管道支吊架設(shè)計(jì)及計(jì)算

1、淺談管道門字型支吊架的設(shè)計(jì)及計(jì)算【文摘】用來支撐管道的結(jié)構(gòu)叫管道支吊架，管道在敷設(shè)時(shí)都必須對管子進(jìn)行固定或支承， 固定或支承管子的構(gòu)件是支吊架。 在機(jī)電工程里， 管道支架 是分布廣、數(shù)量大、種類繁多的安裝匸事，同時(shí)管道支吊架的設(shè)計(jì)和安裝 對管道及其附件施工質(zhì)量的好壞取決定性作用。如何采用安全適用、經(jīng)濟(jì) 合理、整齊美觀的管道支吊架是機(jī)電安裝工程的一個(gè)重點(diǎn)?！娟P(guān)鍵詞】 管道布置 管道跨距 管架分析 管架內(nèi)力計(jì)算一、管道的布置對管道進(jìn)行合理的深化和布置是管道支吊架設(shè)計(jì)的前提條件。 欲設(shè)計(jì)安全使 用、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，其如置 不得不考慮以下參數(shù)：1. 管道布置

2、設(shè)計(jì)應(yīng)符合各種工藝管道及系統(tǒng)流程的要求；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；3. 在確定進(jìn)出裝置（單元）的管道的方位與敷設(shè)方式時(shí)，應(yīng)做到內(nèi)外協(xié)調(diào)；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(yīng)小于 50mmo5. 輸送介質(zhì)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(yīng)符合設(shè)備布置設(shè)計(jì)的要求，并力求短而直，切勿交叉；6. 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(shí)，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(yīng)使管道系統(tǒng)具有必要的柔性，在保證管道柔性及管道

3、對設(shè)備、機(jī)泵管口作用力和力矩不超出過允許值的惰況下， 應(yīng)使管道最短， 組成件 最少；8. 應(yīng)在管道規(guī)劃的同時(shí)考慮其支承點(diǎn)設(shè)置， 并盡量將管道布置在距可靠支撐 點(diǎn)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(shí)應(yīng)盡 量考慮利用管道的自然形狀達(dá)到自行補(bǔ)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(shí) 應(yīng)根據(jù)操作、檢修要求設(shè)置放空、放凈。二、管架跨距管架的跨距的大小直接決定著管架的數(shù)量?？缇嗵≡斐晒芗苓^密，管架數(shù) 量增多，費(fèi)用增高，故需在保證管道安全和正常運(yùn)行的前提下，盡可能增大管道 的跨距，降低工程費(fèi)用。但是管架跨距又受管道材質(zhì)、截面剛度、管道其它作用

4、何載和允許撓度等的影響，不可能無限的擴(kuò)大。所以設(shè)計(jì)管道的支吊架應(yīng)先確定 管架的最大跨葩，管架的最大允許跨葩計(jì)算應(yīng)按強(qiáng)度和剛度兩個(gè)條件分別計(jì)算， 取其小值作為推薦的最大允許跨距。1. 按強(qiáng)度條件計(jì)算的管架最大跨距的計(jì)算公式：U：一一管架最大允許跨距(m)q一管道長度計(jì)算荷載(N/m) ,q 二管材重+保溫重+附加重W 一一管道截面抗彎系數(shù)(cm3)一一管道橫向焊縫系數(shù)，取鋼管許用應(yīng)力一一鋼管許用應(yīng)力(N/mn?)2. 按剛度條件計(jì)算的管架最大跨距的計(jì)算公式:U.一一管架最大允許跨距（m）Q 一一管道長度計(jì)算荷載（N/m） ,q 二管材重+保溫重+附加重Et-剛性彈性模量（N/mm）I一一管道截面

5、慣性矩（cm1）io管道放水坡度，取3. 例：采用 48K 的離心玻璃棉保溫，保溫厚度為 50mm 的冷凍水管，其管道規(guī)格為1）325X8 無縫鋼管，其最大允許管道間距為多少管道長度荷載q 二 7850X X X +1000 X X 140. 29kg N/m查相關(guān)資料得：管道截面抗彎系數(shù) W 二 616 cm3鋼管許用應(yīng)力6* =112管道截面慣性矩 1=10016 cm*剛性彈性模量 E.= X105N/mm：根據(jù)以上公式分別計(jì)算得強(qiáng)度條件下的 Lnasl=13. 14m根據(jù)以上公式分別計(jì)算得剛度條件下的 L云二 27. 40m取最小值，故該管道的最大允許管道間距為 13. 14m4. 根

