1、文章编号 : 1009-6825( 2012) 25-0058-02管廊式管架设计心得及对其受力的分析和探讨收稿日期 : 2012-06-29作者简介 : 孙 超 ( 1982-) ， 男 ， 助理工程师孙 超1吕秀平2( 1 北京众联盛化工工程有限公司 ， 山西 太原 030006; 2 中国科学院山西煤炭化学研究所 ， 山西 太原 030001)摘 要 : 介绍了管架的定义和分类 ， 总结了管廊式管架的设计特点 ， 并对其进行了受力分析 ， 结合工程实际探讨了管架设计中水平推力的确定 ， 强调管架设计要力求技术先进 、安全适用 、经济合理 。关键词 : 管廊 ， 纵梁 ， 桁架 ， 固定管
2、架 ， 活动管架中图分类号 : TU318 文献标识码 : A随着我国石油化工建设的迅速发展 ， 生产装置规模扩大 ， 管架设计工作越来越多 。在化工和石油化工企业内 ， 管架是支承全厂工艺生产装置和供热系统管道的主要结构 ， 它联系着全厂每个生产装置 。一个大型石油化工厂管架多达 500 个以上 ， 因此合理 、经济 、美观的管架设计就显得尤其重要 。1 管架的定义管架是支撑架空设置的管道系统中除管道外的全部结构的总称 。2 管架的分类1) 按管道在管架上的支承条件可分为 : 固定管架和活动管架两种 。活动管架又分为刚性 、柔性和铰接三种 。2) 按支撑管线高度不同分为 : 低管架 、中管架
3、和高管架 。3) 按外形分为 : T 形 ， 形 ， A 形 ， 单层 ， 双层和多层 ， 单榀框架式或组合立体框架式 。4)按纵向联系结构分为 : 纵梁式 ， 桁架式 ， 吊索式等 。工艺外管架中 ， 因其管线上支线多 ， 小管径的管道数量多 ， 且考虑到将来有可能扩建的需要 ， 故常采用管廊式管架 。3 管廊式管架设计特点和受力分析31 设计特点1) 管廊式管架是在相邻的独立式管架间设置纵向联系构件 ，如纵梁或桁架 ， 构成空间体系的结构 ， 它分为纵梁式或桁架式管架 。2) 伸缩缝间距与布置 : 全钢结构或纵梁采用钢结构 ， 柱采用钢筋混凝土结构时不大于 120 m， 全钢筋混凝土时不大
4、于 70 m; 应尽可能设置在补偿器附近 。3) 管廊宜在每个温度区段两端设置纵向柱间支撑 。4) 桁架式管架的桁架上弦宜设置交叉形水平支撑 ， 下弦宜在管架柱距左右两侧横梁区域内设置交叉形水平支撑 。5) 管廊式钢管架 ， 其节点连接一般采用焊接形式 ， 可先用安装螺栓临时固定 ， 再行施焊 ， 梁柱节点优先考虑设计成刚接节点 。6) 跨马路的净距要求 : 主马路不小于 5 m， 一般马路不小于 45 m。7) 构件的允许挠度 : 钢横梁 L/250( L 为计算跨度 ) ， 钢纵梁 L/400，钢桁架 L/500。8) 纵梁采用 H 型钢或蜂窝型钢梁 ; 纵梁或桁架与支柱的连接为铰接 。9
5、) 桁架的支座斜杆为升杆 ， 即为压杆 ， 以减小支柱的计算长度 。10) 管架设计要考虑投产后的生产技术改造 ， 增设各种管道 ， 应考虑设计余量 11 13。11) 处于严重腐蚀介质生产装置内的钢管架 、钢桁架的钢材和焊缝应乘以腐蚀折减系数 085。32 受力分析每个温度区段为一个计算单元 ， 每个计算单元内所承受的荷载有 : 1) 垂直荷载 : 永久荷载 ( 管道 、附件 、保温层 、防火层 、介质 、仪表 、电缆 、平台 、走道板自重 ) ; 活荷载 ( 2 kN/m2) ; 充水试验重 ;积灰荷载 ; 2) 风荷载 : Wk= sz0dld( 含管道和管架风荷载 ) ; 3)冰雪荷载
6、 : ( 寒冷地区管壁温度在 0 以下 ) Sk= rs0d; 4) 管道水平推力 : 由于管架设计中水平推力的确定尤其重要而且也比较复杂 ， 所以下面具体探讨一下管道水平推力的确定 。4 管廊式管架水平推力的分析和探讨纵梁式管架的管线的水平推力通过横梁传给纵梁 ， 纵梁的不平衡力由柱间支撑承受 ， 管架柱一般不承受水平推力 。41 中间管架水平推力的确定中间管架由于柱刚度不同可分为 :Fm Ff为柔性中间管架 ;FmFf为刚性中间管架 。Fm= KjGl( 作用在刚性中间管架上由于管道膨胀产生的摩擦力 ) ;qm= Fm/L( 均布在刚性中间管架横梁上的水平力 ) ;Ff=3EcIlkjH3
