摘要：本文根据云南省嵩明县某有机垃圾处理项目，对高烈度区（9度0.4g）管道支架的结构方案进行研究，并对其经济性进行对比分析。内容包括：钢结构管架设计、混凝土管架设计及两者之间的经济性对比分析。结果表明：在高烈度区，使用混凝土管架设计方案具有更为良好的经济性，可供类似项目参考。
关键词：高烈度区；管架；经济性
管道支架设计是化工、环保类项目不可或缺的一部分。钢结构管架目前使用最为广泛，主要形式有：独立式管架、跨越式管架、纵梁（桁架）式管架等，其中纵梁（桁架）式管架应用较多。混凝土管架主要结构形式是框架，其整体性、可模性、耐久性和耐火性好，因此使用较普遍。结构专业依据规范要求，在满足安全性前提下对两种方案经济性进行对比分析。
1 结构设计概况
本工程是有机垃圾处理项目，位于云南省嵩明县。根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012），基本风压（n=50）：0.3kN/m2，地面粗糙度类别B类，体型系数1.3。由于管道支架设计风荷载不起控制作用，未考虑对风荷载的折减。抗震设防烈度9度，设计基本地震加速度0.4g，设计地震分组第三组，场地类别Ⅲ类，特征周期Tg=0.65s。
根据废水处理工艺所提资料，工艺管道有排泥管、浮渣管、排水管、洗水管等，分两层布置。经计算，每层荷载500kg/m。根据工艺要求，管道跨度不大于3m，结构按照不超过3m间距布置次梁。首层标高：3.2m，二层标高：4.5m。平面长度37.5m，宽度2.4m。根据基础埋深，建模时首层高度4m，二层高度1.3m。管道荷载按照活荷载输入，活荷载重力荷载代表值组合系数取1.0。根据《建筑结构可靠性设计统一标准》（GB 50086-2018），基本组合恒荷载、活荷载分项系数分别取1.3、1.5。
2 钢结构管架方案
化工、环保行业管道支架普遍使用纵梁式管架结构形式。沿管道轴向，在管架柱之间设置纵梁，并在该梁上或梁下根据管道允许的间距，设置一定数量的横梁以敷设管径较小的管道。全钢结构或者纵梁、桁架采用钢结构，柱采用钢筋混凝土结构时，伸缩缝间距不宜大于120m[1]。
纵梁式管架结构，其横向为刚性框架，纵梁与刚性框架之间一般为铰接形式，纵向抗侧力结构为柱间支撑。柱间支撑布置参考《构筑物抗震设计规范》（GB 50191-2012）7.6.1条“每一个结构单元各柱列，应在中部或接近中部的开间沿柱全高设置一道柱间支撑”。本项目管架纵向尺寸37.5m，在中部开间布置柱间支撑一道。
《构筑物抗震设计规范》第17.3.4条对钢支架柱长细比和钢支架板件的宽厚比限制做出规定，9度固定支架和刚性支架长细比限值取120；按压杆设计的支撑长细比限值取150；工字形截面翼缘外伸部分的宽厚比限制取10。侧移按多层钢结构参照《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）、《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）的规定，取1/250。按《钢标》附录B.1，纵梁在永久荷载和可变荷载标准值作用下产生的挠度容许值取1/400，次梁挠度容许值取1/250。
钢结构构件的材料等级均为Q235B。
图2.1为管架标高3.200m平面布置图，图2.2为管架标高4.500m平面布置图；
图2.3为管架立面布置图。钢构件材料表见表2.1。
3 混凝土管架方案
采用混凝土管架，伸缩缝间距不宜大于70m[1]。根据《构筑物抗震设计规范》（GB 50191-2012）第17.1.6条：钢筋混凝土固定支架和输送易燃，易爆，剧毒介质的钢筋混凝土支架，应符合本规范第6章有关框架抗震等级三级的要求。采用混凝土管架时，框架抗震等级取三级。梁、柱最外层钢筋的保护层厚度按照二a类环境类别，取25mm。梁的挠度及裂缝计算依据为《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010），梁裂缝宽度不大于0.2mm。
由于底层层高较大，为满足竖向不规则关于侧移刚度比的要求，底层柱截面尺寸400x400，二层柱截面尺寸300x300。多遇地震作用下，混凝土框架结构的侧移限值取1/550。根据《构筑物抗震设计规范》（GB 50191-2012）第5.5.1条，“8度Ⅲ类、Ⅳ类场地或9度时的钢筋混凝土框排架结构，以及9度时的钢筋混凝土柱承式筒仓、井塔、井架”，应进行罕遇地震作用下的弹塑性变形验算。计算结果显示，X向、Y弹塑性层间位移角分别为1/129和1/140，能够满足大震不倒的抗震性能目标。
梁、柱混凝土强度等级均为C30；纵筋及箍筋强度等级HRB400。
图3.1为混凝土管架标高3.200m（4.500m）梁截面布置图。基础顶面~3.200m标高范围内柱柱截面尺寸均为400mmx400mm，3.200m~4.500m范围内柱截面尺寸均为300mmx300mm。
基础部分工程量相差不大，经济性对比仅考虑上部结构。综合单价考虑人工费、材料费和工程设备费、施工机具使用费和企业管理费、利润以及一定范围内的风险费用，能够较客观进行造价计算。混凝土（不包含钢筋）综合单价按照600元/m3;HRB400级钢筋综合单价按照5500元/t;钢结构综合单价（包括防腐、防火处理），按照6500元/t。
钢结构管架费用总计：10.55x6500=68575元。
混凝土管架费用总计：26.7x600+2.63x5500=30485元。
综上分析，在高烈度区使用混凝土管架，其费用基本相当于钢结构管架的一半，并且钢结构定期维护费用较大。因此出于经济性考虑，高烈度区建议使用混凝土管架。
5 结论
（1）钢结构管架和混凝土管架经济性对比分析表明：在高烈度区，使用混凝土管架能大幅度降低成本。当业主对成本控制较严格时，建议使用混凝土管架。
（2）在可行性研究及初步设计阶段，当使用钢结构管架并且荷载条件相似时，可以按照每平方100kg的用钢量估算。
参考文献：
[1]化工、石油化工管架、管墩设计规定[S].中国建筑工业出版社.2001
[2]石油化工管架设计规范[S].中国建筑工业出版社.2008
[3]构筑物抗震设计规范[S].中国计划出版社.2012
[4]建筑抗震设计规范[S].中国建筑工业出版社.2016
[5]混凝土结构设计规范[S].中国建筑工业出版社.2016
[6]钢结构设计标准[S].中国建筑工业出版社
论文作者:于澎涛,贝震宇
论文发表刊物:《防护工程》2019年11期
论文发表时间:2019/9/3
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