項目機(jī)電管道支吊架體系計算方案

項目機(jī)電管道支吊架體系計算方案目錄24491_WPSOffice_Level1一、編制目的 330198_WPSOffice_Level1二、編制原則 329690_WPSOffice_Level1三、編制依據(jù) 47907_WPSOffice_Level1四、管道布置分析 49207_WPSOffice_Level1五、管道載荷分析及支架計算 525917_WPSOffice_Level1六、管道承重支架受力分析及計算實例 13一、編制目的K5商業(yè)地下室機(jī)電管道較多，為達(dá)到整體安裝效果簡潔美觀、節(jié)省空間，根據(jù)設(shè)計要求及項目的實際情況選取適當(dāng)?shù)闹У跫苄问?。局部位置需要綜合支架，為保證系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，需從管線的具體布置及荷載要求方面進(jìn)行分析，對機(jī)電支吊架的強(qiáng)度進(jìn)行校核。二、編制原則適用性：根據(jù)設(shè)計要求及工程的實際情況選用適合工程的支吊架形式，地下室商業(yè)局部位置需要設(shè)置綜合支架，BIM圖紙中已經(jīng)有所體現(xiàn)，根據(jù)管道規(guī)格設(shè)計合理支架方案；安全性：計算選用的支架需合理，現(xiàn)場應(yīng)嚴(yán)格按照方案實施，支架固定牢固，現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)需準(zhǔn)確；若管道型號過大，根據(jù)現(xiàn)場情況需請設(shè)計對結(jié)構(gòu)承載力進(jìn)行驗證符合并簽字；經(jīng)濟(jì)型：在考慮豎向支架時，首先考慮使用圓鋼吊桿，在圓鋼吊桿不滿足承重要求時再考慮使用角鋼、槽鋼；美觀性：保證所使用的支吊架成排成線，橫平豎直，簡單明了。5、適用于綜合排布的成排管道支吊架,其它形式支吊架參考圖集《室內(nèi)管道支架及吊架圖集》03S402以及各地方標(biāo)準(zhǔn)圖集。機(jī)電管道支吊架選用除尊照本計算書外，還應(yīng)滿足國家現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。三、編制依據(jù)1、施工圖紙2、《通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB50243-2016）3、五金手冊（電子版）4、《熱軋型鋼》（GB/T706-2008）5、《室內(nèi)管道支吊架》（05R417-1）6、《低壓流體輸送用焊接鋼管》（GB/T3091-2008）7、《室內(nèi)管道支架及吊架圖集》03S4028、《動力管道設(shè)計手冊》（機(jī)械工業(yè)出版社）9、《膨脹螺栓規(guī)格及性能》（JB-ZQ4763-2006）四、管道布置分析對管道進(jìn)行合理的深化和布置是管道支吊架設(shè)計的前提條件。設(shè)計使用安全、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，布置應(yīng)考慮以下參數(shù)：4.1、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；4.2、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；4.3、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。4.4、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；4.5、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情況下，應(yīng)使管道最短，組成件最少；4.6、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；五、管道載荷分析及支架計算5.1、滿水重量計算管道工程水管介質(zhì)均為水，按管道滿水考慮?？偤奢d應(yīng)為水的重量，加上管道自重，如果有保溫管道，需另外加上保溫棉重量。