孙普

【摘要】固定管架是管架体系中不可缺少的组成部分，固定管架除承受管道竖向荷载外，主要承受管道的水平推力，笔者通过设计过程中的体会，浅析固定管架水平受力计算时应注意的一些问题。

【关键词】固定管架纵向水平力设计优化零应力区

中图分类号：S611文献标识码： A

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可达500个以上，而固定管架除了承受管道竖向荷载外，还承受区段间产生的全部纵向水平力，不允许产生相对位移，因此固定管架的设计和优化尤为重要。

固定管架的结构形式

管架可为钢筋混凝土结构或钢结构，混凝土结构固定管架，由于混凝土梁柱本身刚度较大，能够很好的抵抗水平推力作用，因此常见的四柱式框架形式便可以满足设计要求；而钢结构固定管架一般需要设置柱间支撑和水平支撑，加强管架的纵向刚度和整体稳定，并采取一定的构造措施，防止横梁在水平力作用下扭转破坏。

固定管架水平荷载受力特点

固定管架除了承受管道竖向荷载外，由于管道支座与管架的固定连接，还承受纵向水平力作用以及风荷载作用下的横向水平力作用。

2.1 水平荷载受力点

1. 纵向水平力，管道支座与管架为挡板式连接时，受力作用点在据梁顶以下e/3处，焊接连接时，作用在梁顶面，如下图：

2. 横向水平力，风荷载作用点位置为管道中心。

2.2 水平荷载分类

1. 管道补偿器的弹性力标准值∑Fb

该值是指管道膨胀时，使补偿器压缩或拉伸变形，由于补偿器的弹性而产生的相反方向的变形力通过管道传递到固定管架上，一般由管道专业提供。

2. 关闭阀门时，介质产生的内压力标准值，由管道专业提供。

3. 管道变形时，刚性中间管架摩擦力标准值总和或柔性管架弹性力标准值总和 。

4. 风荷载作用下的横向水平力

Wk = μs μz w0 d ld

其中d为管道外径（包含保温层），多根管道取平均外径，实际工程中一般取该管架上最大直径管道。

ld 为管道跨度，两侧跨度不等时，取平均值。

固定管架的设计优化

3.1 管架结构体系的优化

1. 合理选择管架的结构形式

管架的结构形式应结合项目的实际情况选用，原则上外形复杂，改扩建可能性较大的管架采用钢结构，外形简洁且改扩建可能性不大时可采用钢筋混凝土结构，大中型化工装置采用管廊式钢结构，也可采用底层混凝土、上层钢结构的混合结构形式。在满足净空的前提下，尽可能的采用中低管架。

2. 合理布置管线、合理设置固定管架的位置和数量。

固定管架处，一般需设置柱间支撑，因此固定管架处柱距不宜过大。

管线长度较长时，热涨（冷缩）变形量很大，为了有计划的分配管线的膨胀量，固定管架的位置极其重要，根据《化工、石油化工管架、管墩设计规定》附录1中总水平推力F计算公式，考虑固定管架两侧传来的水平推力方向相反，因此固定管架两侧为对称布置时，会很大程度上减少水平推力。

由于固定管架承受区段间的全部纵向水平推力，一般受力较大，而规范对固定管架的长细比要求较高，因此当管架上的管道数量较多时应将各管道的固定点设置在同一榀管架上，减少固定管架的数量，降低工程投资。

从纵向水平推力的作用点可知，当管线为多层布置时，应尽量将大直径热力管道等能产生较大应力的管道布置在下层，减小力臂，降低弯矩对柱脚及基础的影响。

3.2 管架构件和荷载优化

1. 管道的牵制系数

管道与管架之间具有相互制约作用，管道对管架除有荷载作用外，尚应考虑其对管架的约束作用。当铺设较多管道时（3根或以上），由于每根管道的水平推力不可能同时出现、管道内介质温度不可能同时升高，对管架变形及摩擦力不能单纯的求和，应计入牵制系数Kj的影响，Kj可根据热力管道所占比例根据规范查出。

2. 刚性活动管架采用摩擦系数较小的材料

刚性管架水平推力计算公式： Fm=Ki x G1 x μ

其中μ 为摩擦系数，钢与钢滑动取0.3，钢与混凝土取0.6

当管架上管线不多，且主要管道为应力管道时，可考虑采用摩擦系数更小的材料如聚四氟乙烯板，其与钢接触面摩擦系数为0.1，可大大降低水平推力。

3. 关于管道专业所提水平荷载

在实际工程中，管架上的水平推力一般由管道专业提供，其大小即摩擦力，而管架的纵向水平力，刚性管架是按摩擦力计算，柔性管架则是按反弹力计算，刚性管架和柔性管架与管架的刚度EJ有关，在确定梁柱尺寸之前，是无法判断管架是刚性还是柔性的，因此把摩擦力当成纵向水平力是不恰当的。

固定管架的水平力与活动管架类型有关，与该区段管道的补偿量有关，与该区段补偿器的压缩力、波壁力和补偿器的级数有关，而且与管道的EJ值和反弹力系数有关，管道专业所提的固定管架水平推力一般都是按中间活动管架为半铰管架提出，缺少对柔性管架、刚性管架的考虑。

管架的水平力计算非常繁琐复杂，既要考虑简化，又要考虑实际受力，大型化工、石油行业设计院多采用应力分析软件如Autopipe、CaesarⅡ等模拟实际管道、管架布置，从而得出较为准确的数值。

3.3 基础设计优化

1. 固定管架基础允许出现零应力区

当有风荷载、地震作用时，管架基础底面允许出现的零应力区面积有单独规定。

与风荷载组合时，受力方向的基础底边脱离尺寸与其相应底边边长之比不应大于0.2 。

与地震作用组合时，受力方向的基础底边脱离尺寸与其相应底边边长之比不应大于0.25 。

固定管架基础垂直荷载较小，水平荷载较大，偏心距超出基础范围，将产生基底大面积脱离的现象，如果严格控制基底部容许产生脱离，势必将基础设计的过大。

2. 采用联合基础或设置拉梁、采用合理的基础埋深

因固定管架主要承受水平荷载作用，上部传给基础的弯矩很大，采用联合基础或设置拉梁，增大基础的抵抗矩，可以有效的避免基础出现大面积脱离。

适当的增加基础的埋深，利用土的自重压力抵抗水平力产生的弯矩，一定程度上也能解决基础过大的问题。

结语

管架是化工、石油化工设计的重要组成部分，其联系着厂中各个生产装置，是化工装置正常运转的枢纽，其重要性不言而喻。管架的结构设计应与管道、应力专业密切配合，通过合理选择管架的结构形式，统筹考虑固定管架的位置，优化管线的布置和荷载组合，在保证安全的前提下做到经济美观。

参考文献：[1] 中华人民共和国行业标准.《化工、石油化工管架、管墩设计规定》

HG/T 20670-2000

[2] 中华人民共和国石油化工行业标准.《石油化工管架设计规范》

SH/T 3055-2007