胡光榮

(中國(guó)華西企業(yè)股份有限公司,四川成都 610081)

0 引言

伴隨著工程規(guī)模的不斷增大,為保證功能需求,管道的直徑也越來(lái)越大。目前管道支架施工參照國(guó)標(biāo)圖集《03S402室內(nèi)管道支架及吊架》[1]或者根據(jù)《HG/T 21629-1999管架標(biāo)準(zhǔn)圖》[2](簡(jiǎn)稱(chēng)《管架標(biāo)準(zhǔn)圖》)進(jìn)行選擇。由于03S402國(guó)標(biāo)圖集中考慮管道的管徑在400 mm以?xún)?nèi),對(duì)于管道公稱(chēng)尺寸為400 mm及以上的大直徑管道的支架無(wú)相關(guān)選型,已經(jīng)不能滿(mǎn)足施工要求。在施工中,可能會(huì)遇到大直徑(DN≥400 m)管道支架安裝,為保證大管徑管道支架的安全性,需對(duì)管道支架受力分析,再通過(guò)計(jì)算和查閱有關(guān)手冊(cè),選擇合適的型鋼支架。本文以瀘州大龍花園停車(chē)場(chǎng)項(xiàng)目為例,采用以上方法進(jìn)行受力分析和支架選型。

1 工程概況

瀘州大龍花園公共停車(chē)場(chǎng)位于四川省瀘州市建設(shè)路以南,大龍花園小區(qū)以北,西鄰西江月住宅小區(qū),北鄰怡康苑住宅小區(qū)。項(xiàng)目四周為發(fā)展較成熟的住宅街區(qū),場(chǎng)地地形南高北低,兩側(cè)最大高差約為30 m。瀘州市平均降雨量為748.4～1184.2 mm,夏季降雨量較大。建筑單體屋面采用傳統(tǒng)重力式排水,雨水立管出戶(hù)就近接入雨水收集檢查井,雨水收集管道串聯(lián)連接,并按照小區(qū)實(shí)際地形設(shè)置雨水管路和埋深,在雨水管網(wǎng)(采用DN400無(wú)縫鋼管)取水點(diǎn)接入地下室蓄水池,后經(jīng)雨水深度凈化系統(tǒng)殺菌后儲(chǔ)存于清水池中,作為綠化澆灑和道路澆灑等的補(bǔ)充水源。

2 支架選型

管道上應(yīng)配置必要的支、吊架固定在建筑結(jié)構(gòu)上,不但應(yīng)確保管道系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行,而且不能影響建筑結(jié)構(gòu)的安全。施工時(shí),具體的支架形式應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況而定。

2.1 支架間距

管道支架間距應(yīng)符合設(shè)計(jì)及驗(yàn)收規(guī)范要求,查GB50242-2002《建筑給水排水及采暖工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》,確定垂直管道(不保溫管道)支架間距如表1所示,水平管道支架間距如表2所示。

表1 垂直管道支架間距

表2 水平管道支架間距

2.2 支架形式確定

根據(jù)圖集03S402《室內(nèi)管道支架及吊架》中的圖例,結(jié)合

大龍花園項(xiàng)目雨水回收系統(tǒng)管道施工的現(xiàn)場(chǎng)情況,確定水平管道支架安裝形式(圖1)。

圖1 水平管道支架安裝示意

3 支架計(jì)算

3.1 管道荷載

標(biāo)準(zhǔn)荷載:管道支架的荷載按其性質(zhì)可分為靜載和動(dòng)載。按荷載的來(lái)源則可以分為管道固有荷載、管道使用荷載、自然環(huán)境荷載和偶然性荷載。管道固有荷載是管道安裝后就恒定不變地作用于承重架的荷載,如管子、管件、閥門(mén)的重力;管道的使用荷載是管道在檢驗(yàn)、運(yùn)行期間作用于支架的荷載,如管道進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)水的重力,管內(nèi)流體的荷載以及內(nèi)壓和溫度產(chǎn)生的力等;自然環(huán)境荷載是管道所處環(huán)境的因素給支架造成的荷載,如刮風(fēng)時(shí)所產(chǎn)生的風(fēng)荷載;偶然性荷載是由某些偶然性因素在支架上產(chǎn)生的荷載,如地震、非正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的水擊等。本文中鋼管的自重按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB8163-87《輸送流體用無(wú)縫鋼管》[7]的最小壁厚管重計(jì)算,其他荷載應(yīng)按照施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定。

垂直荷載:考慮到制作、安裝等方面的因素,采用管道支架的標(biāo)準(zhǔn)荷載乘以1.35的荷載分項(xiàng)系數(shù)。

水平荷載:按垂直荷載的0.3倍計(jì)算。

地震荷載:按地震設(shè)防烈度8度計(jì)算地震作用。

風(fēng)荷載:本文中不考慮風(fēng)荷載。

3.2 管道自重

查圖集03S402《室內(nèi)管道支架及吊架》中支架設(shè)計(jì)說(shuō)明,管道的重量可分為2種情況進(jìn)行計(jì)算:

(1)保溫管道:按照管道支架設(shè)計(jì)間距內(nèi)的管道自重、滿(mǎn)管水的重量、保溫層厚度取60 mm,然后附加三項(xiàng)重量之和的10%進(jìn)行計(jì)算,其中保溫材料中所使用的巖棉按100 kg/m3計(jì)算。

