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摘要：架空管道的支承系统一般包括单片支架、固定支架、摇摆柱支架、桁架、附属检修平台等。本文重点讨论架空管道钢结构支架的设计问题。
关键词：支架；桁架；钢结构
1支架设计
1.1管架分类及选型
管架是管道的支承结构，分为固定管架、单向活动管架、双向活动管架及组合式管架等。
固定管道支架在纵向(沿管道方向)及横向均视为管道的不移动支点。因此，固定管道支架应有足够刚度，以保证管道系统的稳定。固定管架上的管道，一般采用固定管托(若有不固定的管托时，管托形式由工艺专业决定)。
单向活动管道支架一般设计为沿管道纵向可伸缩变形，管道横向不可变形，纵向的变形量应根据设备专业资料的要求确定。单向活动管道支架可设计为刚性、柔性和半铰接的构造形式。
双向活动管道支架允许管道沿平面内任意方向变形。双向活动管道支架可设计为摇摆管架、双向滑动管架和摇动吊梁管架。
管道跨越河流、山谷、铁路、公路以及其他建筑物而跨距超过允许值时，或因管径较小设立的管架数量过多而不合理时，可设置桁架实现跨越。
支架宽度根据工艺和设备专业资料的管道布置和计算确定，也可按照支架高度的1/8~1/12进行估算，还应注意避开地上、地下设备管线的位置。当支架高度不大于10m时，支架顶部和底部同宽；当支架高度大于10m时，可采用上小下大的梯形样式。
当支架高度不大于10m时，其立柱截面优先采用热轧H型钢或热轧工字钢；当支架高度大于10m时，宜采用焊接H型钢；支架的横梁优先采用热轧H型钢，也可采用焊接H型钢；支撑采用角钢制作，当立柱断面高度不大于300mm时，可设单片支撑，当大于300mm时，宜设置双片支撑。当固定支架(由两片单片支架和垂直支撑、横梁组成)高度大于10m时，宜沿竖向不大于5m且不超过两个垂直支撑的节间高度设置一道水平支撑，以增强固定支架的整体性和抗扭转能力。
1.2荷载
恒载：①管道重(包括管道、内衬、保温层、管道附件等)；②介质重；③管架重。
活荷载：①检修平台上活荷载；②灰荷载；③管内沉积物；④试压水。
水平推力：①管道补偿器的弹性力；②介质压力作用下的管道盲板力或鼓壁力；③固定、刚性管架的管道摩擦力或活动管架位移反弹力。④管道横向位移的摩擦力
风荷载：①管道上的风荷载；②管架上的风荷载。
特殊荷载：事故水、地震作用。
其他荷载：①冰雪荷载，在寒冷地区，当管壁温度在0℃以下时，应按具体情况考虑；②预留荷载。
1.3支架结构内力分析
支架的计算应采用不完全铰接的平面杆系进行内力分析。结构计算可手算或采用PKPM的STS支架计算模块等进行计算分析。根据支架所承受的竖向和水平力，可按操作状态、试压状态、地震状态三种工作状态计算，这三种状态下考虑下列组合：
操作状态：永久荷载+活荷载+纵向水平荷载+风荷载。
试压状态：永久荷载+试压水荷载+风荷载
地震状态：永久荷载+50%活荷载+固定管架水平推力+地震作用
1.4计算简图
管架结构按弹性体系计算，管架结构受力复杂，其柱、梁和基础均为双向受力构件，但在一般情况下，可根据设计经验简化计算，各类管架计算简图如下。
(1)固定管架计算简图
以上类型管架柱沿管道纵向方向计算长度系数取值宜为：固定管架取垂直支撑节间长度(没条件设垂直支撑按2.0取)；单片刚性管架按1.5取；单片柔性管架按1.25取；半铰接管架按1.0取。
1.5节点构造
支架横梁与柱的连接：当设置垂直支撑时，横梁为一整根型钢，横梁下翼缘与柱头端钢板焊接，此构造的优点是梁和柱的连接构造简单，横梁可以很方便的左右悬挑；支架横梁与柱连接节点在STS计算分析时，应将柱顶点铰接，柱间交叉垂直支撑设置为单拉杆。
图3 刚性管架计算简图
a)平面示图 b)平面内计算简图 c)平面外计算简图
(3)单片柔性管架计算简图
图5 半铰接管架计算简图
a)平面图 b)平面内简图 c)平面外主动管在上层
d)平面外主动管在下层
2管架体系中的桁架设计
2.1桁架杆件截面
2.1.1截面型式
桁架上弦杆一般采用单角钢，对于跨度较大的管道体系，可采用双角钢组合截面、槽钢或H型钢截面。
下弦杆一般采用单角钢，角钢布置为肢尖向内、向上，对于大跨度桁架可采用H型钢。
端竖杆：一般采用宽翼缘焊接h型钢，并使截面强轴平行桁架跨度方向。
中间竖杆、斜腹杆及立撑一般采用单角钢直接与上、下弦相焊，但大跨度桁架则应根据计算要求，采用连接板连接。
上、下弦水平支撑采用单角钢通过连接板与上下弦相连。
2.1.2杆件截面计算
根据桁架内力分析所得的内力对杆件进行截面设计；对于减小弦杆平面外计算长度的支撑体系一般按杆件的长细比确定。
桁架杆件设计为单角钢时，在进行强度和稳定计算时，应按《钢结构设计规范》的相关规定对强度设计值进行折减。腹杆与弦杆不设置节点板而直接焊接连接时，应考虑焊缝落弧对弦杆截面的削弱影响；此外，还应考虑腹杆重心线在上、下弦节点处的交汇点不在弦杆的重心线上所形成的附加弯矩所产生的附加次应力。
2.1.3桁架的变形控制
桁架的跨中最大挠度值不应超过跨度的1/500。大跨度桁架可预先起拱，起拱大小一般为恒载标准值加1/2活载标准值所产生的扰度值。
2.2管道支承桁架结构构造
(1)桁架的制作分段，当跨度不大于12m时不分段，大于12m时小于20m时分两段，跨度在20m以上时分三段或三段以上，每段长不超过12m，每段之间应采用等强拼接连接。
(2)桁架与支架的连接桁架两端的支承支架可以都是单片支架，也可以一端单片支架一端为固定支架。桁架可以通过两端的立柱叠接于两端支架的横梁上，也可以用弦杆直接平接于两端支架的立柱上。
3结语
在管道支架的设计时，必须读懂、吃透上游专业设计任务书的意图和对土建专业的要求，合理布置支架的平面位置，使各支架较均匀的分担管道系统的水平荷载，荷载的取值及其组合值尽可能符合实际；截面设计应满足强度、稳定要求，尽可能选择截面回转半径大的截面形式。
参考文献
[1]《钢结构设计规范》(GB50017-2003).中国计划出版社，2003.
[2]《构筑物抗震设计规范》(GBJ50191-2012).中国计划出版社，2012.
论文作者:顾雪良
论文发表刊物:《电力设备》2016年第13期
论文发表时间:2016/10/10
标签：支架论文; 荷载论文; 桁架论文; 管道论文; 截面论文; 简图论文; 角钢论文; 《电力设备》2016年第13期论文;