1、管道支架受力分析曹伟选取购物中心地下室某段压力排水管道进行受力分析：系统：压力排水材质：镀锌钢管管径：DN100管道数量：两根相邻两支架间距：6 米一、管道重量由三部分组成：按设计管架间距内的管道自重、满管水重及以上两项之合 10%的附加重量计算（管架间距管重均未计入阀门重量，当管架中有阀门时，在阀门段应采取加强措施） 。1、管道自重：由管道重量表可查得，镀锌钢管 DN100：21.64Kg/m ，支架间距按 6 米/个考虑,计算所得管重为：f1=21.64*6kg=129.84kg*10=1298.4N2.管道中水重f2=r 2 介质 l=3.14*0.1062*1000*6kg=211.6
2、88kg=2116.88N3、管道重量f=f1+f2+(f1+f2)*10%=3756.81N4、受力分析根据支架详图，考虑制造、安装等因素，系数按1.35考虑，每个支架受力为：F=3756.81*1.35/2=2535.85N假设选取50*5等边角钢（材质为Q235）做受力分析试验1）应力应变关系如下：绘制成应力应变曲线图如下：从图中可以看出，应力/应变曲率变化平缓，处于弹性应力应变行为阶段，各部位均没有发生屈服现象。由相关资料可查的50*5等边角钢的抗拉强度b=423MPa，抗剪强度r=b*0.8=338.4MPa，型钢吊杆拉伸强度小于它的抗拉强度，型钢横担小于它的抗剪强度，所以50*5等
3、边角钢可以满足使用要求。2）危险部位应力分析图中的蓝色区域为支架应变最大的地方，也即该处最容易发生变形与开裂，在设计中应对有较大变形的地方，解决办法有两个：1、加固：可以通过增加肋板来加固，在型钢焊接的地方更应该满焊以此增大接触面，从而减小开裂的可能；2、通过选择更大规格的型钢来试验，直到满足设计要求为止。通过上述例子，我们选择40*4的等边角钢来试验，通过计算和分析校核，发现可以满足使用要求，从而更加节省了型钢的用量。以上分析只考虑了垂直方向的载荷，实际上对于有压管道，同时存在水平方向的受力，所以我们分开单独分析一下二、支架水平方向受力1）补偿器的弹性反力 Pk当管道膨胀时，补偿器被压缩变形
4、，由于补偿器的刚度（对于套筒式补偿器，则由于填料的摩擦力作用） ，将产生一个抵抗压缩的力量，这个力是通过管道反作用于固定支架，这就是补偿器的弹性反力，轴向型波纹补偿器的弹性反力 Pk：Pk=XKx10 -1(kg)式中 X管道压缩变形量（即管道的热伸长量）(mm)Kx补偿器轴向整体刚度)(N/mm)其他各类补偿器可通过不同公式计算得出。2)不平衡内压力 Pn当在两个固定支架间设置套筒式及波纹补偿器时，而在其中某一固定支架的另一侧装有阀门、堵板或有弯头时，且当阀门关闭时，由于内压力的作用，将有使补偿器脱开、失效或损坏的趋势。为了保护补偿器，要求固定支架有足够的刚度和强度，这个力就是管道的不平衡内
5、压力。Pn=P0A(kg)式中 P 0热介质的工作压力（kg/cm2）A按套筒式及波纹式补偿器外径计算的横截面积（cm2）当支架布置在两不同管径之间时：Pn=P0(A1-A2)(kg)式中 A1 直径较大者补偿器横截面积（cm2）A2 直径较小者补偿器横截面积（cm2）3)管道移动的摩擦力：PmPm=qL式中 管道与支撑间的摩擦系数 的取值一般为：钢与钢滑动接触取 0.3钢与钢滚动接触取 0.1管道与土壤接触取 0.40.6q计算管段单位长度的结构荷重，N/mL管段计算长度,m当水平管道位移方向与原管道轴线方向成斜角时，摩擦力可分解为由轴向力 Pm0 及横向力 Pmh；且可近似取 Pm0=Pm