7、n( 钢筋混凝土 ) ;Ff=3EIlkjH3n( 钢结构 ) ( 柔性中间管架由于柱顶变位产生的弹性力 ) ;qf= Ff/L( 均布在柔性中间管架横梁上的水平力 ) 。42 固定管架横梁上水平推力值1) 管道补偿器的弹性力标准值Fb;2) 关闭阀门时由介质产生的内压力标准值Fn;3) 管道变形时 : 刚性中间管架摩擦力标准值之和ni =1Fmi， 柔性中间管架弹性力标准值之和ni =1Ffi。我公司在设计管架时由外管专业考虑了牵制系数 kj，Fb( 管道补偿器的弹性力 ) ，Fn( 关闭阀门时由介质产生的内压力 ) 等因素 ， 提出了对每个管架的作用力 。我们土建专业根据这些条件对管架受力
8、进行分析 ， 确定计算简图 ， 进行结构设计 ， 下面简述固定管架上管道水平推力确定的原理 。43 固定管架上管道水平推力的确定图 1 为一个温度区段内的管道布置图 ， 该段管架不考虑关闭阀门时由介质产生的内压力 FN。取管架 A L 为研究对象 ， 假设中间管架为刚性管架 ， 管道受热膨胀后变形至虚线位置 ， 这时产生两种力 ， 一种是管道补偿器85第 38 卷 第 25 期2 0 1 2 年 9 月山 西 建 筑SHANXI ARCHITECTUREVol38 No25Sep 2012的弹性力即 Fb1， Fb2; 另一种是管道变形时在中间管架上产生的摩擦力的反力即 Fmi。这段管道内无阀
9、门 、弯管及盲板等 ， 因此 ， 固定管架 E 上的管道水平推力 F 就等于 Fb与 Fm的合力 。图1 一个温度区段内的管道布置图Fb1 Fb2Fm1 Fm1 Fm1FFm2 Fm2 Fm2AB C D E F G HL由图 1 可以看出 ， 固定管架 E 两侧的 Fb与 Fm方向相反 。因此 :F = Fb1 Fb2+3Fm13Fm2。在 化工 、石油化工管架 、管墩设计规定 附录中考虑不平衡系数 、结构可靠度等因素给出的公式是 :F = Fb1 KbFb2+ 08(Fm1 08Fm2) 。这说明固定管架上的管道水平推力并不是将外管专业提出的该计算单元内的水平力的简单叠加 ， 而是经过分析
10、后将固定管架两侧的中间管架上的水平力相互抵消后的力 。下面通过一个具体工程实例介绍一下 : 图 2 为管架中的一段 ， 管架 D3 D9 是两个补偿器之间的一段管架 ， 作为一个温度区段 ， D6 为固定管架 ， 将工艺提出的水平荷载加上去后计算简图见图 3。图2 管架中段图12 000 12 000 12 000 3 000 12 000 15 000D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9F =50 +08 ( 3 205 08 2 205) =7296 kN。综合考虑到其他荷载后 ， 管架 D6 计算结果见图 4。其中优化结果包括对管道水平推力计算的改进 、柱计算长度允许长细比的改进 、
11、地区属于 7 度区且符合可不进行抗震验算等因素 。图3 计算简图20.5 kN 20.5 kN 20.5 kN50 kN20.5 kN 20.5 kN5500D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9图4 管架D6计算结果图175175150150KZ-1 35035012准22准8100/200KZ-1 3003008准20准8100/200a）优化前 b）优化后175175150150从以上分析可以看出管架水平推力的精确计算确实是在整个管架系统的计算中起很重要的作用 ， 同时在工程造价方面和整个厂区的美观方面也有不容忽视的作用 。5 结语管架设计要力求技术先进 ， 安全适用 ， 经济合理 ，
12、 美观大方 ，节约能源 。一套好的管架布置方案应该是工艺 、土建和总图专业共同商定 ， 在满足管道工艺安装要求 ， 躲避拟扩建预留场地 ， 尽可能减少与公路 、铁路 、河道等的交叉等要求的同时 ， 尽量达到各个管道联合起来对管架牵制作用最大的效果 。参考文献 : 1 HG-T 20670-2000， 化工 、石油化工管架 、管墩设计规定 S 2 SH/T 3055-2007， 石油化工管架设计规范 S 3 曲昭嘉 ， 王 瑾 ， 曲圣伟 简明管道支架计算及构造手册 M 北京 : 机械工业出版社 ， 2002 4 GB 50017-2003， 钢结构设计规范 S 5 李 钰 ， 李懋星 石油化工
