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【摘 要】文章从钢结构管道支架设计的原则， 钢结构管道支架常用结构类型，管道支架的选型，支架柱长细比的选择，管道支座的选择，某大型蒸汽管道支架优化设计实例分析六方面来介绍，
【关键词】管道支架，有限元模型，优化设计
近年来，在我国工业建筑项目中钢结构管道支架应用越来越广泛，它也是管道工程设计的重要组成部分，管道介质主要有热力管道、蒸汽管道、水管、除尘风管、烟气管道、压缩空气管道、硫铵溶液输送管道等。
一、钢结构管道支架设计的原则
钢结构管道支架（以下简称管架或支架）设计应满足施工及正常使用状态下各种作用，偶然事故情况下结构维持必要的稳定。以可靠指标度量结构构件的可靠度，用含分项系数设计表达式进行计算，一般采用有限元或PKPM 计算软件，通过对支架的受力模型及动力特的分析，抗震地区还应考虑支架的抗震性能分析，从而设计出合理的钢结构管道支架。支架设计的一般原则主要有以下几个方面：
1、管道支架设计使用年限为50年。安全等级取一级，结构重要性系数γ0 取1.1。
2、所有结构构件均应进行承载力计算；有抗震设防要求的结构，尚应按规定进行结构构件抗震承载力验算。
3、管道支架横梁在垂直荷载及水平推力作用下，按照双向受弯构件计算。固定管道支架横梁的最大挠度不宜大于梁跨度的1/500；其他管道支架横梁的最大挠度不应大于梁跨度的1/250。竖向荷载（标准值）作用下的挠度容许值不大于L/400；管道水平推力（标准值）作用下的挠度容许值不大于L/400。沿管道横向风荷载标准值作用下的柱顶位移不大于H/400；固定管道支架沿管道纵向在管道水平推力作用下的柱顶位移为H/400；H 为支架高度。
（4）地震基本烈度为8 度及8 度以上地区的活动管道支架应采用刚性活动管道支架。
二、 钢结构管道支架常用结构类型
独立式管架包括固定管架、刚性管架、柔性管架、半铰管架、双向活动管架（摇摆管架）。相对于固定管架，其他均属于活动管架。（1）固定管架上的管道一般采用固定管座，管架下端与基础固定，且多采用四柱式的双片支架。（2）刚性管架上的管道在管架上均采用滑动或滚动管座，管架下端与基础固定，一般采用双柱式单片支架。（3）柔性管架上的主动管道采用滑动或者铰接管座，其他管道可采用滑动管座，管架下端与基础固定，一般采用单柱式独立支架。(4) 半铰接管架上的主动管道采用铰接管座，管架下端沿纵向为半铰接，沿横向为固定。
三、管道支架的选型
管道支架按材料可分为钢筋混凝土支架、钢支架等；按用途可分为固定支架和活动支架；按结构受力特点可分为刚性支架、柔性支架和半绞接支架;按外形
可分为T 形支架、Π形支架、单层支架、双层支架、多层支架、单片支架、空间刚支架或塔支架等。管道支架的选型,一般按以下几个原则综合考虑。
1、 管道支架的结构材料选择
一般在经济条件允许或在新建厂的管道支架设计中,施工工期要求紧且场地施工交叉多的情况下,管道支架宜优先采用钢结构；对于厂前区的管道支架,宜优先采用钢结构。采用钢结构的断面比采用钢筋混凝土结构的截面尺寸小,整体效果轻巧、协调、美观。
2、组合式支架的选择
当管道跨越铁路或道路时,在管道的允许跨度不满足铁路或道路宽度要求的情况下,需要采用组合式支架,即在相邻支架上附加钢桁架、纵横梁等辅助跨越结构。为了道路的安全通行和机组的安全运行,跨铁路的辅助跨越结构底面(附加钢桁架的下弦或纵横梁的梁底)到铁路轨顶的最小垂直净距离不小于5.5m,跨道路的辅助跨越结构底面到道路路面的最小垂直净距不小于5m。
3、固定支架的选择
固定支架的位置由工艺专业确定,支架型式通常为门形支架或Π形支架。当门形支架或Π形支架承受的纵向水平推力较大时,宜优先采用四柱式固定支架,即相邻的Π形或门形的单片支架采用纵梁连接。固定支架在纵向(沿管道轴向)和横向(垂直于管道轴向)均视为管道的不移动支点,应有足够的刚度,以保证管道系统的稳定,减小水平位移。高支架不宜作为固定支架。固定支架除了要承受固定点两侧相邻活动支架之间的垂直荷载外,还要承受2 个固定点之间所有的纵向水平推力。此时,固定支架结构受的水平力大,垂直力相对较小,这样使得基础的偏心距较大。如果高支架作为固定支架,相对作为固定支架的低支架来说,会增大支架柱的基础底面积和支架柱的断面,增加基础和柱的配筋,从经济角度不尽合理。因此,在土建专业施工图具体设计中,在固定支架允许跨距的条件下,适当调整位置,避开高支架作为固定支架。组合式支架不宜作为固定支架。组合式支架是跨铁路、道路的高支架,其纵向刚度较弱,故不宜作为固定支架。
