管道支吊架設計及計算

1、淺談管道門字型支吊架的設計及計算文 摘】 用來支撐管道的結構叫管道支吊架，管道在敷設時都必須對管子進行固定或支承， 固定或支承管子的構件是支吊架。在機電工程里，管道支架是分布廣、數(shù)量大、種類繁 多的安裝工事， 同時管道支吊架的設計和安裝對管道及其附件施工質量的好壞取決定性 作用。如何采用安全適用、經(jīng)濟合理、整齊美觀的管道支吊架是機電安裝工程的一個重 點。】 管道布置 管道跨距 管架分析 管架內(nèi)力計算、 管道的布置對管道進行合理的深化和布置是管道支吊架設計的前提條件。欲設計安全使用、經(jīng)濟合理、 整潔美觀的管道支吊架，首先需對管道進行合理的布置，其布置不得不考慮以下參數(shù)：1. 管道布置設計應符合各

2、種工藝管道及系統(tǒng)流程的要求；2. 管道布置應統(tǒng)籌規(guī)劃，做到安全可靠、經(jīng)濟合理、滿足施工、操作、維修等方面的要 求，并力求整齊美觀；3. 在確定進出裝置（單元）的管道的方位與敷設方式時，應做到內(nèi)外協(xié)調；4. 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）不應小于。5. 輸送介質對距離、角度、高差等有特殊要求的管道以及大直徑管道的布置，應符合設 備布置設計的要求，并力求短而直，切勿交叉；6. 地上的管道宜敷設在管架或管墩上，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；7. 管道布置應使管道系統(tǒng)具有必要的柔性，在保證管道柔性及管道對設備、機泵管口作 用力和

3、力矩不超出過允許值的惰況下，應使管道最短，組成件最少；8. 應在管道規(guī)劃的同時考慮其支承點設置，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小于，同時應盡量考慮利用管道的自然形狀達 到自行補償；9. 管道布置宜做到 “步步高 ”或 “步步低 ”，減少氣袋或液袋。 不可避免時應根據(jù)操作、 檢修 要求設置放空、放凈。、 管架跨距管架的跨距的大小直接決定著管架的數(shù)量。 跨距太小造成管架過密， 管架數(shù)量增多， 費用增 高，故需在保證管道安全和正常運行的前提下，盡可能增大管道的跨距， 降低工程費用。但是管 架跨距又受管道材質、截面剛度、管道其它作用何載和允許撓度等的影響，不

4、可能無限的擴大。 所以設計管道的支吊架應先確定管架的最大跨距， 管架的最大允許跨距計算應按強度和剛度兩個 條件分別計算，取其小值作為推薦的最大允許跨距。1. 按強度條件計算的管架最大跨距的計算公式：Lmax 管架最大允許跨距（ m）q管道長度計算荷載（N/m ） ,q=管材重+保溫重+附加重W 管道截面抗彎系數(shù)（cm3）一一管道橫向焊縫系數(shù)，取0.75 t鋼管許用應力鋼管許用應力（N/mm2 ）2. 按剛度條件計算的管架最大跨距的計算公式：Lmax管架最大允許跨距（m）q管道長度計算荷載（N/m ） ,q=管材重+保溫重+附加重Et 剛性彈性模量（N/mm2）I 管道截面慣性矩（cm4）i0

5、管道放水坡度，取0.0023. 例：采用48K的離心玻璃棉保溫，保溫厚度為的冷凍水管，其管道規(guī)格為$ 325X 8縫鋼管，其最大允許管道間距為多少？管道長度荷載q=7850 >3.14 以.008 （0.325-0.008）+ 1000 >3.14 >（0.325-0.008 2）274+48 冰14 0.05 >（0.325+0.05）=/m=1402.90 N/m查相關資料得：管道截面抗彎系數(shù) W=3鋼管許用應力5 t =112管道截面慣性矩1=4剛性彈性模量 Et=2.1 >105 N/mm2根據(jù)以上公式分別計算得強度條件下的Lmax1 =根據(jù)以上公式分別計

6、算得剛度條件下的Lmax2=取最小值，故該管道的最大允許管道間距為4. 根據(jù)相關規(guī)范規(guī)定的管道支吊架最大間距確定管道最大允許跨度，如通風與空調工程施工質量驗收規(guī)范GB50243-2002表鋼管道支、吊架的最大間距公稱直徑（mm1520253240507080100125150200250300支架 的最 大間 距（m）L11.52.02.52.53.03.54.05.05.05.56.57.58.59.5L22.53.03.54.04.55.06.06.56.57.57.59.09.510.5對大于300 （mm的管道可參考 300 （mm管道注：1適用于工作壓力不大于2.0MPA,不保溫或保