13、生产装置工艺外管架的设计 J 化工设备与管道 ， 2005( 1) : 8-10Analysis and exploration on pipe-rack pipe frame design experience and its stressSUN Chao1LV Xiu-ping2( 1 Beijing Zhongliansheng Chemical Engineering Co ， Ltd， Taiyuan 030006， China;2 Institute of Shanxi Coal Chemistry， Chinese Academy of Sciences， Taiyuan 030
14、001， China)Abstract: The paper introduces the definition and classification of the pipe frame， sums up the design features for the pipe-rack pipe frame， un-dertakes its stress analysis， explores the identification of the horizontal thrust in the pipe frame design， and emphasizes that it should be ad
15、-vanced， safe， applicable， economical and reasonableKey words: pipe rack， longitudinal beam， purlin frame， fixed pipe frame，櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅movable pipe frame( 上接第 12 页 ) 8 沈克宁 建筑师 J 国外建筑思潮 ， 1998( 3) : 27-28 9 徐磊青 ， 杨公侠 环境心理学 M 上海 : 同济大学出版社 ，2002 10 小原二郎 ， 加藤力 ， 安藤忠
16、雄 室内空间设计手册 M 北京 : 中国建筑工业出版社 ， 2000On origins for design from perception and behaviors in buildingsXIE Qing1， 2MA Zhong-jun3( 1 Tongji University， Shanghai， 200000 China; 2 Shanghai Publishing and Printing College/Art Design Department of ShanghaiUniversity of Technology， Shanghai 200093， China; 3 Sh
17、ijiazhuang Railway College， Shijiazhuang 050000， China)Abstract: Combining with the essence of the architecture， the paper explores the origin of the design by taking the residential building as the re-search object， illustrates the design points for the behavior space and the perceptual space and s
18、ome application examples， and points out the ori-gin of the architectural design originates from the various humanistic needs， so human behavior model， the life trajectory and the psychologicalfeelings should be studied in the design for the buildingsKey words: architecture， behavior space， perceptual space， functional design95第 38 卷 第 25 期2 0 1 2 年 9 月孙 超等 : 管廊式管架设计心得及对其受力的分析和探讨