4、门形支架和Π形支架的选择
门形支架和Π形支架的抗扭能力和整体刚度都较强,特别适用于管道直径较大、根数较多的情况。只要条件允许,宜优先选用门形支架；当管道数量多,支架横梁跨度及横梁截面过大时,为减小横梁跨度和横梁截面,可选择Π形支架；当支架遇到挡土墙、地下沟道等障碍物时,可采用Π形支架,在不改变横梁位置的同时,调整支架柱的位置,使支架柱基础和支架柱避开障碍物。
四、支架柱长细比的选择
实践效果表明,管道支架柱的截面尺寸大小,不仅要满足本身安全稳定性的要求,而且要注意与管道直径大小协调,避免产生头重脚轻或头轻脚重的感觉。根据经验,长细比范围为:对于钢筋混凝土结构的固定支架柱,一般在25～30;对于钢筋混凝土结构的活动支架柱,一般在35～40;对于钢结构的固定支架柱,一般在100～125;对于钢结构的活动支架柱,一般在125～150。
五、管道支座的选择
管道支座主要分固定支座、滑动支座和滚动支座。管道的固定支座用在固定支架上。由于管道的纵向水平推力较大,需要通过固定支座传递到固定支架上,所以一般采用管道与管托焊接,管托与支架柱顶部埋件焊接的连接方式。同时,为了保证顶部埋件的受力安全可靠,常常在顶部埋件下设置抗剪连接件。管道的滑动支座和滚动支座用在活动支架上。活动支架主要承受管道的垂直荷载和一定的水平摩擦力。为了减小水平摩擦力,以前常常采用低摩擦系数的滚动支座。由于滚动支座的滚轴在长时间的使用过程中容易生锈,阻碍滚轴的滚动,影响滚动摩擦的效果,因此,目前很少采用滚动支座。为了解决滚动支座中出现的问题,并同时达到滚动支座低摩擦系数的效果,目前常常采用聚四氟乙烯滑动支座,即在钢板之间的滑动面上涂上聚四氟乙烯材料。由于聚四氟乙烯具有低摩擦系数和很高的承载能力,其滑动支座不但滑动摩擦系数在0.10 以下(当施工安装有保障时,可达0.06；而钢板之间的滑动摩擦系数为0.30),而且具有较长的使用寿命和较长的低摩擦效果。
六、某大型蒸汽管道支架优化设计实例分析
1、有限元模型建立
采用SAP2000 有限元软件计算，建立有限元模型时，蒸汽管道支架可视为空间钢支架，模型和设计中，所有梁柱、立面斜撑节点均设置为铰接节点。计算不同高度、相同荷载工况下的固定支架和半铰接支架，两种支架形式分别采用型钢和钢管截面。
2、管道支架截面设计分析
从表1 可看出，当支架的高度为10 m 时，钢支架分别采用型钢和圆钢管截面形式，在同等工况条件作用下，钢构件的应力比控制在20% ～ 60% 之间，长细比控制在150 之内( 长度系数取1.0) 。固定钢支架采用圆钢管截面形式耗钢量是采用型钢截面形式的65% ，可以节约35% 的钢材量; 半铰支架采用圆钢管截面形式耗钢量是采用型钢截面形式的64% ，可以节约36% 的钢材量。从表2 可看出，当支架的高度为14 m 时，钢支架分别采用型钢和圆钢管截面形式，在同等工况条件作用下，钢构件的应力比控制在20%～ 60%之间，长细比控制在150 之内( 长度系数取1．0) 。固定钢支架采用圆钢管截面形式耗钢量是采用型钢截面形式的76%，可以节约24%的钢材量; 半铰支架采用型钢截面形式耗钢量是采用圆钢管截面形式的80%，可以节约20%的钢材量。
根据表1，表2 的数据进行综合分析，固定支架采用圆钢管截面形式在耗钢量上占优势，可以优化设计，更为经济合理; 半铰支架采用圆钢管截面形式时，主要受到平面外长细比的制约，支架越高，钢柱长细比越不容易满足规范要求，因此用钢量也会随着支架的高度而增大，耗钢量甚至会高于型钢截面形式，因此对于半铰支架的优化设计，应根据支架的高度情况综合分析，选择合理经济的截面形式。
在实际工程中，圆形钢管在外型上简洁美观，在一定的条件下更为经济合理，达到优化设计的目的，但是圆形钢管的加工制作比较复杂，人工成本费用偏高，在钢支架设计时，不仅在结构计算上需要进行优化设计，在钢材加工及施工方面，也需要进行优化，才能达到整体优化设计的目的，还需要进行进一步的研究和探讨。
参考文献：
[1]罗邦富，魏明钟等，钢结构设计手册（第三版）北京，中国建筑工业出版社，2009.
[2]《钢结构设计手册》编辑委员会.《钢结构设计手册》.中国建筑工业出版社，2004.
[3] 祝远驰．余热利用电厂钢管道支架设计[J]．山西建筑，2012。38(10)：26-28．
论文作者:祁君
论文发表刊物:《低碳地产》2016年9月第18期
论文发表时间:2016/11/18
标签：支架论文; 管道论文; 截面论文; 支座论文; 钢结构论文; 结构论文; 形式论文; 《低碳地产》2016年9月第18期论文;