管道支吊架設(shè)計及計算

1、【文 摘】 用來支撐管道的結(jié)構(gòu)叫管道支吊架，管道在敷設(shè)時都必須對管子進(jìn) 行固定或支承，固定或支承管子的構(gòu)件是支吊架。在機(jī)電工程里，管道 支架是分布廣、數(shù)量大、種類繁多的安裝工事，同時管道支吊架的設(shè)計 和安裝對管道及其附件施工質(zhì)量的好壞取決定性作用。如何采用安全適 用、經(jīng)濟(jì)合理、整齊美觀的管道支吊架是機(jī)電安裝工程的一個重點?！娟P(guān)鍵詞】 管道布置 管道跨距 管架分析 管架內(nèi)力計算一、管道的布置對管道進(jìn)行合理的深化和布置是管道支吊架設(shè)計的前提條件。欲設(shè)計安全使 用、經(jīng)濟(jì)合理、整潔美觀的管道支吊架，首先需對管道進(jìn)行合理的布置，其布置 不得不考慮以下參數(shù)：管道布置設(shè)計應(yīng)符合各種工藝管道及系統(tǒng)流程的要求；

2、管道布置應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃，做到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、滿足施工、操作、維 修等方面的要求，并力求整齊美觀；在確定進(jìn)出裝置（單元）的管道的方位與敷設(shè)方式時，應(yīng)做到內(nèi)外協(xié)調(diào)；管道宜集中成排布置，成排管道之間的凈距（保溫管為保溫之間凈距）不應(yīng)小于50mm。輸送介質(zhì)對距離、角度、高差等有特殊要求的管道以及大直徑管道的布 置，應(yīng)符合設(shè)備布置設(shè)計的要求，并力求短而直，切勿交叉；地上的管道宜敷設(shè)在管架或管墩上，在管架、管墩上布置管道時，宜使 管架或管墩所受的垂直荷載、水平荷載均衡；管道布置應(yīng)使管道系統(tǒng)具有必要的柔性，在保證管道柔性及管道對設(shè)備、 機(jī)泵管口作用力和力矩不超出過允許值的惰況下，應(yīng)使管道最短，組成 件最少；

3、應(yīng)在管道規(guī)劃的同時考慮其支承點設(shè)置，并盡量將管道布置在距可靠支 撐點最近處，但管道外表面距建筑物的最小凈距不應(yīng)小于100mm，同時 應(yīng)盡量考慮利用管道的自然形狀達(dá)到自行補(bǔ)償；管道布置宜做到“步步高”或“步步低”，減少氣袋或液袋。不可避免 時應(yīng)根據(jù)操作、檢修要求設(shè)置放空、放凈。二、管架跨距管架的跨距的大小直接決定著管架的數(shù)量?？缇嗵≡斐晒芗苓^密，管架數(shù) 量增多，費(fèi)用增高，故需在保證管道安全和正常運(yùn)行的前提下，盡可能增大管道 的跨距，降低工程費(fèi)用。但是管架跨距又受管道材質(zhì)、截面剛度、管道其它作用 何載和允許撓度等的影響，不可能無限的擴(kuò)大。所以設(shè)計管道的支吊架應(yīng)先確定 管架的最大跨距，管架的最大允

4、許跨距計算應(yīng)按強(qiáng)度和剛度兩個條件分別計算， 取其小值作為推薦的最大允許跨距。按強(qiáng)度條件計算的管架最大跨距的計算公式：L = 2.24?巧倔Lma管架最大允許跨距&q管道長度計算荷載（N/m） ,q=管材重+保溫重+附加重W管道截面抗彎系數(shù)（cm3）中一一管道橫向焊縫系數(shù)，取6t鋼管許用應(yīng)力鋼管許用應(yīng)力（N/mm2）按剛度條件計算的管架最大跨距的計算公式：100 口 廠Lmax 0.19：；叩0L管架最大允許跨距（m）maq管道長度計算荷載（N/m） ,q=管材重+保溫重+附加重E剛性彈性模量（N/mm2）I-一管道截面慣性矩（cm4）io管道放水坡度，取例：采用48K的離心玻璃棉保溫，保溫厚度

