管道支吊架設(shè)計(jì)和計(jì)算

-.z.淺談管道門字型支吊架的設(shè)計(jì)及計(jì)算【文摘】用來支撐管道的構(gòu)造叫管道支吊架，管道在敷設(shè)時(shí)都必須對(duì)管子進(jìn)展固定或支承，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、種類繁多的安裝工事，同時(shí)管道支吊架的設(shè)計(jì)和安裝對(duì)管道及其附件施工質(zhì)量的好壞取決定性作用。如何采用平安適用、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力計(jì)算管道的布置對(duì)管道進(jìn)展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)平安使用、經(jīng)濟(jì)合理、整潔美觀的管道支吊架，首先需對(duì)管道進(jìn)展合理的布置，其布置不得不考慮以下參數(shù)：管道布置設(shè)計(jì)應(yīng)符合各種工藝管道及系統(tǒng)流程的要求；管道布置應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃，做到平安可靠、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；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)做到外協(xié)調(diào)；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50mm。輸送介質(zhì)對(duì)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，切勿穿插；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；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對(duì)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；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，但管道外外表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到達(dá)自行補(bǔ)償；管道布置宜做到"步步高〞或"步步低〞，減少氣袋或液袋。不可防止時(shí)應(yīng)根據(jù)操作、檢修要求設(shè)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?？缇嗵≡斐晒芗苓^密，管架數(shù)量增多，費(fèi)用增高，故需在保證管道平安和正常運(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、管道其它作用何載和允許撓度等的影響，不可能無(wú)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距，管架的最大允許跨距計(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。按強(qiáng)度條件計(jì)算的管架最大跨距的計(jì)算公式：Lma*——管架最大允許跨距〔m〕q——管道長(zhǎng)度計(jì)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〕Φ——管道橫向焊縫系數(shù)，取0.7[δ]t鋼管許用應(yīng)力——鋼管許用應(yīng)力〔N/mm2〕按剛度條件計(jì)算的管架最大跨距的計(jì)算公式：Lma*——管架最大允許跨距〔m〕q——管道長(zhǎng)度計(jì)算荷載〔N/m〕,q=管材重+保溫重+附加重Et——?jiǎng)傂詮椥阅Ａ俊睳/mm2〕I——管道截面慣性矩〔cm4〕i0——管道放水坡度，取0.002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φ325×8無(wú)縫鋼管，其最大允許管道間距為多少？管道長(zhǎng)度荷載q=7850×3.14×0.008×(0.325-0.008)+1000×3.14××2)2/4+48×3.14×0.05×(0.325+0.05)=140.29kg/m=1402.90N/m查相關(guān)資料得：管道截面抗彎系數(shù)W=616cm3鋼管許用應(yīng)力[δ]t=112管道截面慣性矩I=10016cm4剛性彈性模量Et=2.1×105N/mm2根據(jù)以上公式分別計(jì)算得強(qiáng)度條件下的Lma*1=13.14m根據(jù)以上公式分別計(jì)算得剛度條件下的Lma*2=27.40m取最小值，故該管道的最大允許管道間距為13.14m根據(jù)相關(guān)規(guī)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)"GB50243-2002表鋼管道支、吊架的最大間距公稱直徑〔mm〕1520253240507080100125150200250300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(duì)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，不保溫或保溫材料密度不大于200kg/m3的管道系統(tǒng)。

2L1用于保溫管道，L2用于不保溫管道。管架分析管道支吊架介紹用來支撐管道的構(gòu)造叫管道支吊架，管道在敷設(shè)時(shí)都必須對(duì)管道進(jìn)展固定或支撐，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(jiǎn)稱柱或吊桿〕、管架梁〔簡(jiǎn)稱梁〕和支撐節(jié)點(diǎn)組成。管架荷載分析垂直荷載管道支吊架垂直荷載根據(jù)性質(zhì)可分為根本垂直荷載和可變垂直荷載，其中根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。可變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(shí)所應(yīng)該承受的特殊變化的荷載。因可變垂直荷載是無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算的，為此我們將管道支吊架的根本垂直荷載乘以一個(gè)經(jīng)歷系數(shù)〔一般為1.2~1.4〕作為管架垂直方向的計(jì)算荷載。管道支吊架根本垂直荷載計(jì)算，可先將復(fù)雜的管道支架體系近似的看作簡(jiǎn)支梁，根據(jù)受力分析，管架B所承受的根本垂直荷載為GB‘=(GL1+GL1)/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(zhǎng)度為最大允許跨度L的管道、介質(zhì)、保溫層的重力GB即可。其重力方向的計(jì)算荷載為G=αGB〔α=1.2~1.4〕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(dòng)管架上的水平推力和固定管架上的水平推力。a.