平推力或管道運(yùn)行時(shí)因?yàn)樗畨寒a(chǎn)生的水平力。

在管道支吊架設(shè)計(jì)過(guò)程中還應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容包括：支吊架體系的選擇，支吊架綜合形式的選擇，框架、錨栓、錨板的選型，結(jié)構(gòu)連接的生根方式等[1-5]。

為了明確支吊架深化設(shè)計(jì)過(guò)程中各節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)依據(jù)，更好地指導(dǎo)施工過(guò)程，本文參考鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)計(jì)算方法與混凝土后錨固技術(shù)及機(jī)電安裝的特點(diǎn)，闡述了機(jī)電管線支吊架的設(shè)計(jì)思路及計(jì)算方法，將該方法應(yīng)用在多個(gè)項(xiàng)目，結(jié)果顯示，該方法具有一定的參考價(jià)值和較強(qiáng)的普適性。

1 支吊架體系

目前，機(jī)電安裝工程中使用的支吊架體系主要包括2種：柔性支吊架體系與剛性支吊架體系。無(wú)論機(jī)電安裝中使用柔性支吊架體系或剛性支吊架體系，均可按照本文提出的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1 柔性支吊架體系

該體系中滑動(dòng)支吊架為柔性支吊架，固定支吊架為剛性支吊架。柔性支吊架與結(jié)構(gòu)之間連接支座為鉸接，產(chǎn)生剪力及拉力的作用，不產(chǎn)生彎矩，在管道系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中柔性支吊架只承受管道豎向荷載，不承受水平荷載。

柔性支吊架體系中，管道系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，假設(shè)某一個(gè)固定支吊架存在質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)于整個(gè)管道系統(tǒng)來(lái)說(shuō)都會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的破壞，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)被破壞，直接造成嚴(yán)重的損失，甚至是人員的傷亡。

1.2 剛性支吊架體系

該體系中的支吊架均為剛性支吊架，剛性支吊架與結(jié)構(gòu)支架的連接支座為固端，其垂直方向受力為管道的豎向荷載，其水平方向受力為受荷范圍內(nèi)的管道運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的摩擦力與水平荷載。因此，支吊架不僅承受管道的質(zhì)量，還要承受水平摩擦力的質(zhì)量，同時(shí)立桿承受水平力產(chǎn)生的彎矩影響。體系中的支座為固定支座，產(chǎn)生剪力、拉力及彎矩作用。

剛性支吊架體系中，每個(gè)滑動(dòng)支吊架均承擔(dān)相應(yīng)的力，荷載分布均勻，不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)闃O少數(shù)支吊架存在質(zhì)量問(wèn)題而導(dǎo)致大面積管道系統(tǒng)支撐體系破壞的情況。

2 支吊架布置

2.1 滑動(dòng)支吊架設(shè)計(jì)原則

2.1.1 管道的最大安裝間距要求

在給排水、通風(fēng)空調(diào)等施工設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范中均對(duì)管道支吊架的最大設(shè)置間距進(jìn)行了規(guī)定，本文僅以通風(fēng)空調(diào)專(zhuān)業(yè)的鋼管道支架舉例。

2.1.2 滑動(dòng)支吊架間距注意事項(xiàng)

1）支吊架間距設(shè)計(jì)必須遵循最大間距排布要求，排布間距可以小于最大間距要求，但不能超出最大間距要求。

2）不同管徑管道布置在同一個(gè)支吊架體系內(nèi)時(shí)，支吊架布置間距應(yīng)按最小管徑要求進(jìn)行布置；此外，也可為小管徑管道單獨(dú)增設(shè)支吊架。

3）結(jié)構(gòu)樓板厚度小于120 mm時(shí)，支吊架盡量布置在梁側(cè)。

4）支吊架設(shè)置在樓板下，樓板厚度應(yīng)不小于2倍機(jī)械錨栓的有效深度，否則應(yīng)采用對(duì)穿的形式進(jìn)行連接。

2.2 固定支吊架間距設(shè)計(jì)原則

2.2.1 固定支吊架間距設(shè)計(jì)總原則

1）管道變形與管道直徑?jīng)]有關(guān)系。

2）由于鋼材線膨脹系數(shù)為常數(shù)，可知管道的熱伸長(zhǎng)與管道的溫差成正相關(guān)關(guān)系。

2.2.2 溫度補(bǔ)償器處兩端固定支吊架設(shè)計(jì)原則

1）應(yīng)滿足上述固定支吊架間距設(shè)計(jì)總原則，管道的熱補(bǔ)償量應(yīng)控制在40 mm以?xún)?nèi)。

2）為保證管道系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，在民用與公共房屋建筑中，有分支的長(zhǎng)直管道的總長(zhǎng)度應(yīng)控制在50 m左右。