7、溫材料密度不大于200kg/m3的管道系統(tǒng)。2 L 1用于保溫管道，L2用于不保溫管道。三、管架分析1. 管道支吊架介紹用來支撐管道的結構叫管道支吊架，管道在敷設時都必須對管道進行固定或支撐，固定或支撐管子的構件是支吊架。管道支吊架一般由管座、管架柱或管架吊桿（簡稱柱或吊桿）、管架梁（簡稱梁）和支撐節(jié)點組成。2. 管架荷載分析（1） 垂直荷載管道支吊架垂直荷載根據(jù)性質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、介質重力、保溫層等附件的重力等永久性荷載?？勺?垂直荷載指管道所承受的活荷載、沉積物重力和發(fā)生地震時所應該承受的特殊變化的荷載。因可變垂直荷載是無法

8、精確計算的，為此我們將管道支吊架的基本垂直荷載乘以一個經(jīng)驗 系數(shù)（一般為1.21.4）作為管架垂直方向的計算荷載。管道支吊架基本垂直荷載計算，可先將復雜的管道支架體系近似的看作簡支梁，根據(jù)受力分析，管架 B 所承受的基本垂直荷載為GB =（GL1+ GL1）/2因管道支吊架在一個工程里數(shù)量種類繁多，不可能一一計算，為此我們只需考慮同類 型支架的最不利受力狀況即可，根據(jù)管道支吊架的最大允許跨度來計算最不利支架，此時 就只需計算長度為最大允許跨度 L 的管道、介質、保溫層的重力 GB 即可。其重力方向的計算荷載為G=a GB（ a =1.21.4（2） 水平荷載 管道水平方向的荷載是作用在管架上的

9、水平推力，根據(jù)支架類型可分為活動管架上的 水平推力和固定管架上的水平推力。a. 活動管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f=卩G （卩為摩擦系數(shù)，G為管道垂直荷載）b. 固定支架的水平推力主要來自補償器的彈性變形力。采用補償器補償?shù)墓艿溃渥饔迷诠潭ü芗苌系乃酵屏檠a償器被壓縮或拉伸所產(chǎn) 生的反彈力。水平推力=補償器反彈力 T=nA L （ n為補償器的彈性模量，AL為補償器發(fā)生的變形長度）采用自然補償?shù)墓艿?，是利用管道的自然彎曲形狀所具有的柔性以補償管道的熱脹和 冷縮位移，如圖所示。固定支架變形管道長度為L,補償臂管道長為 Lb管道安裝溫度按t考慮，管

10、道工作溫度為t,故鋼管材質的管道會在溫度變化下縮短A L= aXA TX L（式中a為鋼管的線膨脹系數(shù)，A T為溫差，L為固定支架變形管道長度 ）故作用在管道補償上的推力為T=3A LEI/Lb3（ E為管道的彈性模量，I為管道的慣性矩）四、 管架受力計算示例根據(jù)以上管架的受力分析，現(xiàn)以上海環(huán)球金融中心低區(qū)空調水主干管進行分析計算如下圖所示，現(xiàn)有2根DN400冷水管，管材為無縫鋼管 $ 426X9工作溫度為7 ; 2根 DN200熱 水管，管材為無縫鋼管 $ 219X6工作溫度為50，1根DN100蒸汽管道，管材為無縫鋼管 $ 108X5 工作溫度為，請對該管組的防晃支架進行受力分析。根據(jù)規(guī)范

11、，因DN100的管架最大跨距為，故該管組設置的共用支架最大跨距為，由此根據(jù)最不利情況支架間距為分析管架的受力。1. 管道垂直方向的計算荷載計算（1）DN400 單根管道作用在管架上的計算荷載DN400單根管道垂直方向的基本荷載（支吊架間距為）鋼管重量=7850X（0.426-0.008） X008 X5X3.14 X.8=4039N保溫重量=48X（0.426+0.05） X.05 X5X3.14 X.8=176N介質重量=1000X（0.426-0.008 2）2 X5X3.14 >9.8/4=6466N單根管段計算荷載=（鋼管重量+保溫重量+介質重量）羽.35 （考慮35%可變荷載。

12、）單根 DN400 冷水管道計算荷載 G400 =（ 4039+176+6466 ） %.35 = 14420N（2）DN200 單根管道作用在管架上的計算荷載DN200單根管道垂直方向的基本荷載（支吊架間距為）鋼管重量=7850X(0.219-0.006) (X006 >5X3.14 >9.8=1544N保溫重量=48X(0.219+0.05) X.05 X5X3.14 X.8=100N介質重量=1000X(0.219-0.006 2)2 X5X3.14 X9.8/4=1649N單根管段計算荷載=(鋼管重量+保溫重量+介質重量)羽.35 (考慮35%可變荷載。)單根 DN200

