中石化宁波工程有限公司 浙江宁波 315100
摘要：在石油化工厂里，都有一个纵横交错的管网，输送各种介质（液体、气体或固体粒料）。管网中的管道敷设于管架上，把互不相关的管架连成一个空间体系。由于管道大小及输送介质的温度、压力各不相同，对管架的水平和牵制作用也各不相同，本论文主要对纵梁式混凝土管架设计中的若干问题介绍如下。
关键词：伸缩缝；滑动；梁顶预埋；柱侧预埋
1、概况介绍
钢筋混凝土结构管架有造价较低，耐大气腐蚀，防火能力强；不易改扩建，施工周期长，结构自重大；预埋件繁琐，不宜用于复杂的外形等特点，本文主要对纵梁式管架进行介绍。
刚性管架主要是以管道在管架上可滑动或可滚动来适应管道的变形，柔性管架主要是以支柱的弹性位移来适应管道的变形；
对柔性管架来说，管道的温度逐渐升高的过程中，由于支柱的刚度小，能适应管道的热变形，管道与管架间不产生相对位移，此时管架受力为管道热变形，作为管架位移所求得的位移反弹力，这也就是柔性管架计算中的纵向受力，而且反弹力总是小于至多是等于摩擦力；对刚性管架来说，管架与管托之间可以滑动，支柱的刚度大，适应不了热变形，当温度升高，管道热变形所产生的纵向水平力到达临界摩擦力时，管道就在支柱顶部滑了过去，管道与管架间产生相对位移，此时的摩擦力小于管架的位移反弹力，由于管道已经滑动，所以管架所承受的最大纵向水平力也就是摩擦力。
2、计算阐述
（一）荷载：
（1）竖向荷载
管廊竖向荷载包括结构自重、管道自重、设备重、附件重、保温重、介质重或试压时的水重、顶棚重、电缆和桥架重。
作用于管架横梁上的管道竖向荷载，宜按下列规定计算：
1）多根管道，宜按均布荷载计算；当遇有一根管道作用于梁上的荷载大于10KN时，该管道应单独按集中荷载考虑。
2）当预留管道无法确定时，可按照重量之和与管道计算区段长度之商确定。
（2）水平推力
活动管架承受管道膨胀时产生的水平推力应按下列规定确定
1）活动管架构件支承的管道符合下列条件之一，水平推力可忽略不计：
a)输送介质的温度不超过40℃。
b)管道至少10根，且最高温度低于130℃。
c)主要热管道重量与全部管道重量之比小于0.15；
注：主要热管道是指计算某构件时，对该构件产生最不利水平推力的那根管道。
2）刚性管架水平推力，应按下式计算：
Fgk=KjGkμj
式中：
Kj——牵制系数
Gk——主要热管所在层正常操作时管道的竖向荷载标准值
μj——钢与钢的摩擦系数，取0.3
3）柔性管道水平推力，应按下式计算：
混凝土管架：Fuk=3BsKj△/H3
钢管架： Fuk=3EIKj△/H3
式中：
Bs——管道轴向，管架的短期刚度。
△——主要管道热膨胀量。
4）活动管架水平推力作用点在梁顶。
牵制系数Kj应按下列原则取值：
当管道根数n＜3时，Kj=1.0
当管道根数n=3时：
当a＜0.5时，Kj=0.5
当a＞0.7时，Kj=1.0
当0.5≤a≤0.7时，用插值；
当管道根数n≥4时：
当a≥0.8时：Kj=1.0
当a＜0.6时：Kj=0.5-（0.6-α）（1.8）次方
当0.6≤a≤0.8时，用插值；
当Kj＜0.2时：Kj=0.2；
（二）地震作用：
（1）抗震设防烈度为7~9度地区，需要考虑管架横向水平地震作用并进行抗震验算：
a)管架上铺设的管道，其中三根或更多的管道直径大于500mm、单根烟气管道、转油管道和高温高压油气管道。
b)带重型顶盖的管架。
c)带空冷器或换热器平台的管架。
（2）计算地震作用时，管架重力荷载代表值取结构、管道和介质自重标准值和各可变荷载组合值之和。作用在管架上的各可变荷载的组合值系数均取0.5。
（3）荷载效应组合依具体管架计算程序确定。
（三）管架设计：
（1）梁承载力：
1）活动管架梁按双向受弯构件计算，当水平荷载作用下的弯矩设计值My≤垂直荷载作用下的弯矩设计值Mx时，可按单向受弯构件计算
2）固定管架梁按双向受弯构件计算，但应考虑扭矩作用影响，在构造上给予考虑，配置受扭箍筋。