現(xiàn)把各系統(tǒng)每米管道理論重量數(shù)據(jù)統(tǒng)計如下：表1熱鍍鋅鋼管規(guī)格及理論重量表管道規(guī)格DN15DN20DN25DN32DN40DN50DN65DN80DN100DN125DN150公稱直徑1520253240506580100125150外徑（mm）21.326.933.742.448.360.376.188.9114.3139.7168.3壁厚（mm)2.82.83.23.53.53.844444.5內(nèi)徑（mm）15.721.327.335.441.352.768.180.9106.3131.7159.3保溫重量（Kg/m）0.110.130.160.250.3050.41管道理論重量（Kg/m）1.33361.73732.50313.4754.0025.46397.33958.642511.228213.813818.6858水重量（Kg/m）0.19340.35570.58490.9841.3392.18013.64055.13758.869813.616219.9202滿水重量（Kg/m）1.5272.0933.0884.4595.4517.77411.1413.7820.34827.73539.016表2鋼管滿水規(guī)格重量表（kg/m）管道規(guī)格DN600DN400DN350DN300DN250DN200DN150DN125DN100公稱直徑（mm）600400350300250200150125100實際外徑(mm)630426377325273219159140114壁厚（mm）11888754.544保溫層厚（mm）404040404040404040保溫材料容重（Kg/m3）454545454545454545每米管道自重（Kg）167.9295.272.862.5445.9226.3917.1513.4210.85每米滿管水重（Kg）290.19131.96102.3074.9552.6634.2917.6613.688.82每米保溫層體積（mm3）7.91×1075.35×1074.74×1074.08×1073.43×1072.75×1071.99×1071.76×1071.43×107每米保溫層重（Kg）3.562.412.131.841.541.240.900.790.64每米管道總重（Kg）461.67229.57177.23139.33100.1261.9235.7127.8920.315.2、支吊架受力分析示意圖圖5.1管道支吊架布置圖圖5.2支架橫擔(dān)受力分析圖5.3、承重支架橫擔(dān)選型及校核根據(jù)所算的管道滿水重量在軟件上建模，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器（軟件使用方法見附件3：結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器操作手冊）計算出支架的剪力圖彎矩圖和軸力圖，得到支吊架最不利構(gòu)件的最大彎矩、最大剪力和最大軸力大小，通過最大彎矩值選取橫擔(dān)型材大小?？箯潖?qiáng)度校核公式：(公式1，來源03S402中4.3.4）（等邊角鋼Wnx與Wny數(shù)值一樣式中：Mx——所計算截面繞x軸的最大彎矩My——所計算截面繞y軸的最大彎矩,按照0.3MxWnx——x軸方向截面模量Wny——y軸方向截面模量f——鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計值N/mm2，取值見下表3，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊表2-3。表3鋼材強(qiáng)度設(shè)計值（數(shù)據(jù)來源鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊表2-3）截面塑性系數(shù)取下值：rx=1.05；r由《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》表16-5查得各型號槽鋼的截面塑性模量Wnx、W表4槽鋼規(guī)格表（數(shù)據(jù)來源鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊表16-5）將所選型鋼大小自重按均勻荷載考慮加入到受力分析中，重新利用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器軟件進(jìn)行計算，求出最大剪力、最大彎矩及最大軸力，進(jìn)行校核。若滿足則進(jìn)行抗剪強(qiáng)度校核，若不滿足則加大一號型鋼重新進(jìn)行校核?？辜魪?qiáng)度校驗公式：（公式2，來源03S402中4.3.4）式中：V——所計算截面所受的剪力N；S——半截面面積矩；（所計算軸以上的構(gòu)件截面面積×截面中心點到中心軸的距離，槽鋼可直接在表4中選取，角鋼需計算得出，計算實例見附件4）Ix——毛截面慣性矩；tw——腹板厚度；fv——鋼材的抗剪強(qiáng)度設(shè)計值。