管道支吊架設(shè)計(jì)及計(jì)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(shí)都必須對(duì)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(shí)管道支吊架的設(shè)計(jì)和安裝對(duì)管 道及其附件施工質(zhì)量的好壞取決定性作用。如何采用平安適用、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(gè)重點(diǎn)?！娟P(guān)鍵詞】 管道布置 管道跨距 管架分析 管架內(nèi)力計(jì)算管道的布置對(duì)管道進(jìn)行合理的深化和布置是管道支吊架設(shè)計(jì)的前提條件。欲設(shè)計(jì)平安使 用、經(jīng)濟(jì)合理、整潔美觀的管道支吊架，首先需對(duì)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(jì)應(yīng)符合各種工藝管道及系統(tǒng)流程的要求；管道布

2、置應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃，做到平安可靠、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(shí)，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(duì)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(jì)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(shí)，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(duì)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；應(yīng)在管道規(guī)劃

3、的同時(shí)考慮其支承點(diǎn)設(shè)置，并盡量將管道布置在距可靠支 撐點(diǎn)最近處，但管道外外表距建筑物的最小凈距不應(yīng)小于100mm，同時(shí)應(yīng) 盡量考慮利用管道的自然形狀到達(dá)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。不可防止 時(shí)應(yīng)根據(jù)操作、檢修要求設(shè)置放空、放凈。:、管架跨距管架的跨距的大小直接決定著管架的數(shù)量。 跨距太小造成管架過密，管架數(shù) 量增多，費(fèi)用增高，故需在保證管道平安和正常運(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(jì)管道的支吊架應(yīng)先確定 管架的最大跨距，管架的最大允許跨距計(jì)算應(yīng)

4、按強(qiáng)度和剛度兩個(gè)條件分別計(jì)算，取 其小值作為推薦的最大允許跨距。按強(qiáng)度條件計(jì)算的管架最大跨距的計(jì)算公式：L1 Wtmax.qLmax管架最大允許跨距m)q 管道長(zhǎng)度計(jì)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 管道橫向焊縫系 數(shù)，取6鋼管許用應(yīng)力鋼管許用應(yīng)力N/mmj按剛度條件計(jì)算的管架最大跨距的計(jì)算公式：Lmax3Lmax3Et IiqLmax管架最大允許跨距mq管道長(zhǎng)度計(jì)算荷載N/m，q=管材重+保溫重+附加重E剛性彈性模量N/minI -一管道截面慣性矩cm4 i0管道放水坡度，取例：采用48K的離心玻璃棉保溫，保溫厚度為50mm的冷凍水管，其管 道規(guī)格

5、為巾325 X8無縫鋼管，其最大允許管道間距為多少？管道長(zhǎng)度荷載q=7850 XXX +1000 XX 140.29kg N/m 查相關(guān)資料得：LmaxiLmax2管道截面抗彎系數(shù)W=616 cm3 鋼管許用應(yīng)力& t =112 管道截面慣性矩I=10016 cm 4 剛性彈性模量E = X 105 LmaxiLmax2公稱直徑mm1520253240507080100125150200250300支架L1的最大間L2距m)200kg/m 3的管道系統(tǒng)。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2 L i用于保溫管道， L2用于不保溫管道。對(duì)大于300 mm的管道可參考300 mm

6、管道根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)？GB50243-2002表鋼管道支、吊架的最大間距三、 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(shí)都必須對(duì)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(jiǎn)稱柱或吊桿、管架梁簡(jiǎn)稱梁)和支撐節(jié)點(diǎn)組成。支撐點(diǎn)支撐點(diǎn)管道支吊架示意圖支撐點(diǎn)支撐點(diǎn)管道支吊架示意圖管架荷載分析1垂直荷載管道支吊架垂直荷載根據(jù)性質(zhì)可分為根本垂直荷載和可變垂直荷載，其中根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?？勺兇怪?/p>