6、據(jù)相關(guān)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(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范GB50243-2002表 9. 3.8 鋼管道支、吊架的最大間距公稱直徑15202532405070 80100125150200250300(mm)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，不保溫或保溫材料密度不大于 200kg/m3的管道系統(tǒng)。2用于保溫管道，L?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(jié)構(gòu)叫管道支吊架， 管道在敷設(shè)時(shí)都必須對管道進(jìn)行固定或 支撐，固定或支撐管子的構(gòu)件是支吊架。管道支吊架一般由管座、管架柱或管架 吊桿（簡

7、稱柱或吊桿）、管架梁（簡稱梁）和支撐節(jié)點(diǎn)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(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、保溫層等附件 的重力等永久性荷載?？勺兇怪焙奢d指管道所承受的活荷載、沉積物重力和 發(fā)生地震時(shí)所應(yīng)該承受的特殊變化的荷載。因可變垂直荷載是無法精確計(jì)算 的，為此我們將管道支吊架的基本垂直荷載乘以一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（一般為 作為管架垂直方向的計(jì)算荷載。管道支吊架基本垂直荷載計(jì)算，可先將復(fù)雜的管道支架體系近似的看作LL2)架最間(m支的大距簡支梁，根據(jù)受力分析，管架 B 所承受的基本垂直荷載為&二（氐+ G

8、J/2因管道支吊架在一個(gè)工程里數(shù)量種類繁多，不可能一一計(jì)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(jì)算最不利支架，此時(shí)就只需計(jì)算長度為最大允許跨度 L 的管道、介質(zhì)、 保溫層的重力&即可。其重力方向的計(jì)算荷載為 G 二 a GB（ a二）（2）水平荷載管道水平方向的荷載是作用在管架上的水平推力，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=PG （U 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(bǔ)償器的彈性變形力。采

9、用補(bǔ)償器補(bǔ)償?shù)墓艿?，其作用在固定管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。水平推力二補(bǔ)償器反彈力 T=n AL（ H 為補(bǔ)償器的彈性模量，A L 為補(bǔ)償器發(fā)生的變形長度）采用白然補(bǔ)償?shù)墓艿溃抢霉艿赖淖匀粡澢螤钏哂械娜嵝砸匝a(bǔ)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(bǔ)償臂管道長為匚管道安裝溫度按 tC 考慮，管道工作溫度為 t2C,故鋼管材質(zhì)的管道會 在溫度變化下縮短 L=a X ATXL（式中 a為鋼管的線膨脹系數(shù)，AT為溫差，L 為固定支架變形管道長度）故作用在管道補(bǔ)償上的推力為 T 二 3 ALEI/LJ（E 為管道的彈性模量，I 為管道的慣性矩）

10、四、管架受力計(jì)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(diào)水主干管進(jìn) 行分析計(jì)算如下圖所示，現(xiàn)有 2 根 DN400 冷水管，管材為無縫鋼管 4）426X9,工作溫度為7-14C； 2 根 DN200 熱水管， 管材為無縫鋼管 4） 219X6,工作溫度為 50-55C,1 根 DN100蒸汽管道，管材為無縫鋼管 4）108X5,工作溫度為 108C,請對該管組的防 晃支架進(jìn)行受力分析。根據(jù)規(guī)范，因 DN100 的管架最大跨距為 5m,故該管組設(shè)置的共用支架最大跨距 為5m,由此根據(jù)最不利情況支架間距為 5m 分析管架的受力。1. 管道垂直方向的計(jì)算荷載計(jì)算（DDN400 單根管

11、道作用在管架上的計(jì)算荷載DN400 單根管道垂直方向的基本荷載（支吊架間距為 5 米）鋼管重量= 7850X 保溫重量= 48X + X X5X X 二 176N介質(zhì)重量= 1000X 單根管段計(jì)算荷載=（鋼管重量+保溫重量+介質(zhì)重量）X（考慮 35%可變荷載。）單根 DN400 冷水管道計(jì)算荷載 GKX= （4039+176+6466） X=14420N（2）DN200 單根管道作用在管架上的計(jì)算荷載DN200 單根管道垂直方向的基本荷載（支吊架間距為 5 米）鋼管重量= 7850X 保溫重量= 48X + X X5X X 二 100N介質(zhì)重量= 1000X 單根管段計(jì)算荷載=（鋼管重量+保