13、熱水管道計算荷載 G200 =( 1544+100+1649 ) %.35 = 4446N(3) DN100 單根管道作用在管架上的計算荷載DN100單根管道垂直方向的基本荷載(支吊架間距為)鋼管重量=7850X(0.108-0.005) 0<005 X5X3.14 X9.8=623N保溫重量=48 X(0.108+0.05) 0.05 X5X3.14 X9.8=59N介質重量=1000 X (0.108-0.005 2)2 X5 X3.14 X9.8/4=370N(考慮蒸汽管道水壓試驗時管道內(nèi)介質的重量。)單根管段計算荷載=(鋼管重量+保溫重量+介質重量)羽.35(考慮35%可變荷載。

14、)單根 DN100 蒸汽管道計算荷載 G100 =( 623+59+370 ) X1.35= 1421N2. 管道水平方向的計算荷載由于該管架為活動支架，所以管架水平方向的受力為管道在管架上滑動摩擦力。DN400 管道的水平推力DN200 管道的水平推力DN400 管道的水平推力3. 管架受力平面圖T400=f400=卩 G400=0.3 X 14420=4326NT200=f200=卩 G200=0.3 X 4446=1334NT100=0五、 管架梁選型 根據(jù)管架梁的受力分析，管架梁在管道重力下或在管道推力作用下，有可能出現(xiàn)2種現(xiàn)象，一是管架梁會沿著受力方向被剪斷， 另一種是管架梁會沿著受

15、力方向發(fā)生過大彎曲變形， 嚴重的 會發(fā)生彎曲折斷。所以合理的選擇管架梁就是使管架梁能剛好滿足梁的抗彎和抗剪要求。1. 管架梁內(nèi)力分析將管架假設為剛性結構的簡支梁， 分別根據(jù)管架梁的垂直受力和水平受力情況， 按照平面簡 支梁進行內(nèi)力分析， 并根據(jù)靜力方程求得管架梁的內(nèi)力， 并繪制梁的剪力圖和彎矩圖， 求出最大 剪力和最大彎矩。根據(jù)以上示例管架受力分析得得到管架梁垂直方向的最大彎矩為17715N- m，最大剪力為24843N管架梁水平方向的最大彎矩為3155N-m，最大剪力為5521N2. 管架梁選型(1) 管架梁抗彎強度計算 管架梁的最大彎矩計算得出后，根據(jù)以下公式對管架梁的材料規(guī)格型號進行選擇

16、：式中： rx 、 ry 截面塑性發(fā)展系數(shù)，一般型鋼取 1.05Mx、My 所驗算梁截面繞 X軸和繞Y軸的最大彎矩(Nm) Wnx、Wny 所驗算梁截面對 X軸和對Y軸的截面系數(shù)(cm3) (T鋼材的抗拉強度，一般型鋼鋼材取210MPa采用驗算法將初步估計型鋼規(guī)格所對應的截面系數(shù)代入以上公式進行驗算，滿足該方程的型鋼可作為管架梁的備選材料。 現(xiàn)仍將以上示例管架為例， 依據(jù)管架梁的最大彎矩， 對管架梁的材 料進行選型：管架梁選型計算表序號材料名稱規(guī)格X軸方向最 大彎矩Mx(N.m)X軸方向截 面系數(shù)Wnx(cm3)Y軸方向最 大彎矩My(N.m)Y軸方向截 面系數(shù)Wny(cm3)_ 1.5M x

17、-1.5My J-1.5M x 1.5M y比較0.85 X 210型鋼比重rxWnxryWnyrxWnxryWny1角鋼200X 16177151633155163155.2627.65182.91不滿足48.682角鋼200X 18177151823155182139.0524.76163.81不滿足54.4013槽鋼280a17715340315535.774.43126.25200.68不滿足31.4274槽鋼280c17715393315540.364.39111.84176.23滿足40.2195工字鋼22b17715325315542.777.87105.55183.42不滿足3

18、6.5426工字鋼25a17715402315548.362.9593.32156.27滿足38.1057H型鋼125X 125X 6.5 X917715136315547186.0895.90281.98不滿足23.88H型鋼150X 150X7X 1017715221315575114.5160.10174.61滿足31.99角鋼160X 14背面拼裝17715181.93155181.9139.1324.78163.90滿足67.9741020a槽鋼背面拼裝17715356315548.471.0993.12164.21滿足45.274由管架梁選型計算表得岀，角鋼200X18、槽鋼、工字鋼、H型鋼150X150X7X10或2根角鋼160 X14背面拼裝、2根槽鋼背面拼裝均滿足彎矩承重要求，因H型鋼150 X150 X7X10比重最小，從經(jīng)濟方面我們暫定 H型鋼150X150X7X10作為管架梁。(2)管架梁抗剪強度校驗根據(jù)管架梁的抗彎強度計算所選出的支架，還需檢驗其是否滿足管架梁的剪切要求。參照如下公式對管道所承受的剪力進行校驗。式中：T 剪