7、荷載指管道所承受的活荷載、沉積物重力和發(fā) 生地震時(shí)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(jì)算 的，為此我們將管道支吊架的根本垂直荷載乘以一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)一般為)作為管架垂直方向的計(jì)算荷載。L-L-A八Bc管道支吊架根本垂直荷載計(jì)算，可先將復(fù)雜的管道支架體系近似的看作 簡(jiǎn)支梁，根據(jù)受力分析，管架B所承受的根本垂直荷載為GB =(Gli+ Gli)/2因管道支吊架在一個(gè)工程里數(shù)量種類繁多，不可能一一計(jì)算，為此我們a =只需考慮同類型支架的最不利受力狀況即可，根據(jù)管道支吊架的最大允許跨 度來計(jì)算最不利支架，此時(shí)就只需計(jì)算長(zhǎng)度為最大允許跨度 a =其重力方向的計(jì)算荷載為G= a G2)水平荷

8、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(dòng)管架上的水平推力和固定管架上的水平推力?；顒?dòng)管架水平推力主要來自管道摩擦力，吊桿水平推力可忽略；水平推力即為管道摩擦力f= uGu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。其作用在固定管架上的水平推力為補(bǔ)償器被壓采用補(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。t= nA lt= nA ln為補(bǔ)償器的彈性模量，L為采用自然補(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，如下圖。變形前的管道固定支架T管道熱伸縮后的管道產(chǎn)卜變形前

9、的管道固定支架T管道熱伸縮后的管道產(chǎn)卜固定支架I ,反彈力T補(bǔ)償器補(bǔ)償工作示意圖固定支架反彈力TL* 1.b固定支架自然補(bǔ)償工作示意圖管道熱伸縮所產(chǎn)生的位移固定支架變形管道長(zhǎng)度為L(zhǎng)，補(bǔ)償臂管道長(zhǎng)為L(zhǎng)b管道安裝溫度按tC考慮，管道工作溫度為t2C，故鋼管材質(zhì)的管道會(huì) 在溫度變化下縮短L=XA TXL (式中a為鋼管的線膨脹系數(shù)，T為溫 差，L為固定支架變形管道長(zhǎng)度)故作用在管道補(bǔ)償上的推力為T=3 LEI/L b3為 E為管道的彈性模量，I 管道的慣性矩)管架受力計(jì)算例如根據(jù)以上管架的受力分析，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(jì)算如下列圖所示，現(xiàn)有2根DN400冷水管，管材為無縫鋼

10、管巾426 X9，工作溫 度為7-14 C； 2根DN200熱水管，管材為無縫鋼管巾219 X6，工作溫度為50- 55 C, 1根DN100蒸汽管道，管材為無縫鋼管巾108 X5，工作溫度為108 C，請(qǐng)對(duì)該管組 的防晃支架進(jìn)行受力分析。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，因DN100的管架最大跨距為5m,故該管組設(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(jì)算荷載計(jì)算(1)DN400單根管道作用在管架上的計(jì)算荷載DN400單根管道垂直方向的根本荷載支吊架間距為5米鋼管重量=7850 X保溫重量=48 X + XX 5 XX =176N介質(zhì)重量=1000 X單根管段計(jì)

11、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(jì)算荷載G400 = 4039+176+6466 )X =14420N (2)DN200單根管道作用在管架上的計(jì)算荷載DN200單根管道垂直方向的根本荷載支吊架間距為5米鋼管重量=7850 X保溫重量=48 X + XX 5 XX =100N介質(zhì)重量=1000 X單根管段計(jì)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(jì)算荷載G200 = 1544+100+1649 )X =4446N (3)DN100單根管道作用在管架上的計(jì)算荷載DN100單根管道垂直方向的根本荷

12、載支吊架間距為5米鋼管重量=7850 X保溫重量=48 X + XX 5 XX =59N介質(zhì)重量=1000 X考慮蒸汽管道水壓試驗(yàn)時(shí)管道內(nèi)介質(zhì)的重量。單根管段計(jì)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(jì)算荷載G100 = 623+59+370X = 1421N管道水平方向的計(jì)算荷載100由于該管架為活動(dòng)支架，所以管架水平方向的受力為管道在管架上滑動(dòng)摩擦 力。DN400管道的水平推力T 400=f 400= uG400= X 14420=4326N DN200 管道的水平推力 T 200=fM u G200= X4446=1334N DN400 管道

