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摘要：管架作为工业建筑主要组成部分，遍布于包含医药、石油、化工等几乎所有工业项目，用于支撑化工类管架、公用工程管线以及电气仪表桥架。它可以说是整个工业系统的桥梁和纽带，所以管架在工业系统中具有举足轻重的地位。管架有别于普通的排架结构，在设计过程中有两点需要特别注意，1、管架上如支撑有热力管道，管道因热胀冷缩产生的水平推力，在管架结构计算过程中应加以考虑；2、工业项目中管架的总长度少则几百米，多则几公里。作为超长结构体系，又长期暴露在户外环境，结构本身的温度应力验算也是必不可少的。
关键词：水平推力；减载式；重载式
1.管架分类
管架按结构材料可分为三种：混凝土管架、钢结构管架、钢和混凝土混合管架。混凝土管架一般适用于跨度小于9m的管廊，其抗腐蚀、抗老化能力强，造价最为便宜，但施工周期长；钢结构管架在国外或国内外资项目中被普遍应用，其特点是可以工厂预制，现场拼装，施工速度快，质量可靠，但是抗腐蚀、防火能力较差、且造价较另外两种形式昂贵；第三种钢和混凝土混合管架是目前国内化工体系内比较常见的，其柱为混凝土结构，梁为钢结构，其施工工艺比较成熟。管架按照结构形式可分为两种，独立式管架和纵梁式管架，支撑有较大热力管道的管架，一般采用纵梁式管架。管架按照热力管道支座形式和传力途径可分为两种：中间管架和固定管架，固定管架设置在两个管道补偿器的中间，一般为设置有柱间支撑的四柱形式，再通过纵梁将中间管架和固定管架连接起来。
2.管架荷载计算
管架荷载主要分为仪表桥架、平台、管道及附件自重、平台的活荷载、热力管道的水平推力、风荷载、地震荷载以及结构本身的温度应力等。
1）热力管道的水平推力
管架的水平推力的种类、取值大小以及工况组合，是管架荷载计算的重点。在结构计算时，一般可认为都由固定管架承担。其种类可以分为三种：a、管道补偿器的弹性反力（由于补偿器变形而形成的回弹力）；b、关闭和打开阀门时，管道的阀门、弯管及盲板等由介质产生的内压力；c、作用在固定管架上补偿器与固定管架之间各中间管架的摩擦力之和。前两种水平力由一般由管道专业通过应力计算提供，第三种摩擦力由结构设计者根据管道布置的形式自行计算，参见《GB51019-2014》附录C。
管道补偿器的弹性反力简图 管道关闭和打开阀门时简图
2）管廊式管架管道热膨胀变形时摩擦力的传递路径
对于纵梁式管架，管道作用于中间管架横梁上的摩擦力，由横梁传至两侧的纵向构件承受，并由纵向构件逐一传至固定管架，每个纵向构件承受的轴向力是不同的，从补偿器至固定管架逐个增大。故与固定管架连接的纵梁拉力最大，需要对连接节点进行受拉承载力验算；若为端部固定管架即重载式，这部分摩擦力全部传递给固定管架；如果是中间固定管架即减载式，应与固定管架另一端的摩擦力进行相互抵消，取他们的差值。此时我们在管架设计中，不能将管道产生的摩擦力按一个方向全部输入在柱子上，不然会导致固定管架处水平力过大，固定管架柱底会产生很大的弯矩，导致基础面积增大，这样的设计是显然是不明智的，不合理的。
3）结构温度应力计算
厂区总体管架一般长度都比较长，而且都是露天结构，受到极端气候的概率比较大，其温度应力也不容忽视。按照温度变形基本计算公式： ，结构的变形量与其温差成正比，计算温差应该取结构初始温度（即管架安装固定后的月平均气温）与结构最高（最低）平均温度的差值。然而实际工程中很难控制初始温度，所以只能进行假定计算。即按照《建筑结构荷载规范》附录E的50年重现期的最高（最低）月平均气温的差值作为计算温差。另外因为梁柱节点的微滑动，柱子的弹性抵抗和结构传热稳定性等原因，实际计算中还需要考虑0.5左右的滑动系数【3】。
4）管道间牵制作用
管架上支撑的管道除了热力管道外，还有相当一部分的常温管道，它们的存在对热力管道的热胀冷缩起到了牵制作用，对于结构来说是有利的。其取值与管道的数量和热力管道和全部管道的重量之比相关，一般取值在0.2~1.0之间。