6、h=0.7Pm。3、其他影响因素5.1 管道上带有阀门的管道固定支架受力分析作用于90弯管的内压轴向推力计算在流体力学中, 对于解决流体与管壁之间的作用力时, 应用动量方程。如图1 所示, 对于一个水平放置的90弯管而言, 流体作用于弯管的合力R 可由Rx 与Ry 合成, 当弯管的流动截面不变, 并不计阻力损失时, 则Rx =Ry =Pf +QV合力R=(Pf +QV)cos45作用于90弯管的分角线上。Rx 与Ry 正是作用于延伸两方固定支架上的内压轴向推力。式中:P 弯管内介质的工作压力, Pa ；f 弯管的截面积,m2 ；弯管内介质的容重, kg/m3 ；Q 弯管内介质的流量, m3/s
7、 ；V 弯管内介质的流速, m/s方形补偿器的内压轴向推力计算:根据图2 所示, 方形补偿器可看成是由4个90弯管对接组成如所述, 每个转弯处流体对弯管都存在作用力, 每处作用力的合力记为R1 、R2 、R3 、R4 , 由理论力学可知, R1 和 R4 可合成为R14 , R2 和R3 可合成为R23 , 而R14与R23大小相等, 方向相反, 且作用于同一直线上, 它们是互相平衡的。即方形补偿器由于内压产生的作用力, 在其自身就已平衡, 不会形成对固定支架的轴向推力。虚线方框内固定支架的轴向推力计算a .原设计管线虚线方框内固定支架的轴向推力计算由图2 可知方形补偿器对固定支架不会形成轴向
8、推力, 根据固定支架所承受水平推力的三项(即摩擦反力Pm 、各种补偿器的弹性反力Pk 、不平衡轴向内压力Pn)可知, 该固定支架的轴向推力F1 可用下式表达(此时Pn =0)。F1 =1.5kq1L1 +Pk1 -0.7(1.5kq2L2 +Pk2)式中:q1 、q2 计算管段的管道单位长度重量,N/m ;L1 、L2 计算管段的长度,m ;k 牵制系数;管道与支架间的摩擦系数;Pk1 、Pk2 补偿器的弹性力,Nb .增设阀门后管线虚线方框内固定支架的轴向推力计算(阀门关闭后)当阀门打开时, 固定支架的轴向推力计算方法与F1 相同, 阀门关闭时, 根据上述可知此时固定支架的轴向推力F2 可用
9、下式表达:F2 =1.5kq1L1 +Pk1从上述两式可以看出F2 比F1 多一项0.7(1.5kq2L2 +Pk2)。因此增设阀门后, 当阀门关闭时, 固定支架轴向推力增大。5.2 管道打压未采取支撑措施固定支架的受力分析(两个施工单位分段施工、分段打压而未采取支撑措施)a .原设计管线固定支架(中间的)的轴向推力计算该固定支架仅承受卡箍式柔性管接头的弹性反力Pk 。即F1 =Pk 。b .管道打压时未采取支撑措施, 固定支架(中间的)的轴向推力计算当管道打压时, 根据对每一个工程实例的分析可知, 此时该固定支架的轴向推力F2 可用下式表达:F2 =Pk +Pn从上述两式可以看出F2 比 F
10、1 多一项不平衡内压力 Pn , 而Pn 的计算公式为:Pn =Pf在实际工作中, 使用项目若要对原有管线增设阀门、弯头等附件时, 必须对附近的固定支架进行轴向推力验算, 因为这时固定支架除了承受原有的轴向推力外, 还要承受由于系统变化(如:增设阀门)所产生的附加轴向推力, 否则将会导致固定支架损坏等事故。各项目在管道试压过程中, 特别是一条管线多个单位施工, 分段施工、分段试压时,必须对试压封头附近的固定支架轴向推力进行验算, 一般情况下, 都必须采取外力支撑来抵抗这个轴向推力, 否则将会发生事故, 造成经济损失。参考资料：建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范03S402 室内管道支架及吊架图集钢结构设计规范-新规范2014
