簡述固定管道支架水平推力在設(shè)計中的簡化計算

簡述固定管道支架水平推力在設(shè)計中的簡化計算摘要：管道支架作為工業(yè)設(shè)備的附屬構(gòu)筑物，在設(shè)計中的結(jié)構(gòu)等級較低，結(jié)構(gòu)型式也比較簡單。但與工廠的其它建構(gòu)筑物相比，其荷載情況較為復雜，其水平推力，尤其是固定支架受到的水平推力，一直是設(shè)計中的計算難點。筆者根據(jù)多年工廠設(shè)計實踐，根據(jù)相關(guān)規(guī)范結(jié)合個人的設(shè)計經(jīng)驗，給出較為簡明實用的固定管道支架的計算方法，對工業(yè)項目中管道支架設(shè)計具有一定的指導意義。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點的管道支架。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：風荷載、雪荷載、積灰荷載、施工荷載、地震作用力及管道變形對支架產(chǎn)生的水平推力，其中風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，也要考慮整個管道及支架系統(tǒng)的受力和協(xié)調(diào)變形，在計算過程中要充分考慮支架的布置、結(jié)構(gòu)型式和支架類別。因此，固定管道支架設(shè)計過程中，管道變形產(chǎn)生的水平推力計算一直都是計算難點。本文依據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范，根據(jù)多年設(shè)計總結(jié)的經(jīng)驗，對不同布置型式下的的固定管道支架水平推力提出簡化計算方法。二、 固定支架受的水平推力計算基本理論一般來說，固定支架宜設(shè)置為剛性支架。對較小管徑的管道，當固定支架位于一段長直管道中部時，考慮到支架兩側(cè)受到的水平推力可基本抵消時，也可按柔性支架設(shè)計。為減小管道和支架的受力，需根據(jù)管道的布置情況適當設(shè)計變形補償。對自然補償，管道彎頭的臨近支架不應(yīng)設(shè)固定點，而與波紋補償器最近的支架必須設(shè)置固定點。設(shè)計師根據(jù)工藝專業(yè)提資確定支架的型式，進而計算支架的水平推力。根據(jù)變形協(xié)調(diào)方程，管道的實際變形量：式1式中：--管道實際變形量；--在溫差作用下管道的理論伸長量，；--自然補償或補償器產(chǎn)生的變形量；--管道支架水平受到的水平推力；--管道計算長度；--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。對于固定支架，管道與支架協(xié)調(diào)變形。對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算公式為：式2式中：H--支架高度；I--支架慣性矩。對于單個固定支架，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)計中，由于固定支架一般為剛性支架，其慣性矩計算相對復雜，在設(shè)計中需要根據(jù)計算情況對支架構(gòu)件進行調(diào)整，因此支架的剛度難以準確計算。為簡化計算，在設(shè)計時應(yīng)根據(jù)支架的變形情況對式3進行簡化。三、不同工況的固定管道支架水平推力簡化計算3.1設(shè)置補償?shù)墓潭ㄖЪ芩酵屏τ嬎銓υO(shè)置補償?shù)墓艿缹?yīng)的固定支架，考慮到管道的變形相對較小，而支架的剛度較大，在管道變形產(chǎn)生的水平推力作用下，可以認為固定支架在水平推力作用下沒有發(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抵抗。因此，固定支架受到的水平推力實際為管道設(shè)置補償后變形產(chǎn)生的軸力。因此，設(shè)置補償?shù)墓潭ㄖЪ芩酵屏τ嬎愎娇杀磉_如下：式4式中：a--管道線膨脹系數(shù)；At--管道施工與管道運行時的溫差；L--管道計算長度；E--管道彈性模量；A--管道凈斷面面積；A補--補償產(chǎn)生的變形量。（1） 自然補償在管道設(shè)計時，對管徑較小且直線長度較長的管道，為避免管道產(chǎn)生過大的變形，會設(shè)置自然補償（也稱彎頭補償）。此時，管道的實際變形應(yīng)為管道理論變形與自然補償產(chǎn)生的變形差值。支架受到的水平推力根據(jù)式4計算，式中自然補償產(chǎn)生的變形可由《動力管道設(shè)計手冊》中相關(guān)內(nèi)容計算，本文不再贅述。（2） 補償器補償而對于管徑較大且長度較長的管道，在管道與支架的固定點附近會設(shè)置補償器以調(diào)整管道伸縮量。因補償器選型時會充分考慮管道的變形量，因此對于設(shè)置補償器的固定管道支架，其水平推力可按補償器的最大受荷能力并根據(jù)固定支架的數(shù)量進行考慮。補償器的最大受荷能力可根據(jù)其參數(shù)查得，其計算公式為：式5式中：Pe--補償器最大受荷能力；K--補償器彈性系數(shù)；--補償器設(shè)計最大變形量。當設(shè)置補償器時，管道和支架的布置型式?jīng)Q定固定支架所受水平推力。對補償器位于兩個固定管道支架之間的情況，單個固定支架受到的水平推力可按補償器的最大受荷能力的一半考慮；對同時設(shè)置自然補償和補償器，且僅在補償器附近設(shè)置有固定點的情況，固定支架可不考慮自然補償對水平推力的影響，其受到的水平推力按補償器的最大受荷能力考慮。3.2無補償?shù)墓潭ㄖЪ芩酵屏τ嬎銓τ诠軓捷^小且工作溫度較低的管道，設(shè)計時可根據(jù)實際情況不設(shè)置補償，固定管道支架水平推力計算時，也可不考慮管道轉(zhuǎn)彎處產(chǎn)生的自然補償。此時，管道在溫差作用下產(chǎn)生的荷載全部由管道支架承擔。當不考慮活動支架承擔的水平荷載時，固定支架所承擔的水平推力按式3可得：式6因在支架結(jié)構(gòu)設(shè)計時，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。當固定支架為柔性支架時，其慣性矩可手算得出；當固定支架為剛性支架，其慣性矩計算較為復雜。由于固定支架一般為剛性支架，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可采取如下方法計算支架剛度和水平推力：（1） 在計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可計算出支架剛度；（2） 將剛度代入式6計算水平推力，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（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，對固定支架的水平推力計算，應(yīng)綜合考慮管道設(shè)計與支架布置的情況。常見的固定支架受到的水平推力可參考表1進行計算。表1不同情況下固定支架水平推力簡化計算表本文依據(jù)力學理論和相關(guān)規(guī)范，根據(jù)個人設(shè)計經(jīng)驗，對管道支架受到的水平推力計算進行了總結(jié)和簡化，對管道支架設(shè)計具有一定的指導意義。本文所提出的簡化計算公式僅適用于支撐單根管道的管道支架，對支撐多層管道的支架，在設(shè)計過程中應(yīng)考慮其他管道對主動管的牽制系