（以上各參數(shù)取值于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊表2-3、表16-5。當(dāng)所選橫擔(dān)大小的抗彎強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度均滿足要求時即為合格。5.4、承重支架豎向支架選型及校核當(dāng)選用吊桿為豎向支架時：表5吊桿拉力允許值（表格來源于圖集03S402）根據(jù)表5以及所計算出的最大軸力選擇吊桿直徑大小，加上吊桿自重后進(jìn)行抗拉強(qiáng)度校核。吊桿凈截面面積計算公式：（公式3，來源于圖集03S402）式中：An——吊桿凈截面面積；N——吊桿設(shè)計拉力值；f——鋼材抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，取值于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊表2-3。當(dāng)選用型鋼為豎向支架時：抗拉強(qiáng)度校驗公式：（公式4，來源鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊表3-16）式中：A——構(gòu)建截面面積；N——軸心拉力；f——鋼材抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，取值于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊表2-3。通過計算得出A的值，對照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊表16-1~5》中型鋼截面面積大小，選擇豎向型鋼支架大小。加上自重后再次進(jìn)行校核。5.5、膨脹螺栓承載力校核根據(jù)上述計算得出的最大軸力以及膨脹螺栓的個數(shù)，根據(jù)表6《膨脹螺栓受力性能表》選出膨脹螺栓的大小。（埋板厚度不小于1cm）表5膨脹螺栓受力性能表（數(shù)據(jù)來源于JB-ZQ4763-2006膨脹螺栓規(guī)格及性能）5.6、固定支架計算（1）支架布置情況及受力分析固定支架承受的荷載有下列力組成：①垂直荷載，包括管道、管道附件、保溫結(jié)構(gòu)、管內(nèi)輸送介質(zhì)的荷載以及在某些情況下考慮管道水壓試驗時水重等荷載；②沿管道軸向的推力，包括各補(bǔ)償器的反彈力之和FS，不平衡內(nèi)壓力（波紋補(bǔ)償器或管道閥門或堵板上的流體靜壓力）FN，管道移動時的摩擦反力或管架變位彈力FM等；（2）豎向支架中垂直方向的力（垂直荷載）及支架型鋼選擇同承重支架，此時需著重計算水平方向的力（沿管道軸向的推力）及其斜支撐的選型；（3）固定支架沿軸向的推力計算由于環(huán)境空氣的溫度及管內(nèi)介質(zhì)溫度對管壁的影響，造成管道本身的伸縮其伸縮量為△L，管道的熱脹與冷縮在受到兩個固定點的限制而不能實現(xiàn)時所產(chǎn)生應(yīng)力為，其計算公式如下：（公式5）（公式6）式中：△L——管道伸縮量（mm）；L——計算管長（兩固定點間的直線長度）（m）；——管道的線膨脹系數(shù)，取值于《動力管道設(shè)計手冊》中表6-1；t2——管道內(nèi)介質(zhì)最高溫度（℃）；t1——管道設(shè)計安裝溫度（℃）?？扇?-20℃。——管材的彎曲應(yīng)力（MPa）；E——管材的彈性模量（MPa），在常溫狀態(tài)下對碳素鋼、不銹鋼??；通過△L以及計算固定支架沿管道軸向的水平推力，即：波紋補(bǔ)償器的彈力FS、不平衡內(nèi)壓力FN以及支架的摩擦力FM，其計算公式如下：（公式7）式中：FS——波紋補(bǔ)償器的彈性力（N）；KX——每個波的單位壓縮力的彈力，即波紋補(bǔ)償器的軸向剛度（N/mm）。補(bǔ)償器一般為選定產(chǎn)品，可由廠家直接提供。若計算時沒選定補(bǔ)償器廠家，波紋補(bǔ)償器的此參數(shù)也可以參考附表1（即《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》第二版中表7.5-8~11）；（公式8）式中：FN——內(nèi)壓不平衡力（N）；P——管道內(nèi)介質(zhì)工作壓力（MPa），取設(shè)計給定的工作壓力；Ai——軸向波紋補(bǔ)償器的有效截面積（mm2），此值由生產(chǎn)廠家提供。