活動(dòng)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=μG〔μ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=補(bǔ)償器反彈力T=ηΔL〔η為補(bǔ)償器的彈性模量，ΔL為補(bǔ)償器發(fā)生的變形長(zhǎng)度〕采用自然補(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，如下圖。固定支架變形管道長(zhǎng)度為L(zhǎng)，補(bǔ)償臂管道長(zhǎng)為L(zhǎng)b管道安裝溫度按t1℃考慮，管道工作溫度為t2℃，故鋼管材質(zhì)的管道會(huì)在溫度變化下縮短ΔL=α×ΔT×L(式中α為鋼管的線膨脹系數(shù)，故作用在管道補(bǔ)償上的推力為T=3ΔLEI/Lb3〔E為管道的彈性模量，I為管道的慣性矩〕管架受力計(jì)算例如根據(jù)以上管架的受力分析，現(xiàn)以環(huán)球金融中心低區(qū)空調(diào)水主干管進(jìn)展分析計(jì)算如下列圖所示，現(xiàn)有2根DN400冷水管，管材為無(wú)縫鋼管φ426×9，工作溫度為7-14℃；2根DN200熱水管，管材為無(wú)縫鋼管φ219×6，工作溫度為50-55℃，1根DN100蒸汽管道，管材為無(wú)縫鋼管φ108×5，工作溫度為108根據(jù)規(guī)，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。管道垂直方向的計(jì)算荷載計(jì)算(1)DN400單根管道作用在管架上的計(jì)算荷載DN400單根管道垂直方向的根本荷載〔支吊架間距為5米〕鋼管重量＝7850×(0.426-0.008)×0.008×5×3.14×9.8=4039N保溫重量＝48×(0.426+0.05)×0.05×5×3.14×9.8=176N介質(zhì)重量＝1000××2)2×5×3.14×9.8/4=6466N單根管段計(jì)算荷載＝〔鋼管重量+保溫重量+介質(zhì)重量〕×1.35〔考慮35％可變荷載?！硢胃鵇N400冷水管道計(jì)算荷載G400＝〔4039+176+6466〕×1.35＝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根本荷載〔支吊架間距為5米〕鋼管重量＝7850×(0.219-0.006)×0.006×5×3.14×9.8=1544N保溫重量＝48×(0.219+0.05)×0.05×5×3.14×9.8=100N介質(zhì)重量＝1000××2)2×5×3.14×9.8/4=1649N單根管段計(jì)算荷載＝〔鋼管重量+保溫重量+介質(zhì)重量〕×1.35〔考慮35％可變荷載?！硢胃鵇N200熱水管道計(jì)算荷載G200＝〔1544+100+1649〕×1.35＝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根本荷載〔支吊架間距為5米〕鋼管重量＝7850×(0.108-0.005)×0.005×5×3.14×9.8=623N保溫重量＝48×(0.108+0.05)×0.05×5×3.14×9.8=59N介質(zhì)重量＝1000××2)2×5×3.14×9.8/4=370N〔考慮蒸汽管道水壓試驗(yàn)時(shí)管道介質(zhì)的重量?！硢胃芏斡?jì)算荷載＝〔鋼管重量+保溫重量+介質(zhì)重量〕×1.35〔考慮35％可變荷載?！硢胃鵇N100蒸汽管道計(jì)算荷載G100＝〔623+59+370〕×1.35＝1421N管道水平方向的計(jì)算荷載由于該管架為活動(dòng)支架，所以管架水平方向的受力為管道在管架上滑動(dòng)摩擦力。DN400管道的水平推力T400=f400=μG400=0.3×14420=4326NDN200管道的水平推力T200=f200=μG200=0.3×4446=1334NDN400管道的水平推力T100=0管架受力平面圖管架梁選型根據(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(huì)沿著受力方向被剪斷，另一種是管架梁會(huì)沿著受力方向發(fā)生過大彎曲變形，嚴(yán)重的會(huì)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。管架梁力分析將管架假設(shè)為剛性構(gòu)造的簡(jiǎn)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(jiǎn)支梁進(jìn)展力分析，并根據(jù)靜力方程求得管架梁的力，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)以上例如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5521N管架梁選型管架梁抗彎強(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(duì)管架梁的材料規(guī)格型號(hào)進(jìn)展選擇：式中：r*、ry——截面塑性開展系數(shù)，一般型鋼取1.05M*、My——所驗(yàn)算梁截面繞*軸和繞Y軸的最大彎矩〔N·m〕Wn*、Wny——所驗(yàn)算梁截面對(duì)*軸和對(duì)Y軸的截面系數(shù)〔cm3〕σ——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(duì)應(yīng)的截面系數(shù)代入以上公式進(jìn)展驗(yàn)算，滿足該方程的型鋼可作為管架梁的備選材料?，F(xiàn)仍將以上例如管架為例，依據(jù)管架梁的最大彎矩，對(duì)管架梁的材料進(jìn)展選型：管架梁選型計(jì)算表序號(hào)材料名稱規(guī)格*軸方向最大彎矩M*(N.m)*軸方向截面系數(shù)Wn*(cm3)Y軸方向最大彎矩My(N.m)Y軸方向截面系數(shù)Wny(cm3)比擬0.85×210型鋼比重1角鋼200×16177151633155163155.2627.65182.91不滿足48.682角鋼200×18177151823155182139.0524.76163.81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36.5426工字鋼25a17715402315548.362.9593.32156.27滿足38.1057H型鋼125×125×6.5×917715136315547186.0895.90281.98不滿足23.88H型鋼150×150×7×1017715221315575114.5160.10174.61滿足31.99角鋼160×14反面拼裝17715181.93155181.9139.1324.78163.90滿足67.9741020a槽鋼反面拼裝17715356315548.471.0993.12164.21滿足45.274由管架梁選型計(jì)算表得出，角鋼200×18、槽鋼280c、工字鋼25a、H型鋼150×150×7×10或2根角鋼160×14反面拼裝、2根20a槽鋼反面拼裝均滿足彎矩承重要求，因H型鋼150×150×7×10比重最小，從經(jīng)濟(jì)方面我們暫定H型鋼150×150×7×10作為管架梁。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。參照如下公式對(duì)管道所承受的剪力進(jìn)展校驗(yàn)。式中：τ——抗剪強(qiáng)度V*、Vy——梁所承受的*軸方向、Y軸方向的最大剪力〔N〕S——梁截面面積〔m2