5、為50mm的冷凍水管，其管道規(guī)格為6 325X8無縫鋼管，其最大允許管道間距為多少？管道長度荷載q=7850XXX +1000XX 140.29kg N/m查相關(guān)資料得：管道截面抗彎系數(shù)W=616 cm3鋼管許用應(yīng)力5t =112管道截面慣性矩I=10016 cm4剛性彈性模量E=X105 N/mm2根據(jù)以上公式芬別計算得強(qiáng)度條件下的L =13.14m根據(jù)以上公式分別計算得剛度條件下的L：=27.40m取最小值，故該管道的最大允許管道間距為13.14m根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定的管道支吊架最大間距確定管道最大允許跨度，如通 風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范GB50243-2002表9.3.8鋼管道支、吊架的

6、最大間距公稱直徑（mm）1520253240507080100125150200250300支架的最 大間 距（m）L 1L對大于300 （mm）的管道可參考300 （mm）管道注：1適用于工作壓力不大于，不保溫或保溫材料密度不大于200kg/m3的管道系統(tǒng)。2 L,用于保溫管道，L2用于不保溫管道。三、管架分析管道支吊架介紹用來支撐管道的結(jié)構(gòu)叫管道支吊架，管道在敷設(shè)時都必須對管道進(jìn)行固定或 支撐，固定或支撐管子的構(gòu)件是支吊架。管道支吊架一般由管座、管架柱或管架 吊桿（簡稱柱或吊桿）、管架梁（簡稱梁）和支撐節(jié)點組成。支撐點支撐點管道支吊架示意圖管架荷載分析垂直荷載管道支吊架垂直荷載根據(jù)性質(zhì)可分

7、為基本垂直荷載和可變垂直荷載，其 中基本垂直荷載指管道支吊架所承受的管道重力、介質(zhì)重力、保溫層等附件 的重力等永久性荷載。可變垂直荷載指管道所承受的活荷載、沉積物重力和 發(fā)生地震時所應(yīng)該承受的特殊變化的荷載。因可變垂直荷載是無法精確計算 的，為此我們將管道支吊架的基本垂直荷載乘以一個經(jīng)驗系數(shù)(一般為) 作為管架垂直方向的計算荷載。ABC管道支吊架基本垂直荷載計算，可先將復(fù)雜的管道支架體系近似的看作 簡支梁，根據(jù)受力分析，管架B所承受的基本垂直荷載為G =(G + G )/2因管道支吊架在一個工程里數(shù)量種類繁多，不可能一一計算，為此我們 只需考慮同類型支架的最不利受力狀況即可，根據(jù)管道支吊架的最

8、大允許跨 度來計算最不利支架，此時就只需計算長度為最大允許跨度L的管道、介質(zhì)、 保溫層的重力G即可。其重力方向的并算荷載為G=aG(a=)-.B水平荷載管道水平方向的荷載是作用在管架上的水平推力，根據(jù)支架類型可分為 活動管架上的水平推力和固定管架上的水平推力?；顒庸芗芩酵屏χ饕獊碜怨艿滥Σ亮?，吊桿水平推力可忽略；水平推力即為管道摩擦力f=uG (u為摩擦系數(shù)，G為管道垂直荷載)固定支架的水平推力主要來自補(bǔ)償器的彈性變形力。采用補(bǔ)償器補(bǔ)償?shù)墓艿溃渥饔迷诠潭ü芗苌系乃酵屏檠a(bǔ)償器被壓 縮或拉伸所產(chǎn)生的反彈力。水平推力二補(bǔ)償器反彈力T=qAL(n為補(bǔ)償器的彈性模量， L為補(bǔ)償器發(fā)生的變形長度)