若計算時沒選定補(bǔ)償器廠家，波紋補(bǔ)償器的此參數(shù)也可以參考附表1（即《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》第二版中表7.5-8~11）（公式9）式中：FM——摩擦力（N）；q——管道單位長度計算荷載（N/m）；L——兩固定支架間的管段長度（M）；μ——摩擦系數(shù)，取0.3；根據(jù)附件2（波紋補(bǔ)償器固定支架推理計算公式）選取與支架布置形式相對應(yīng)的計算公式，根據(jù)公式計算每個固定支架所受到的水平推力；（4）根據(jù)水平推力大小計算固定支架每個斜支撐所受拉力的大小，通過抗拉強(qiáng)度校驗公式選出固定支架斜支撐的大小；（5）膨脹螺栓承載力校核，根據(jù)上述計算得出的最大軸力以及膨脹螺栓的個數(shù)，根據(jù)表6《膨脹螺栓受力性能表》選出膨脹螺栓的大小。六、管道承重支架受力分析及計算實例6.1、支架布置圖現(xiàn)場超出圖集03S402支吊架設(shè)置共計兩種支吊架類型，對應(yīng)支吊架正視圖如下：支架一：圖6.1.1支架正視圖支架二：圖6.1.2支架正視圖6.2、支架設(shè)置說明典型支架設(shè)置情況：支架一：地下室4根DN250空調(diào)水和2根DN80空調(diào)冷凍水管道共用支架,承重支架間距為4.2m，固定支架橫擔(dān)長2.9m，豎向支架長度為1.8m。查表2（鋼管滿水規(guī)格重量表）可得，考慮管道制作以及安裝等部分因素，取綜合系數(shù)K1＝1.35（數(shù)據(jù)來源03S402中4.3.1），每組支架承受載荷計算如下：229.57*4*9.81*4.2*1.35+13.78*2*9.81*4.2*1.35=52610.17N支架二：地下室2根DN250空調(diào)冷熱水管道共用支架,承重支架間距為4.2m，固定支架橫擔(dān)長1.0m，豎向支架長度為2.25m。查表2（鋼管滿水規(guī)格重量表）可得，考慮管道制作以及安裝等部分因素，取綜合系數(shù)K1＝1.35（數(shù)據(jù)來源03S402中4.3.1），每組支架承受載荷計算如下：327.6*9.81*2*4.2*1.35=36443.99N6.3、橫擔(dān)荷載分析、選型及校核6.3.1、垂直荷載管道支吊架垂直荷載根據(jù)性質(zhì)可分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)重力和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。由于可變垂直荷載難以準(zhǔn)確計算,本計算書按靜荷載的0.3（數(shù)據(jù)來源03S402中4.3.1）考慮。6.3.2、水平荷載管道水平方向的荷載是作用在支架上的水平推力，根據(jù)支架類型可分為活動支架上的水平推力和固定支架上的水平推力。a.活動支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T=μG（μ為摩擦系數(shù)，G為管道垂直靜荷載）b.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?，其作用在固定支架上的水平推力為補(bǔ)償器被壓縮或拉伸所產(chǎn)生的反彈力。6.3.3、橫擔(dān)受力情況分析根據(jù)支架的受力情況，支架在管道重力下或在管道推力作用下，有可能出現(xiàn)一下幾種現(xiàn)象：a：槽鋼會沿著受力方向被剪斷；b：槽鋼會沿著受力方向發(fā)生過大彎曲變形，嚴(yán)重的會發(fā)生彎曲折斷；所以合理的選擇支架就是使槽鋼的抗彎和抗剪滿足要求。6.3.4、軟件建模及計算支架靜荷載主要為管道自重、滿水重量及保溫重量，動荷載主要考慮水流沖擊時管道與支架之間的摩擦力。在章6.3中對其分別進(jìn)行受力分析。將支架建立為如下圖所示的模型，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器軟件可繪制支架的剪力圖、彎矩圖及軸力圖，并求出最大剪力、最大彎矩及最大軸力，如下圖所示。（以下受力圖使用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器繪制）支架一：圖6.2綜合支架建模圖6.3綜合支架彎矩圖圖6.4綜合支架剪力圖圖6.5綜合支架軸力圖由圖6.3、圖6.4可知，抗彎、抗拉最不利構(gòu)件，最大彎矩為2674N·m，最大剪力為6078N。由圖6.5可知，抗壓最不利構(gòu)件，最大軸力為6078N。由于該支架為活動支架，所以支架水平方向的受力為管道在支架上滑動摩擦力。水平推力：T=G*0.3（公式來自于圖集03S402中4.3.1）支架二：由圖得知，抗彎、抗拉最不利構(gòu)件，最大彎矩為5640N·m，最大剪力為18222N。