12、溫重量+介質(zhì)重量）X（考慮 35%可變荷載。）單根 DN200 熱水管道計(jì)算荷載 GM= （1544+100+1649） X=4446N（3）DN100 單根管道作用在管架上的計(jì)算荷載DN100 單根管道垂直方向的基本荷載（支吊架間距為 5 米）鋼管重量= 7850X 保溫重量= 48X + X X5X X 二 59N介質(zhì)重量=1000X（考慮蒸汽管道水壓試驗(yàn)時(shí)管道內(nèi)介質(zhì)的重量。）單根管段計(jì)算荷載=（鋼管重量+保溫重量+介質(zhì)重量）X （考慮 35%可變荷載。）單根 DN100 蒸汽管道計(jì)算荷載（623+59+370） X=1421N2. 管道水平方向的計(jì)算荷載由于該管架為活動支架，所以管架水平

13、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 T100=f ioo= u GHO二 X 14420 二 4326NDN200 管道的水平推力 T2oo=f2oo= u G2OO=X4446=1334NDN400 管道的水平推力 險(xiǎn)。二 03. 管架受力平面圖五、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(shè)為剛性結(jié)構(gòu)的簡支梁，分別根據(jù)

14、管架梁的垂直受力和水平受力情 況，按照平面簡支梁進(jìn)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(qiáng)度計(jì)算管架梁的最大彎矩計(jì)算得出后，根據(jù)以下公式對管架梁的材料規(guī)格型號進(jìn)行 選擇：式中：、r7一一截面塑性發(fā)展系數(shù)，一般型鋼取MH、M,.-所驗(yàn)算梁截面繞 X 軸和繞 Y 軸的最大彎矩(N m)仁、W”一一所驗(yàn)算梁截面對 X軸和對 Y 軸的截面系數(shù)(cm3)

15、o 一一鋼材的抗拉強(qiáng)度，一般型鋼鋼材取 210MPa采用驗(yàn)算法將初步估計(jì)型鋼規(guī)格所對應(yīng)的截面系數(shù)代入以上公式進(jìn)行驗(yàn)算， 滿足該方程的型鋼可作為管架梁的備選材料?，F(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(jìn)行選型：管架梁選型計(jì)算表1角鋼 200X16177151633155163不滿足2角鋼 200X18177151823155182不滿足3槽鋼280a177153403155不滿足4槽鋼280c177153933155滿足5工字鋼22b177153253155不滿足6工字鋼25a177154023155滿足7H 型鋼125 X125 XX917715136315547不滿足

16、8H 型鋼150 X150X7X1017715221315575滿足9角鋼 160足背面拼裝1020a 槽鋼背面拼裝177153563155滿足由管架梁選型計(jì)算表得出，角鋼 200X18、槽鋼 280c、工字鋼 25a、H 型鋼 150X150X7X10 或 2 根角鋼 160X14 背面拼裝、2根 20a 槽鋼背面拼裝均滿足彎矩承重 要求，因 H 型鋼 150X150X7X10 比重最小，從經(jīng)濟(jì)方面我們暫定 H 型鋼 150X150X 7X10作為管架梁。（2）管架梁抗剪強(qiáng)度校驗(yàn)根據(jù)管架梁的抗彎強(qiáng)度計(jì)算所選出的支架，還需檢驗(yàn)其是否滿足管架梁的剪 切要求。參照如下公式

17、對管道所承受的剪力進(jìn)行校驗(yàn)。式中：T抗剪強(qiáng)度憶、V7梁所承受的 X 軸方向、Y 軸方向的最大剪力（N）S- 梁截面面積（m）一一鋼材的抗拉強(qiáng)度，一般型鋼鋼材取 160MPa參照以上示例對所選擇的管架梁進(jìn)行抗剪校驗(yàn)故改型鋼滿足抗剪要求，所以管架梁采用 H 型鋼 150X150X7X 10o六、管架柱選型根據(jù)管架梁的受力分析，為滿足管架梁所受管道重力和水平推立的平衡，管架柱（或吊桿）給予管架梁一個(gè)支反力來維持管架梁及梁上各管道的平衡。我們由此梁的支反力對管架柱（或吊桿）進(jìn)行選型。根據(jù)分析，管架柱的受力有 2個(gè),一個(gè)是垂直方向的拉力(或壓力)，另一個(gè)是水平方向的推力。1. 管架柱的橫截面計(jì)算公式S二 O)式中 S 為管架柱的最小截面積，R 為管架柱豎直方向的拉力或壓力,。為鋼材的抗拉強(qiáng)度，一般型鋼鋼材取 210MPa所以以上示例中管架柱的最小