簡(jiǎn)述固定管道支架水平推力在設(shè)計(jì)中的簡(jiǎn)化計(jì)算

簡(jiǎn)述固定管道支架水平推力在設(shè)計(jì)中的簡(jiǎn)化計(jì)算摘要：管道支架作為工業(yè)設(shè)備的附屬構(gòu)筑物，在設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)等級(jí)較低，結(jié)構(gòu)型式也比較簡(jiǎn)單。但與工廠的其它建構(gòu)筑物相比，其荷載情況較為復(fù)雜，其水平推力，尤其是固定支架受到的水平推力，一直是設(shè)計(jì)中的計(jì)算難點(diǎn)。筆者根據(jù)多年工廠設(shè)計(jì)實(shí)踐，根據(jù)相關(guān)規(guī)范結(jié)合個(gè)人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，給出較為簡(jiǎn)明實(shí)用的固定管道支架的計(jì)算方法，對(duì)工業(yè)項(xiàng)目中管道支架設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：固定支架；協(xié)調(diào)變形；水平推力一、 概述管道固定支架指在管道的橫向與縱向均視為不動(dòng)點(diǎn)的管道支架。其承受的荷載按恒載和活載劃分，主要包括：恒載：管道自重和管道內(nèi)介質(zhì)自重；活載：風(fēng)荷載、雪荷載、積灰荷載、施工荷載、地震作用力及管道變形對(duì)支架產(chǎn)生的水平推力，其中風(fēng)荷載和地震荷載為管道側(cè)向水平荷載，雪荷載、積灰荷載和施工荷載為豎向荷載，管道變形對(duì)支架產(chǎn)生的水平推力為管道軸向荷載。在上述荷載中，荷載大多可根據(jù)相關(guān)資料計(jì)算，而管道變形產(chǎn)生的水平推力，既要考慮管道所處地區(qū)的溫差、管道的斷面尺寸、管道的跨度等客觀因素，也要考慮整個(gè)管道及支架系統(tǒng)的受力和協(xié)調(diào)變形，在計(jì)算過(guò)程中要充分考慮支架的布置、結(jié)構(gòu)型式和支架類(lèi)別。因此，固定管道支架設(shè)計(jì)過(guò)程中，管道變形產(chǎn)生的水平推力計(jì)算一直都是計(jì)算難點(diǎn)。本文依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，根據(jù)多年設(shè)計(jì)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)不同布置型式下的的固定管道支架水平推力提出簡(jiǎn)化計(jì)算方法。二、 固定支架受的水平推力計(jì)算基本理論一般來(lái)說(shuō)，固定支架宜設(shè)置為剛性支架。對(duì)較小管徑的管道，當(dāng)固定支架位于一段長(zhǎng)直管道中部時(shí)，考慮到支架兩側(cè)受到的水平推力可基本抵消時(shí)，也可按柔性支架設(shè)計(jì)。為減小管道和支架的受力，需根據(jù)管道的布置情況適當(dāng)設(shè)計(jì)變形補(bǔ)償。對(duì)自然補(bǔ)償，管道彎頭的臨近支架不應(yīng)設(shè)固定點(diǎn)，而與波紋補(bǔ)償器最近的支架必須設(shè)置固定點(diǎn)。設(shè)計(jì)師根據(jù)工藝專業(yè)提資確定支架的型式，進(jìn)而計(jì)算支架的水平推力。根據(jù)變形協(xié)調(diào)方程，管道的實(shí)際變形量：式1式中：--管道實(shí)際變形量；--在溫差作用下管道的理論伸長(zhǎng)量，；--自然補(bǔ)償或補(bǔ)償器產(chǎn)生的變形量；--管道支架水平受到的水平推力；--管道計(jì)算長(zhǎng)度；--管道彈性模量；--管道截面面積；--管道在水平推力的反作用力下的變形量。對(duì)于固定支架，管道與支架協(xié)調(diào)變形。對(duì)支撐單根管道的支架，水平推力一般作用于支架頂部，因此，可將支架簡(jiǎn)化為集中荷載作用下的懸臂桿件，其在水平推力作用下變形的計(jì)算公式為：式2式中：H--支架高度；I--支架慣性矩。對(duì)于單個(gè)固定支架，將式2中代入式1,可得：式3理論上，已知管道和支架的相關(guān)參數(shù)，即可根據(jù)式3計(jì)算出支架因管道變形受到的水平推力。但在管道支架設(shè)計(jì)中，由于固定支架一般為剛性支架，其慣性矩計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，在設(shè)計(jì)中需要根據(jù)計(jì)算情況對(duì)支架構(gòu)件進(jìn)行調(diào)整，因此支架的剛度難以準(zhǔn)確計(jì)算。為簡(jiǎn)化計(jì)算，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)支架的變形情況對(duì)式3進(jìn)行簡(jiǎn)化。三、不同工況的固定管道支架水平推力簡(jiǎn)化計(jì)算3.1設(shè)置補(bǔ)償?shù)墓潭ㄖЪ芩酵屏τ?jì)算對(duì)設(shè)置補(bǔ)償?shù)墓艿缹?duì)應(yīng)的固定支架，考慮到管道的變形相對(duì)較小，而支架的剛度較大，在管道變形產(chǎn)生的水平推力作用下，可以認(rèn)為固定支架在水平推力作用下沒(méi)有發(fā)生位移，管道的的變形產(chǎn)生的水平力全部由固定支架來(lái)抵抗。