13、的水平推力 T=0100管架受力平面圖管架梁選型根據(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(huì)沿著受力方向被剪斷，另一種是管架梁會(huì)沿著受力 方向發(fā)生過大彎曲變形，嚴(yán)重的會(huì)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(jiǎn)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(jiǎn)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)以上例如管架受力分析得X 做G=：W30N西雅椎瓦曼勿停1匕才妍咽回健仃J i fWH1 4坦 ，隊(duì)K

14、：*州 ATr-T*B I !射可Hr IEE |歸*買爵R圖歸玉牛菊H圖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(jì)算管架梁的最大彎矩計(jì)算得出后，根據(jù)以下公式對(duì)管架梁的材料規(guī)格型號(hào)進(jìn)行 選擇：1.5Mx1.5MxTWx nx y ny式中：rx、r 截面塑性開展系數(shù)，一般型鋼取M M：所驗(yàn)算梁截面繞X軸和繞Y軸的最大彎矩N - mW、W 所驗(yàn)算梁截面對(duì)X軸和對(duì)Y軸的截面系數(shù)3 cm )。-一鋼材的抗拉強(qiáng)度，一般型鋼鋼材取 210MPa采用驗(yàn)算法將初步估計(jì)型鋼規(guī)格所對(duì)應(yīng)的截面系數(shù)

15、代入以上公式進(jìn)行驗(yàn)算， 滿足該方程的型鋼可作為管架梁的備選材料?，F(xiàn)仍將以上例如管架為例，依據(jù)管 架梁的最大彎矩，對(duì)管架梁的材料進(jìn)行選型：管架梁選型計(jì)算表序號(hào)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)1：5M y1.5M x 1. 5My比擬erWVWryWnyx nxy ny 210型鋼比重1.5MrWxnx1角鋼200 X16177151633155163不滿足2角鋼200 X18177151823155182不滿足3槽鋼280a177153403155不滿足4槽鋼280c177153933155滿足5工字鋼22b17

16、7153253155不滿足6工字鋼25a177154023155滿足7H型鋼125 X125 XX 917715136315547不滿足8H型鋼150 X150 X7 X1017715221315575滿足9角鋼160 X14反面拼裝177153155滿足1020a槽鋼反面拼裝177153563155滿足由管架梁選型計(jì)算表得出，角鋼為200 X18、槽鋼280c、工字鋼25a、H型車岡150 x 150 X7 X10或2根角鋼160 X 14反面拼裝、2根20a槽鋼反面拼裝均滿足彎矩承重 要求，因H型鋼150 X150 X7 X10比重最小，從經(jīng)濟(jì)方面我們暫定H型鋼150 X 150 X 7

17、X 10作為管架梁。(2)管架梁抗剪強(qiáng)度校驗(yàn)根據(jù)管架梁的抗彎強(qiáng)度計(jì)算所選出的支架，還需檢驗(yàn)其是否滿足管架梁的剪 切要求。參照如下公式對(duì)管道所承受的剪力進(jìn)行校驗(yàn)。 0.85 fS式中：T抗剪強(qiáng)度V x、Vy梁所承受的X軸方向、Y軸方向的最大剪力NS梁截面面積m2，.2184325524 210 4，.2184325524 210 4故改型鋼滿足抗剪要求，10 6 0.85 fv 136所以管架梁采用 H型鋼150 X150 X7 X10。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(gè)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(duì)管架柱或吊桿進(jìn)行選型。根據(jù)分析，管架柱的受力有2個(gè)，一 個(gè)是垂直方向的拉力或壓力)，另一個(gè)是水平方向的推力。管架柱的橫截面計(jì)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所以以上例