由圖6.5可知，抗壓最不利構(gòu)件，最大軸力為18222N。由于該支架為活動支架，所以支架水平方向的受力為管道在支架上滑動摩擦力。水平推力：T=G*0.3（公式來自于圖集03S402中4.3.1）6.3.5槽鋼大小選型以及抗彎強(qiáng)度校核抗彎強(qiáng)度校核公式：(公式來源03S402中4.3.4，Mx——所計算截面繞x軸的最大彎矩，My——所計算截面繞y軸的最大彎矩，按照0.3Mx計算，Wnx截面塑性系數(shù)取下值：rx=1.05；r由《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》表16-5查得各型號槽鋼的截面塑性模量Wnx、通過上公式可得：表6.1槽鋼x、y軸最大彎矩極限值槽鋼型號X軸方向截面模量Wnx（cm3）Y軸方向截面模量Wny（cm3）所計算X軸最大彎矩Mx（N·所計算y軸最大彎矩My（N·616.34.61080324825.35.815084521039.77.821746521261.710.330689201487.114.14250127516116.817.65449163418152.221.56811204320191.425.98328249822233.830.19841295225289.632.7111433343由上表得知：支架一支架最大彎矩2674N.M,選擇12#槽鋼所以選用12#槽鋼。12#槽鋼支架自重：F=MG=12.06*2.9*9.8=342N。支架二最大彎矩為5640N.M，參照表格選用18#槽鋼，加入自重F=20.17*1.5*9.8=297將槽鋼支架自重按均勻荷載考慮加入到受力分析中，重新利用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器軟件進(jìn)行計算，求出最大剪力、最大彎矩及最大軸力，如下圖所示。支架一：圖6.6綜合支架建模綜合支架彎矩圖綜合支架剪力圖綜合支架軸力圖支架二：由上圖可知，在加入支架自重后，抗彎、抗拉最不利構(gòu)件，最大彎矩為2827N·m，最大剪力為6248N，最大軸力為6248N。當(dāng)最大彎矩為2807N·m時，對照表6.1可知12#槽鋼仍滿足要求。對于支架二最大彎矩5719N*M,參照表格參數(shù)依舊滿足要求。6.3.6抗剪強(qiáng)度校驗抗剪強(qiáng)度校驗公式：（公式來源03S402中4.3.4；V——所計算截面所受的剪力N；S——計算剪力處以上毛截面對中和軸的面積矩；Ix——毛截面慣性矩；tw——腹板厚度；fv——鋼材的抗剪強(qiáng)度設(shè)計值）支架一：V=6248N；S=36400mm3；Ix=3885000mm4；tw經(jīng)計算得：1.5VS/≤0.85=15.97<102，滿足要求。由上可知14#槽鋼抗彎強(qiáng)度校核與抗剪強(qiáng)度校核均滿足要求，所以本綜合管道支吊架選用14#槽鋼做為橫擔(dān)。因此現(xiàn)場采用14#槽鋼作為支架橫擔(dān)可滿足要求；支架二：V=18370N；S=91600mm3；Ix=13699000mm4；tw經(jīng)計算得：1.5VS/≤0.85=20.47<102，滿足要求。由上可知14#槽鋼抗彎強(qiáng)度校核與抗剪強(qiáng)度校核均滿足要求，所以本綜合管道支吊架選用14#槽鋼做為橫擔(dān)滿足要求。因為現(xiàn)場采用14#槽鋼作為支架橫擔(dān)，且支架跨距越大，所承受的軸力越大，因此要對現(xiàn)場支架距離進(jìn)行重新排布；排布如下：地下室2根DN250空調(diào)冷熱水管道共用支架,承重支架間距為4.2m，固定支架橫擔(dān)長1.0m，豎向支架長度為2.25m，其余條件不變，則每根管道荷載為：DN250:100.12*9.81*3*1.35=3978N,利用力學(xué)求解助力器重新進(jìn)行計算求出最大剪力、最大彎矩及最大軸力，如下圖所示；綜合支架彎矩圖綜合支架剪力圖綜合支架軸力圖；由圖可得知：支架二最大彎矩4028N.M,查表得出，選擇14#槽鋼。所以選用14#槽鋼。14#槽鋼支架自重：F=MG=16.73*1.5*9.8=245N。將槽鋼支架自重按均勻荷載考慮加入到受力分析中，重新利用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器軟件進(jìn)行計算，求出最大剪力、最大彎矩及最大軸力，如下圖所示。綜合支架彎矩圖綜合支架剪力圖綜合支架軸力圖；由上圖可知，在加入支架自重后，抗彎、抗拉最不利構(gòu)件，最大彎矩為4063N·m，最大剪力為13137N，最大軸力為13137N。當(dāng)最大彎矩為4063N