中石化宁波工程有限公司 浙江宁波
摘要：管架结构是石油化工装置及公用工程设计中经常遇见的一种结构形式，是装置与装置间及装置内各单元、建构筑物及设备间相互连接的重要途径，具有面多量广、形式复杂多样的特点。在工程实践中，以纵梁（桁架）式管架最为常见，文中着重对其结构布置、结构选型、计算方法等几方面的分析。
关键词：管架形式；布置原则、设计要点；常见问题
按管架结构形式可分为：独立式管架（可为刚性管架和柔性管架）、跨越式管架、纵梁（桁架）式管架、拉杆式管架、吊索式管架和特种管架；
按管道在管架上的支承条件为：固定管架和活动管架；
按材料分为：混凝土管架、钢管架和组合管架。
1 纵梁式及桁架式管廊结构概述
沿管道轴向，在管架柱间设置纵梁或跨度较大的桁架，并在梁或桁架上按管道允许间距设置横梁以铺设管径较小的管道，此结构即为纵梁或桁架式管廊。通常纵梁或桁架均采用钢结构，装置内管廊柱一般采用钢结构，公用工程管廊柱可以全部采用钢筋混凝土或仅首层采用钢筋混凝土，其余钢结构的组合结构。管廊建筑结构安全等级除支撑输送高度有害和易发生次生灾害介质的管道为一级外，其余均宜为二级，抗震设防类别为丙类。
2 管架结构布置原则
管架结构在布置时应遵循以下原则：
2．1管架高度确定
管架跨越铁路时，管架结构下缘至轨顶的最小净空为5．5 m；跨越主要道路或消防通道时，至路面中心的最小净空为5．0 m；一般道路不小于4．5 m，对于有行人频繁通过的部位不小于2．5 m。对于有以上净空要求时应特别注意梁及桁架自身高度对管道层的影响，结构专业应及时反馈断面信息以便相关专业调整。同时也应对全厂或装置内的总体布置、道路及大件运输路径做必要了解，以便设计时心中有数，避免后期调整。
2．2伸缩缝间距及布置
全钢筋混凝土结构管廊伸缩缝不宜大于70m，而当纵向联系梁或桁架为钢结构时不宜大于120 m。对此处规范要求应有明确的认识，并且还应通过后续的计算才能最终确定伸缩缝间距：全钢筋混凝土结构管廊纵向如采用装配式排架结构时，间距可以为70 m，但如采用现浇框架结构时则应控制在35 m以内。管廊在每个温度区划内均应设纵向柱间支撑使结构体系稳定，同时管道也在两个补偿器间设置固定架，通常在工程中二者可以合二为一，达到经济的目的。
2．3纵向柱间距的确定
纵梁式管廊纵向柱距采用9 m较为合适，与6m柱距相比，其管架柱、横梁与纵梁截面不会增加很多，而管架数量却大幅减少，相应在上部结构与地基基础方面的节省是不言而喻的。而对于9 m以上的柱距，在纵向梁柱铰接的前提下采用钢梁显然也不经济。在固定架或柱间支撑处为便于设置竖向支撑，采用6 m柱距较为合适。桁架式管廊纵向柱距采用15～24 m较为合适。采用多层整体桁架时(上层桁架下弦杆与下层桁架上弦杆共用)，柱距的选用宜与层高匹配，层高较小时柱距宜小，层高较大时柱距宜大。
3 管架结构计算要点
3．1管架荷载计算
(1)管架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。竖向荷载分集中荷载与均布荷载。对于空冷器、消音器等大型设备、直径不小于300mm的液体管道或主要高温高压管道应按集中荷载考虑，数值上一点荷载大于10 KN时也应按集中荷载考虑，其余宜按均布荷载考虑。根据其大小管架又分为以下几档：
轻型管架：100 kg／m2 (DN≤100管道占多数，气体管和小管径占多数)；
中型管架：150 kg／m2 (DN=150液体管道占1／2)；
大型管架：200 kg／m2 (DN=200液体管道占1／2)；
但随着石油化工装置规模越来越大，管道级别也日益增大，以上对管廊的划分已不太适用，但管道布置与均布荷重的对应关系仍然存在，上述内容可用来参考，以对管架荷载有一个初步的判断。
(2)管架水平荷载主要有管道水平推力、摩擦力、风荷载及地震作用。以上荷载直接决定固定架及柱间支撑的大小。在接到上游专业条件时，应明确水平力是上述前两种力的合力还是其中之一。对固定架而言，管道传来的各中间管架的摩擦力与纵向构件传来的水平力已相互抵消，仅承担管道的水平推力。
管道水平弹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：
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：
输送介质的温度不超过40℃。
管道至少10根，且最高温度低于130℃。
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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。
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
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。
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；
风荷载：作用于管架横向的风荷载包括管径向风荷载、管架柱及纵向构件风荷载；管架纵向构件的风荷载可按GB 50009-2001计算。
地震荷载：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。
3.2 荷载效应组合
管架设计应按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载效应组合，并应取各自最不利的效应组合进行设计。
3.3管架构件设计
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，还需计算悬臂部分的承载力。
2、柱承载力：
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，
4 结语
管架结构作为最常见的结构形式，一直以来就存在范围较广、数量众多的特点，并伴随着我国近年来石化行业的大发展，装置规模越做越大，管架相应也日趋大型化、复杂化。因此有必要深人了解其结构特性，重视其不同形式间的工程用量比较，总结经验，以使管廊设计在技术上先进、经济上合理、工程上安全可靠。
参考文献：
[1]钢结构设计手册(第三版)[M]．北京：中国建筑工业出版社，2003．
[2]石油化工钢结构防火保护技术规范（SH 3137—2003）
[3]化工、石油化工管架、管墩设计规定（HG／T 20670—2000）
论文作者:徐袁杰
论文发表刊物:《防护工程》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/8
标签：荷载论文; 管道论文; 桁架论文; 结构论文; 纵向论文; 水平论文; 推力论文; 《防护工程》2018年第36期论文;