3）補(bǔ)償器的補(bǔ)償量應(yīng)能夠滿足兩固定支吊架之間管道變形量，一般選用的補(bǔ)償器的額定補(bǔ)償量為管道計(jì)算變形量的1.5倍。

4）固定支吊架與補(bǔ)償器之間的距離應(yīng)控制在4倍管道公稱(chēng)直徑的范圍內(nèi)。

2.2.3 L形補(bǔ)償兩固定支吊架間距設(shè)計(jì)原則

1）L形補(bǔ)償器管道允許最大長(zhǎng)度。圖1為管道L形補(bǔ)償器固定支吊架設(shè)置示意，圖中L1為長(zhǎng)臂，L2為短臂。

圖1 L形補(bǔ)償支吊架設(shè)置示意

表1為不同管徑下的L形補(bǔ)償器常用的長(zhǎng)短臂組合。2）L形補(bǔ)償器固定支吊架布置要點(diǎn)。

① 在進(jìn)行支吊架布置時(shí)，長(zhǎng)臂與短臂的取值可參考表1。此外，長(zhǎng)臂與短臂的比值應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)條件允許的范圍內(nèi)取最小值。

表1 L形補(bǔ)償器長(zhǎng)短臂常用取值（管道溫差為60 ℃）

② 當(dāng)L形補(bǔ)償器的夾角大于150°時(shí)，表1不再適用，長(zhǎng)臂與短臂的設(shè)計(jì)取值應(yīng)參考《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》。

2.2.4 Z形補(bǔ)償量固定支吊架間距設(shè)計(jì)原則

1）設(shè)計(jì)管道Z形補(bǔ)償器時(shí)，應(yīng)保證管道的補(bǔ)償量控制在40 mm以?xún)?nèi)。

2）管道Z形補(bǔ)償支吊架的設(shè)置如圖2所示。其中，L1與L2的取值可參考表2中列出的不同管徑下Z形補(bǔ)償器常用L1＋L2、h的組合。3）當(dāng)Z形補(bǔ)償器的夾角大于150°時(shí)，表2不再適用，應(yīng)參考《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》進(jìn)行設(shè)計(jì)取值。

圖2 Z形補(bǔ)償支吊架設(shè)置示意

表2 Z形補(bǔ)償器長(zhǎng)短臂常用取值（管道溫差為60 ℃）

2.2.5 U形補(bǔ)償量固定支吊架間距設(shè)計(jì)原則

14K206《金屬管道補(bǔ)償設(shè)計(jì)與選用》中明確規(guī)定了U形補(bǔ)償器固定支吊架的設(shè)計(jì)原則，本文不再贅述。

2.3 導(dǎo)向支吊架間距設(shè)計(jì)原則

機(jī)電管道安裝過(guò)程中，波紋補(bǔ)償器和U形補(bǔ)償器的兩側(cè)需要安裝導(dǎo)向支架，以防止管道的非軸向位移對(duì)支吊架系統(tǒng)產(chǎn)生破壞。

2.3.1 波紋補(bǔ)償器導(dǎo)向支吊架設(shè)置

14K206《金屬管道補(bǔ)償設(shè)計(jì)與選用》第28頁(yè)明確規(guī)定了導(dǎo)向支吊架設(shè)置的要求：

1）第1導(dǎo)向支吊架距離波紋補(bǔ)償器應(yīng)不大于4倍管道公稱(chēng)直徑。

2）第2導(dǎo)向支吊架距離第1導(dǎo)向支吊架應(yīng)不大于14倍管道公稱(chēng)直徑。

3）其他導(dǎo)向支架的安裝距離按照?qǐng)D集中給出的表格進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3.2 U形補(bǔ)償導(dǎo)向支吊架設(shè)置

14K206《金屬管道補(bǔ)償設(shè)計(jì)與選用》第15頁(yè)明確規(guī)定了U形補(bǔ)償器處導(dǎo)向支吊架設(shè)置要求：當(dāng)管道長(zhǎng)度大于給定數(shù)值或幾根熱力管道共架時(shí)，應(yīng)在距外伸臂45倍公稱(chēng)直徑處設(shè)置導(dǎo)向架，其直徑以其中最大管徑選取。

3 支吊架選型

3.1 各類(lèi)型鋼特點(diǎn)