因此，固定支架受到的水平推力實(shí)際為管道設(shè)置補(bǔ)償后變形產(chǎn)生的軸力。因此，設(shè)置補(bǔ)償?shù)墓潭ㄖЪ芩酵屏τ?jì)算公式可表達(dá)如下：式4式中：a--管道線膨脹系數(shù)；At--管道施工與管道運(yùn)行時(shí)的溫差；L--管道計(jì)算長(zhǎng)度；E--管道彈性模量；A--管道凈斷面面積；A補(bǔ)--補(bǔ)償產(chǎn)生的變形量。（1） 自然補(bǔ)償在管道設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)管徑較小且直線長(zhǎng)度較長(zhǎng)的管道，為避免管道產(chǎn)生過(guò)大的變形，會(huì)設(shè)置自然補(bǔ)償（也稱彎頭補(bǔ)償）。此時(shí)，管道的實(shí)際變形應(yīng)為管道理論變形與自然補(bǔ)償產(chǎn)生的變形差值。支架受到的水平推力根據(jù)式4計(jì)算，式中自然補(bǔ)償產(chǎn)生的變形可由《動(dòng)力管道設(shè)計(jì)手冊(cè)》中相關(guān)內(nèi)容計(jì)算，本文不再贅述。（2） 補(bǔ)償器補(bǔ)償而對(duì)于管徑較大且長(zhǎng)度較長(zhǎng)的管道，在管道與支架的固定點(diǎn)附近會(huì)設(shè)置補(bǔ)償器以調(diào)整管道伸縮量。因補(bǔ)償器選型時(shí)會(huì)充分考慮管道的變形量，因此對(duì)于設(shè)置補(bǔ)償器的固定管道支架，其水平推力可按補(bǔ)償器的最大受荷能力并根據(jù)固定支架的數(shù)量進(jìn)行考慮。補(bǔ)償器的最大受荷能力可根據(jù)其參數(shù)查得，其計(jì)算公式為：式5式中：Pe--補(bǔ)償器最大受荷能力；K--補(bǔ)償器彈性系數(shù)；--補(bǔ)償器設(shè)計(jì)最大變形量。當(dāng)設(shè)置補(bǔ)償器時(shí)，管道和支架的布置型式?jīng)Q定固定支架所受水平推力。對(duì)補(bǔ)償器位于兩個(gè)固定管道支架之間的情況，單個(gè)固定支架受到的水平推力可按補(bǔ)償器的最大受荷能力的一半考慮；對(duì)同時(shí)設(shè)置自然補(bǔ)償和補(bǔ)償器，且僅在補(bǔ)償器附近設(shè)置有固定點(diǎn)的情況，固定支架可不考慮自然補(bǔ)償對(duì)水平推力的影響，其受到的水平推力按補(bǔ)償器的最大受荷能力考慮。3.2無(wú)補(bǔ)償?shù)墓潭ㄖЪ芩酵屏τ?jì)算對(duì)于管徑較小且工作溫度較低的管道，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況不設(shè)置補(bǔ)償，固定管道支架水平推力計(jì)算時(shí)，也可不考慮管道轉(zhuǎn)彎處產(chǎn)生的自然補(bǔ)償。此時(shí)，管道在溫差作用下產(chǎn)生的荷載全部由管道支架承擔(dān)。當(dāng)不考慮活動(dòng)支架承擔(dān)的水平荷載時(shí)，固定支架所承擔(dān)的水平推力按式3可得：式6因在支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)支架荷載確定支架的結(jié)構(gòu)型式和構(gòu)件尺寸，因此，支架的慣性矩未知。當(dāng)固定支架為柔性支架時(shí)，其慣性矩可手算得出；當(dāng)固定支架為剛性支架，其慣性矩計(jì)算較為復(fù)雜。由于固定支架一般為剛性支架，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可采取如下方法計(jì)算支架剛度和水平推力：（1） 在計(jì)算模型中建模后在支架頂施加單位力，根據(jù)其柱頂變形，由式2可計(jì)算出支架剛度；（2） 將剛度代入式6計(jì)算水平推力，由荷載確定支架構(gòu)件截面尺寸是否滿足;（3） 調(diào)整模型中構(gòu)件截面，重復(fù)（1）和（2），可得出優(yōu)化截面構(gòu)件后的水平推力。四、結(jié)論綜上所述，對(duì)固定支架的水平推力計(jì)算，應(yīng)綜合考慮管道設(shè)計(jì)與支架布置的情況。常見(jiàn)的固定支架受到的水平推力可參考表1進(jìn)行計(jì)算。表1不同情況下固定支架水平推力簡(jiǎn)化計(jì)算表本文依據(jù)力學(xué)理論和相關(guān)規(guī)范，根據(jù)個(gè)人設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)管道支架受到的水平推力計(jì)算進(jìn)行了總結(jié)和簡(jiǎn)化，對(duì)管道支架設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。本文所提出的簡(jiǎn)化計(jì)算公式僅適用于支撐單根管道的管道支架，對(duì)支撐多層管道的支架，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮其他管道對(duì)主動(dòng)管的牽制系