余偉勝

(東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024)

縱梁式管架荷載計算及受力分析

余偉勝

(東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024)

該文對縱梁式管架的荷載、荷載計算原則進行了說明，并對活動管架、固定管架進行了受力分析，同時對管道(應力)專業(yè)提出條件的規(guī)范性以及管架受力機理進行了探討，對類似工程設計具有一定參考價值。

縱梁式管架 ;荷載; 管道(應力)專業(yè)提出條件；受力分析

0 引 言

在石油化工廠,管道網(wǎng)承擔著輸送各種不同溫度(高溫、低溫、常溫)、不同壓力(高壓、中壓、低壓)的介質(zhì)(液體、氣體、固體顆粒)的任務。

管架是支撐架空設置的管道系統(tǒng)中除管道外的全部結(jié)構的總稱[1]。按縱向聯(lián)系的結(jié)構分為縱梁式管架、桁架式管架、吊索式管架等。當前工程中基本不使用吊索式管架[2]。

在管架設計過程中,只有管道(應力)專業(yè)提出完善的設計條件,結(jié)構專業(yè)將條件準確轉(zhuǎn)化為管架的設計荷載,才能展開后續(xù)結(jié)構設計與計算。本文主要針對石油化工工程應用較多的縱梁式管架荷載計算及受力分析進行探討。

1 管架荷載

1.1 荷載分類

1.1.1 垂直荷載

垂直荷載包含永久荷載、可變荷載。

永久荷載包含管道、內(nèi)襯、保溫層、管道附件重;管道內(nèi)介質(zhì)重;管架自重。

可變荷載包含平臺上活荷載;管內(nèi)沉積物、試壓水重;積灰荷載;冰雪荷載。

1.1.2 水平荷載

水平荷載為可變荷載,包含縱向和橫向水平荷載。

縱向水平荷載包含管道補償器反彈力,管道的不平衡內(nèi)壓力,活動管架的管道摩擦力或活動管架的位移反彈力。

橫向水平荷載包含風荷載,拐彎管道或支管傳來的水平推力,管道橫向位移的摩擦力。

1.1.3 特殊荷載

特殊荷載包含事故水和地震作用荷載。

1.2 荷載分項系數(shù)

荷載分項系數(shù)按文獻[3]表7.0.2。管道專業(yè)提的荷載均作為標準值。

從文獻[3]表7.0.2可以看出,部分可變荷載的分項系數(shù)[4]與現(xiàn)行荷載規(guī)范[4]規(guī)定的分項系數(shù)有差別,而永久荷載分項系數(shù)是一致的。

1.3 荷載組合

管架承載能力極限狀態(tài),應按管架規(guī)范表7.0.3[3]采用荷載效應基本組合和地震作用效應組合,取最不利者進行設計。

管架正常使用極限狀態(tài),應驗算梁(或桁架)豎向撓度,并按管架規(guī)范表7.0.5[3]進行荷載組合?；炷凉芗軕春奢d效應標準組合并考慮荷載長期作用影響的剛度進行計算;鋼管架考慮荷載效應標準組合。

1.4 垂直荷載計算原則

多根密排管道,宜按均布荷載計算。具體見表1[5]所列。

1.5 縱梁式管架水平荷載計算原則

1.5.1 活動管架水平推力

活動管架承受管道膨脹時產(chǎn)生的水平推力(該推力大于摩擦力時,管架承受摩擦力)應按下列規(guī)定確定:

表1 集中荷載簡化為均布荷載

1.5.1.1 活動管架構件支承的管道

符合下列條件之一者,水平推力忽略不計[3]:

(1) 常溫管道,輸送介質(zhì)的溫度不超過40 ℃;

(2) 管道至少10根,且最高溫度(包括掃線溫度)低于130 ℃;

(3) 主要熱管重量與全部管道重量之比小于0.15。

1.5.1.2 剛性管架與柔性管架的水平推力計算

活動管架的剛性柔性區(qū)分的主要依據(jù)是管架的剛度大小、管架水平位移能否滿足管道受熱變形的需要、管道與管架之間是不是產(chǎn)生相對位移。

(1) 剛性管架水平推力計算,如圖1所示。

圖1 剛性管架水平推力示意圖

剛性管架頂部的變形不能適應管道變形需要,管道發(fā)生相對位移,產(chǎn)生摩擦力,即

(1)

其中,Fm為作用在剛性活動管架上,由于管道位移產(chǎn)生的摩擦力標準值(kN);G1為 正常操作時作用在一榀管架橫梁上的總垂直荷載標準值(kN);μ′為摩擦系數(shù),鋼與鋼滑動接觸時采用0.3,鋼與混凝土滑動接觸時采用0.4,鋼與聚四氟乙烯之間采用0.1;K為牽制系數(shù),可按文獻[3]第4.1.3條和第4.1.4條取值。

(2) 柔性管架水平推力計算,如圖2所示。

圖2 柔性管架水平推力示意圖

柔性管架頂部適應管道變形需要,與管道一起移動,產(chǎn)生彈性力:

混凝土管架:

(2)

鋼管架:

(3)

其中,Ff為作用在柔性活動管架上,由于柱頂變位產(chǎn)生的彈性反力標準值(kN);n為一榀管架柱的根數(shù),宜為2根;H為管架柱的高度,雙層管架時,為基礎頂至主要熱管所在橫梁頂面的高度(mm);Δl為主要熱管在所計算的管架頂面處的位移(mm),計算見文獻[3]4.3.5-2式,一般由管道(應力)專業(yè)提出;Ec為混凝土弾性模量[6](kN/mm2);E為鋼材弾性模量[7](kN/mm2);I為一榀管架中一根柱沿管道縱向的截面慣性矩[8](mm4)。