3）管架横梁一般需计算跨中，支座边缘以及集中荷载作用点处的截面承载力。
4）当管架梁的悬臂部分支承有重量较大的管子时，需计算悬臂部分的承载力。
（2）柱承载力：
1）管架柱经内力组合计算后，根据具体情况一般按双向偏心受压，单向偏心受压，或双向偏心受拉、单向偏心受拉构件进行承载力计算，
（3）抗扭计算
纵向水平推力作用下的截面计算扭矩，可先求出外扭矩后，再根据外扭矩进一步求出横梁截面的计算扭矩。
（四）管架基础：
1、活动管架基础底面压力，应符合如下要求：
Pk≤Fa
受偏心荷载作用时，除应满足上式外，尚应满足：
Pkmax≤1.2Fa
2、计算固定管架基础时，除应满足上两式要求，正常操作状态下零应力区面积应不超过基地总面积的15%。
（五）构造要求
在已完成管廊工程实例中，因管廊长度一般较长，温度区间变化较大的地区，必须设置滑动支座。
混凝土管架梁顶设置预埋件时，给予了两种预埋件埋设方式，即为活动管架与固定管架埋设方式。
一、管道资料：
1、管道重量标准值，蒸汽管G1=673N/m，G2=742N/m。风荷载Wk上=0.39kN，Wk下=1.95kN。
2、管道跨距L=7m。
3、按资料进行刚性管架设计。
二、结构材料：
1、梁柱凝土强度为C30，基础混凝土为C30。
2、受力钢筋采用HRB400级钢筋，箍筋采用HRB335级钢筋。
三、荷载计算：
1、垂直荷载计算
（1）构件截面
柱b=h=400mm
梁b=250mm，h=400mm
纵梁选用型钢HN350x175x7x11
（2）计算高度
1）平面外，Hoy=1.5hy=1.5x4.5=6.75m
2）平面内，Hox=1.0hx=1x3.0=3.0m
（3）长细比
1）平面外
Hoy/b=6.75/0.4=16.9<40，满足要求。
2）平面内
Hox/h=3/0.4=7.5<40，满足要求。
（4）管道荷载可按均布荷载计算。
Q1=673x7x7/（4x1000）=8.25kN/m
Q2=742x5x7/(4x1000)=6.5 kN/m
四、内力分析
平面外分析
1）横梁
梁1：水平弯矩设计值
My=ql2/8=0.82x1.2x4x4/8=2kN.m
水平剪力设计值
Vy=0.5x0.82x1.2x4=2kN.m
梁2：水平弯矩设计值
My=ql2/8=1.21x1.2x4x4/8=2.9kN.m
水平剪力设计值
Vy=0.5x1.21x1.2x4=2.9 kN.m
2）柱：
弯矩设计值
My=0.95x1.2x4x0.5x4.5+0.72x1.2x4x0.5x3=15.5kN.m
剪力设计值
Vy=0.95x1.2x4x0.5+0.72x1.2x4x1.2=6.4 kN.m
五、纵梁计算
纵梁与混凝土柱铰接，故按简支梁计算。小次梁以3.5m，3.5m布置，故简图一如下：
简图一
G3=673x1.2x7x7/2=19.8kN
G4=742x1.2x7x7/2=22.8 kN
M3=19.8x7/4=36kN.m
M4=22.8x7/4=40kN.m
由简支梁计算可得采用HN350x175x7x11满足要求。
3、结语
管架作为一个常见的结构形式，伴随着装置规模越来越大，管架也变得大型化，复杂化，因此有必要深入了解其结构特性，重视不同工程间区别，总结经验，使得管架技术上合理，工程上安全可靠。
参考文献
[1]GB51019-2014 化工工程管架、管墩设计规范.
[2]曲昭嘉,王瑾,曲圣伟编?简明管道支架计算及构造手册? 北京：机械工业出版社，2002.
论文作者:马威
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第9期
论文发表时间:2018/8/28
标签：管道论文; 荷载论文; 水平论文; 推力论文; 弯矩论文; 构件论文; 承载力论文; 《建筑学研究前沿》2018年第9期论文;