5）计算实例
现通过一个计算实例详细阐释结构温度应力及管道热膨胀摩擦力，现截取一端130m长，5m高，宽6m的单层管架作为计算单元，管架柱为混凝土结构截面400mmx400mm，横梁截面为300mmx400mm，纵梁为钢结构型号为HM340X250，固定管架为设置柱间支撑的双柱形式，钢梁材质Q235B，混凝土强度等级C30，露天环境假定温差50度，管架上设置有一根400mm高温蒸汽管道，5根200mm常温管道，管道恒荷载为12Kn/m，钢与钢的摩擦系数0.3，牵制系数为0.48，分别采用重载式和减载式支撑形式进行计算。
a、减载式：
计算时将固定管架，按等刚度简化为单柱，中间点作为温度变形的不动点，柱顶没有发生位移故不产生内力，两端柱顶位移最大，柱顶剪力也最大；而钢梁的最大内力在不动点的两端。
作用在固定管架上的水平力总和为5.616+0=5.616kN
与固定管架相连钢梁内力为114.44+28.08=142.52kN
两端柱实际位移 39x0.5-2.675x0.77=17.44mm
b、重载式：
作用在固定管架上的水平力总和为28.08+330.4=358.48kN
与固定管架相连钢梁内力为28.05+330.4=358.48kN
两端柱实际位移 38x0.5-33.04x0.25+2.808x0.326=11.64mm
对比两种支撑形式的计算结果，采用重载式支撑形式的管架，两端刚度较大，通常情况下带柱间支撑的双柱的抗弯刚度是单柱的20倍左右，较大的限制了管架的纵向自由变形。对两端固定管架产生了很大温度荷载约束应力，同时与之相连的钢梁也产生了很大的内力。但是相对于减载式支撑形式的管架，其有效的降低了两端的水平位移。故笔者认为，在满足管架允许位移的前提下，应优先选择减载式管架结构体系较为经济合理。
3.管架分段设计
长达几百米的管架通过双柱或者滑动支座的形式进行分段，混凝土结构管架的单段长度不宜大于35m；钢结构、钢和混凝土混合结构管架的单段长度不宜大于120m；若采用减载式支撑形式的管架，笔者认为单段长度可以适当的加大。对滑动支座设计时，需根据结构的温度应力计算确定长圆孔的长度，并在梁下设置聚四氯乙烯板，将摩擦系数降低到0.1左右，起到很好的滑动效果。
滑动支座简图
4.结束语
1）考虑到固定管架受到较大的水平推力，应对固定管架的横梁进行双向受弯计算，对固定管架两侧纵梁进行偏心受拉验算。当固定管架梁是H型钢，宜设置加劲肋以提高整体抗扭刚度，或在梁端设置水平支撑，如果是混凝土梁时，宜箍筋加密，并设置腰筋。
2）滑动支座宜设在相邻固定管架中间，尽量采用减载式的支撑管架，管道热胀冷缩产生的摩擦力和弹性力才会形成相互抵消。对位移有较高要求的管架，例如支撑有振动管道的管架，为提高管架的整体刚度，可采用重载式的支撑。
3）管架的设计看似结构体系简单，但是要做到经济、安全、合理还是需要结构工程师花上一段时间和精力的。要搞清水平推力的传递路径以及取值大小就显得尤其的重要。对于钢结构管架由于自重轻，如果又设置有高温蒸汽管道，有很大的水平推力时，管道的自重越大，结构反而压得住。所以在设计中，不应肆意的加大竖向荷载。应按分管道充水重，操作重、空重等不同工况分别进行考虑。
参考文献
[1]《化工工程管架、管墩设计规范（GB51019-2014）》
[2]《构筑物抗震设计规范（GB/50191-2012）》
[3]《工程结构裂缝控制》 王铁梦 著 中国建筑工业出版社 1997年版
论文作者:沈志麟
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第16期
论文发表时间:2018/11/1
标签：管道论文; 结构论文; 荷载论文; 摩擦力论文; 推力论文; 水平论文; 应力论文; 《建筑学研究前沿》2018年第16期论文;