1.5.2 固定管架水平推力

固定管架水平推力為管道補償器[9]彈性反力標準值ΣFb、管道不平衡內(nèi)壓力標準值ΣFn和活動管架的反作用力標準值ΣFm或ΣFf組成。設計時應根據(jù)管道(應力)專業(yè)提供的水平推力,并考慮兩側(cè)活動管架的不平衡水平推力。其中,ΣFb、ΣFn由管道(應力)專業(yè)提出,結(jié)構專業(yè)應根據(jù)中間活動管架的特征、管道布置具體情況,按重載式(端部固定管架)、減載式(中間固定管架),自行計算出ΣFm或ΣFf,相疊加組成固定管架的總水平推力F值。

1.5.2.1 管道補償器彈性反力Fb產(chǎn)生原理

當管道膨脹時,補償器將被壓縮變形,由于補償器的剛度作用,必將產(chǎn)生一個抵抗壓縮變形的反力,即圖3中Fb,這個反力通過管道作用在固定管架上,此力由管道專業(yè)提供。

1固定管架 2補償器

1.5.2.2 管道不平衡內(nèi)壓力Fn產(chǎn)生原理

如圖4,在兩個固定管架間設有套筒式補償器[9],并在補償器的一側(cè)又設有閘閥[10],如將閘閥關閉,由于閘閥受到內(nèi)壓力的作用,將有使套筒式補償器脫開的趨勢,這個力就是管道內(nèi)的不平衡內(nèi)壓力Fn。

1固定管架 2閘閥 3填料式補償器

2 縱梁式管架受力分析

2.1 概念設計

2.1.1 伸縮縫間距與布置

全鋼結(jié)構或縱梁采用鋼結(jié)構、柱采用鋼筋混凝土結(jié)構時不大于120 m;全鋼筋混凝土結(jié)構不大于70 m;應盡可能設置在補償器附近[6]。

2.1.2 計算單元的確定及構件受力分析

一般以一個溫度區(qū)段作為一個計算單元。

橫梁承受管道的豎向荷載和水平推力,按雙向受彎構件計算。固定點宜設置在有支柱的橫梁上,對固定管架的橫梁,尚應計算由水平推力所產(chǎn)生的扭矩?？v梁或桁架,承受管道軸向水平力和有橫梁傳來的垂直荷載以及轉(zhuǎn)彎管道所傳遞的荷載,由于水平力作用在橫梁的頂面,應計算偏心而引起的附加彎矩,因此應按拉彎或壓彎桿件計算。

宜在每個溫度縫區(qū)段兩端設置縱向柱間支撐,以承受水平推力。管架柱一般不承受水平推力。

桁架式管架的桁架上弦宜設置交叉性水平支撐,下弦宜在管架柱距左右兩側(cè)橫梁區(qū)域內(nèi)設置交叉性水平支撐。管道軸向水平推力由桁架上弦桿承受,部分轉(zhuǎn)彎管道的水平推力則由桁架上弦水平支撐承受。

2.2 平面模型簡化計算

2.2.1 一個計算單元內(nèi)水平力分析

圖5中FtAB、FtBA、FtBC、FtCB指由固定點A、B、C管道傳來的水平力標準值,由Fb和Fn組成,管道專業(yè)提供; 指支承于盡端固定管架上,轉(zhuǎn)彎處的管線彈性力標準值,由管道專業(yè)提供。

1柱間支撐 2固定管架 3活動管架 4管道固定點 a、b補償器

其中1.2,為不均勻系數(shù)。

2.2.2 一個計算單元內(nèi)活動管架受力分析

活動管架受力分析,如圖6所示。

qv1、qv2-垂直荷載;wk上、wk下-作用于上層、下層管道風荷載

當縱梁與支架柱頂部處于同一水平面時,管架柱不承受軸向水平推力,可按單向偏心受壓構件計算。

當縱梁布置在下層位置時,須考慮柱在縱梁位置上,由上層固定管道水平推力對柱產(chǎn)生的彎矩,并應驗算縱梁支座處柱截面的承載力。

縱梁與柱節(jié)點的連接件,應按縱梁承受的軸向力進行拉剪計算。

3 結(jié)束語

一套好的縱梁式管架設計方案,不僅要求結(jié)構設計師概念清晰、合理進行荷載分析,還要對管架受力產(chǎn)生的原理有所了解,這就要求結(jié)構設計師了解管道熱膨脹、補償器以及管道內(nèi)壓力的工作機理,能對管道(應力)專業(yè)提出的條件正確性、完整性進行判斷。

[1] 孫 超,呂秀平.管廊式管架設計心得及對其受力的分析和探討[J].山西建筑,2012,38(25)：58～59.

[2] SH/T 3055-2007，石油化工管架設計規(guī)范[S].

[3] GB 51019-2014，化工工程管架管墩設計規(guī)范[S].

[4] GB 50009-2012，建筑結(jié)構荷載規(guī)范[S].

[5] 曲昭嘉,王 瑾,曲圣偉,等.建筑結(jié)構設計資料集(7)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[6] GB 50010-2010，混凝土結(jié)構設計規(guī)范[S].

[7] GB 50017-2003，鋼結(jié)構設計規(guī)范[S].

[8] 吳三元,莊錦亮,趙 玉.組合截面慣性矩求解方法研究[J].雞西大學學報,2015,15(11)：58～60.

[9] CJ/T 3016.2-1994，城市供熱補償器焊制套筒補償器[S].

[10] GB/T 12234-2007，法蘭和對焊連接鋼制閘閥[S].

2016-11-18；修改日期：2016-11-21

余偉勝(1974-)，男，安徽太湖人，東華工程科技股份有限公司高級工程師.

TQ055.8

A

1673-5781(2016)06-0727-04