9、變形前的管道固定支架固定支架管道熱伸縮所產(chǎn)生的位移管道熱伸縮后的管道反彈力T固定支架反彈力T反彈力T反彈力T補(bǔ)償器補(bǔ)償工作示意圖固定支架自然補(bǔ)償工作示意圖采用自然補(bǔ)償?shù)墓艿溃抢霉艿赖淖匀粡澢螤钏哂械娜嵝砸匝a(bǔ)償 管道的熱脹和冷縮位移，如圖所示。固定支架變形管道長度為L，補(bǔ)償臂管道長為Lb -一.管道安裝溫度按tC考慮，管道工作溫度為tC,故鋼官材質(zhì)的管道會 在溫度變化下縮短 L=aXATXL（式中a為鋼管的線膨脹系數(shù)，AT為溫差，L為固定支架變形管道長度）故作用在管道補(bǔ)償上的推力為T=3 A LEI/L3 （E為管道的彈性模量，I b為管道的慣性矩）四、管架受力計算示例根據(jù)以上管架的受力

10、分析，現(xiàn)以上海環(huán)球金融中心低區(qū)空調(diào)水主干管進(jìn) 行分析計算如下圖所示，現(xiàn)有2根DN400冷水管，管材為無縫鋼管6426X9,工作溫度為 7-14C； 2根DN200熱水管，管材為無縫鋼管6219X6，X作溫度為50-55C，1 根DN100蒸汽管道，管材為無縫鋼管6108X5,工作溫度為108C，請對該官組的 防晃支架進(jìn)行受力分析。根據(jù)規(guī)范，因DN10 0的管架最大跨距為5m，故該官組設(shè)置的共用支架最大跨 距為5m，由此根據(jù)最不利情況支架間距為5m分析管架的受力。管道垂直方向的計算荷載計算（1）DN400單根管道作用在管架上的計算荷載DN400單根管道垂直方向的基本荷載（支吊架間距為5米）鋼管重

11、量= 7850X保溫重量= 48X + XX5XX=176N介質(zhì)重量=1000X單根管段計算荷載=（鋼管重量+保溫重量+介質(zhì)重量）X （考慮35%可變荷載。）單根DN400冷水管道計算荷載G =（4039+176+6466）X=14420N（2）DN200單根管道作用在官兼上的計算荷載DN200單根管道垂直方向的基本荷載（支吊架間距為5米）鋼管重量= 7850X保溫重量= 48X + XX5XX=100N介質(zhì)重量=1000X單根管段計算荷載=（鋼管重量+保溫重量+介質(zhì)重量）X （考慮35%可變荷載。）單根DN200熱水管道計算荷載G =（1544+100+1649）X=4446N（3）DN10

12、0單根管道作用在管裁上的計算荷載DN100單根管道垂直方向的基本荷載（支吊架間距為5米）鋼管重量= 7850X保溫重量= 48X + XX5XX=59N介質(zhì)重量=1000X（考慮蒸汽管道水壓試驗時管道內(nèi)介質(zhì)的重量。）單根管段計算荷載=（鋼管重量+保溫重量+介質(zhì)重量）X （考慮35%可變 荷載。）單根DN100蒸汽管道計算荷載G =（623+59+370）X=1421N管道水平方向的計算荷載100由于該管架為活動支架，所以管架水平方向的受力為管道在管架上滑動摩擦 力。DN400管道的水平推力= u =X14420=4326NDN200管道的水平推力 T400=f400= u G400=X4446

13、=1334NDN400管道的水平推力T0：=000200管架受力平面圖100五、管架梁選型根據(jù)管架梁的受力分析，管架梁在管道重力下或在管道推力作用下，有可能 出現(xiàn)2種現(xiàn)象，一是管架梁會沿著受力方向被剪斷，另一種是管架梁會沿著受力 方向發(fā)生過大彎曲變形，嚴(yán)重的會發(fā)生彎曲折斷。所以合理的選擇管架梁就是使 管架梁能剛好滿足梁的抗彎和抗剪要求。管架梁內(nèi)力分析將管架假設(shè)為剛性結(jié)構(gòu)的簡支梁，分別根據(jù)管架梁的垂直受力和水平受力情 況，按照平面簡支梁進(jìn)行內(nèi)力分析，并根據(jù)靜力方程求得管架梁的內(nèi)力，并繪制 梁的剪力圖和彎矩圖，求出最大剪力和最大彎矩。根據(jù)以上示例管架受力分析得彳嚀招洲G=1邸 J 1如J_1Jh.