(2)不保溫管道:按照管道支架設(shè)計(jì)間距內(nèi)的管道自重、滿(mǎn)管水的重量、然后附加兩項(xiàng)重量之和的10%進(jìn)行計(jì)算。鋼管重量可按式(1)計(jì)算。

m=F×L×ρ

(1)

式中:m為鋼管質(zhì)量:(kg);F為鋼管截面積,(m2);L為鋼管長(zhǎng)度,(m);ρ為鋼管密度,(kg/m3)。其中鋼管密度ρ取7.85×103kg/m3;F=π×δ×(D-δ),δ為鋼管厚度,D為鋼管外徑。

3.3 充液管道的重量

管道單位長(zhǎng)度的荷載包括管道自身重量以及管道附件、管內(nèi)流體和絕熱層等所附加的重力。

即管道的重力按式(2)計(jì)算。

M=qp+qL+qI

(2)

式中:M為單位長(zhǎng)度管道的垂直荷載,(N/m);qp為單位長(zhǎng)度管子的重力,(N/m);qL為單位長(zhǎng)度管內(nèi)流體的重力,(N/m);qI為單位長(zhǎng)度管外隔熱層的重力,(N/m)。

對(duì)于閥門(mén)和特殊附件處的荷載為式(3)。

q=qA+qL+qI

(3)

式中:qA為單位長(zhǎng)度閥門(mén)或附件的重力,(N/m);

式中:D1為管子的內(nèi)徑,(m);D2為管子的外徑,(m);D3為隔熱層外徑,(m);K為管內(nèi)液體填充率;g為重力系數(shù),9.8N/kg;ρp為管材密度,(kg/m3);ρL為液體密度,(kg/m3);ρI為隔熱層密度,(kg/m3);管內(nèi)液體填充率是管道中液體所占容積與總?cè)莘e的比。

4 計(jì)算實(shí)例

4.1 計(jì)算條件

瀘州大龍花園項(xiàng)目雨水回用管道采用φ426 mm無(wú)縫鋼管,密度為7.85×103kg/m3; 無(wú)須進(jìn)行管道保溫,即取q1=0;管道上無(wú)閥門(mén)等附件,即取q=0。無(wú)縫鋼管的許用應(yīng)力值按照ASME B31.3—2012《美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)壓力管道規(guī)范》[8]確定,其許用應(yīng)力值在計(jì)算時(shí)乘以0.8的系數(shù)以保證管道的安全裕量。

4.2 支架橫擔(dān)彎矩計(jì)算

管徑為φ426 mm的無(wú)縫鋼管取10.0 m設(shè)置一副支架,支架選型過(guò)程中取所有最不利因素,管道作用在支架的荷載全部集中到一點(diǎn),即式(4)。

Qz=Q×L

(4)

式中:Qz為總荷載,(N);Q為單位長(zhǎng)度集中荷載,(N/m);L為長(zhǎng)度,(m)。

根據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算得:

qp=3.14×(0.2132-0.22)×7.85×103×1×9.8=1.3×103N/m;

qL=3.14×0.22×1×1.0×103=0.13×103N/m;

M=qp+1.1qL=1.44×103N/m;

Q=M=1.44×103N/m;

Qz=Q×L=15.12×103N。

故管道垂直荷載為:F=1.35Qz=20.41×103N。

根據(jù)所選支架形式,建立受力模型,分析受力情況,找出受力最不利點(diǎn),管道受力如圖2所示,簡(jiǎn)化計(jì)算先理解支座為簡(jiǎn)支梁,L=0.645 m,H=1.0 m。

圖2 管道豎向受力

由圖2可以得出,支架橫擔(dān)的主要受力是由管道的集中荷載產(chǎn)生,畫(huà)出豎向集中荷載彎矩圖,如圖3所示。

圖3 豎向集中荷載彎矩

由圖3分析得,取橫擔(dān)1/2位置為最不利點(diǎn),根據(jù)彎矩公式Mx=FL/4計(jì)算出支架豎向彎矩為Mx=3291.11 N·m。查《建筑結(jié)構(gòu)常用數(shù)據(jù)手冊(cè)(下冊(cè))》[9]中 Q235鋼熱軋普通槽鋼簡(jiǎn)支梁整體穩(wěn)定時(shí)的承載力矩設(shè)計(jì)值,跨度為10 m時(shí),選擇型號(hào)為14#的槽鋼作為管道支架橫擔(dān)。

5 結(jié)束語(yǔ)

由計(jì)算可得出,選擇14#槽鋼作為管道橫擔(dān),符合要求?？梢钥闯?在面對(duì)不同施工條件下的大型管道,其支架橫擔(dān)的 選用需充分考慮管道荷載,在保證系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行的前提下,再考慮所選用方案的經(jīng)濟(jì)性。隨著工程規(guī)模的增大,大直徑管道的支撐問(wèn)題會(huì)逐漸凸顯,本文只對(duì)大直徑管道支架橫擔(dān)給出了特定條件下的計(jì)算例子,在不同工程中的應(yīng)用時(shí)支架受力需要逐一計(jì)算,希望本文中的計(jì)算方法、計(jì)算公式、計(jì)算實(shí)例能給予大家一定的啟發(fā)和參考。