支吊架框架選型常用型鋼特點(diǎn)及適用范圍見(jiàn)表3。

表3 常用型鋼特點(diǎn)及適用范圍

3.2 截面選型計(jì)算依據(jù)

柔性支吊架體系中滑動(dòng)支吊架的吊桿與橫擔(dān)的選型在各專(zhuān)業(yè)對(duì)應(yīng)的圖集中均有詳細(xì)的介紹，本文不再贅述。

對(duì)于柔性支吊架體系中的固定支吊架與固定支吊架體系設(shè)計(jì)，鋼材強(qiáng)度指標(biāo)是支吊架截面選型重要依據(jù)。

GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》表4.4.1指出，機(jī)電管線支吊架的框架鋼材受力形式主要是抗拉、抗壓、抗彎，在實(shí)際工程中機(jī)電管線支吊架鋼材厚度小于16 mm，在進(jìn)行框架內(nèi)力驗(yàn)算后，其最大應(yīng)力小于215 N/mm2，即滿足要求。

無(wú)論采取軟件計(jì)算還是人工計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果滿足上述結(jié)論即可。

4 支吊架生根

對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)支吊架生根有2種形式：后置錨栓、結(jié)構(gòu)預(yù)埋件。

4.1 后置錨栓

4.1.1 錨栓的設(shè)計(jì)

機(jī)電安裝支吊架后置錨栓建議使用膨脹錨栓，且為扭矩控制式錨栓。

錨栓長(zhǎng)度選擇：錨栓長(zhǎng)度＝有效錨固長(zhǎng)度＋墊片厚度＋錨栓螺母厚度＋外露2～3個(gè)絲扣長(zhǎng)度。

4.1.2 錨栓錨固的要求

混凝土基材厚度應(yīng)不小于2倍有效埋置深度，且混凝土基材厚度應(yīng)大于100 mm。

4.1.3 錨板設(shè)計(jì)

1）錨板厚度。厚度取值參考JGJ 145—2013《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定與機(jī)電管線支吊架錨板的受力特點(diǎn)，錨板厚度按照錨栓間距的1/8取值。

2）錨板孔徑。錨板螺栓孔徑需要比錨栓直徑長(zhǎng)1～3 mm，錨板開(kāi)孔禁止開(kāi)長(zhǎng)圓孔。

3）錨板尺寸設(shè)計(jì)。錨板設(shè)計(jì)如圖3所示。錨板設(shè)計(jì)包括對(duì)錨板的長(zhǎng)度、寬度及厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，錨板寬度B＝c＋2d（建議c≥50 mm）；錨板高度H＝c＋2d；錨栓間距“b”的取值主要由支吊架框架吊桿的截面積決定；錨板的厚度取值不宜小于錨栓間距b的1/8。

圖3 錨板示意

4.2 結(jié)構(gòu)預(yù)埋件

4.2.1 錨筋的設(shè)計(jì)

1）錨固長(zhǎng)度。錨筋的錨固長(zhǎng)度按式（2）計(jì)算。

2）鋼筋錨固形式。如果直錨長(zhǎng)度大于現(xiàn)場(chǎng)板厚度，可選擇鋼筋彎鉤與機(jī)械錨固，其錨固長(zhǎng)度為0.6倍的基本錨固長(zhǎng)度，鋼筋錨固示意如圖4所示。

4.2.2 錨板的設(shè)計(jì)

1）錨板長(zhǎng)、寬。最外層錨筋中心到錨板邊緣的距離c

應(yīng)大于2d（d為錨筋直徑）或20 mm；錨板寬度B≥2c＋橫向錨筋總間距；錨板高度H≥2c＋縱向錨筋總間距。錨板設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 預(yù)埋件錨板示意

2）錨板厚度。錨板厚度應(yīng)不小于錨筋直徑的0.6倍，受拉和受彎預(yù)埋件的錨板厚度應(yīng)大于b/8（b為錨筋間距）。

5 結(jié)語(yǔ)

將本文提出的計(jì)算方法與設(shè)計(jì)原則應(yīng)用于實(shí)際工程中，可為支吊架設(shè)計(jì)、計(jì)算及選型提供依據(jù)。目前，該技術(shù)已在多個(gè)項(xiàng)目中進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，并已證實(shí)在管道運(yùn)行過(guò)程中，支吊架未產(chǎn)生異常，管道系統(tǒng)運(yùn)行情況良好。因此，本文提出的機(jī)電管線支吊架設(shè)計(jì)方法與原則具有較強(qiáng)的工程實(shí)用性，可供業(yè)內(nèi)人士參考，并在相關(guān)工程施工時(shí)使用。