14、_.1.1!1_1Fst.=1334N湖N 如:.J )3MK1111J5 I1-InOl：OC/J得到管架梁垂直方向的最大彎矩為17715Nm，最大剪力為24843N管架梁水平方向的最大彎矩為3155Nm,最大剪力為5521N管架梁選型(1)管架梁抗彎強(qiáng)度計算管架梁的最大彎矩計算得出后，根據(jù)以下公式對管架梁的材料規(guī)格型號進(jìn)行 選擇：1.5M xrW1.5MrWy 0.85。x nx y ny式中：七、r截面塑性發(fā)展系數(shù)，一般型鋼取M： My所驗算梁截面繞X軸和繞Y軸的最大彎矩(Nm)W：、鋼一所驗算梁截面對X軸和對Y軸的截面系數(shù)(cm3)采用驗算法將初步估計型鋼規(guī)格所對應(yīng)的截面系數(shù)代入以上公

15、式進(jìn)行驗算， 滿足該方程的型鋼可作為管架梁的備選材料?，F(xiàn)仍將以上示例管架為例，依據(jù)管序號材料名稱規(guī)格X軸方向最 大彎矩MxX軸方向截 面系數(shù) Wnx(cm3)Y軸方向最 大彎矩MyY軸方向截 面系數(shù) Wny(cm3)架梁的最大彎矩，對管架梁的材料進(jìn)行選型：管架梁選型計算表1.5MyrWy n1 5M 1.5 Mx + y rW rWx n.xy ny比較型鋼比重X210-1.5M -xrXWnx1角鋼200X 16177151633155163不滿足2角鋼200X 18177151823155182不滿足3槽鋼280a177153403155不滿足4槽鋼280c177153933155滿足5工

16、字鋼22b177153253155不滿足6工字鋼25a177154023155滿足7H型鋼125X 125XX917715136315547不滿足8H型鋼150X 150X7X 1017715221315575滿足9角鋼160X14背面拼裝177153155滿足1020a槽鋼背面拼裝177153563155滿足由管架梁選型計算表得出，角鋼200X18、槽鋼280c、工字鋼25a、H型鋼150 X 150X7X10或2根角鋼160X14背面拼裝、2根20a槽鋼背面拼裝均滿足彎矩承重 要求，因H型鋼150X 150X7X 10比重最小，從經(jīng)濟(jì)方面我們暫定H型鋼150X150 X7X10作為管架梁。

17、（2）管架梁抗剪強(qiáng)度校驗根據(jù)管架梁的抗彎強(qiáng)度計算所選出的支架，還需檢驗其是否滿足管架梁的剪 切要求。參照如下公式對管道所承受的剪力進(jìn)行校驗。T = “Y 咋+ 咋 0.85fSv式中：T抗剪強(qiáng)度Vx、V梁所承受的X軸方向、Y軸方向的最大剪力（N）S 梁截面面積（m2）。一一鋼材的抗拉強(qiáng)度，一般型鋼鋼材取160MPa 參照以上示例對所選擇的管架梁進(jìn)行抗剪校驗=8.3 x 106 0.85 f = 1361.5218432 + 5524240.55 x10-4故改型鋼滿足抗剪要求，所以管架梁采用H型鋼150X 150X7X 10。六、管架柱選型根據(jù)管架梁的受力分析，為滿足管架梁所受管道重力和水平推立的平衡，管 架柱（或吊桿）給予管架梁一個支反力來維持管架梁及梁上各管道的平衡。我們 由此梁的支反力對管架柱（或吊桿）進(jìn)行選型。根據(jù)分析，管架柱的受力包個， 一個是垂直方向的拉力（或壓力），另一個是水平方向的推力。1.管架柱的橫截面計算公式S=。）式中S為管架柱的最小截面積，R為管架柱豎直方向的拉力或壓力，。為鋼材的抗拉強(qiáng)度，一般型鋼鋼材取210MPa所以以上示