独立式管支架的设计

王飞*王飞：工程师。2008年毕业于河北工业大学结构工程专业获硕士学位。从事结构设计工作。联系电话：(010)58675756， E-mail：wangfei@hqcec.com。中国寰球工程公司北京100012

摘要分析同样条件下刚性管支架和柔性管支架设计的区别，介绍判断独立式管架是刚性管支架还是柔性管支架的方法，科学地进行独立式管架设计。

关键词独立式管支架刚性管支架柔性管支架

在化工设计中，独立式管支架是除管廊外，应用非常广泛的管支架形式。独立式管支架按照柱刚度分为刚性管支架和柔性管支架。从工程设计经验和项目现场所见分析，独立式管支架很多时候只是按照刚性管支架进行设计，即根据上游专业所提的管架顶部受力情况，计算出水平摩擦力，进而对管架进行受力分析和管架基础设计。这样致使有些情况下，尤其是管道热膨胀量小时的管架设计并不合理。

1独立式管支架定义

根据《化工、石油化工管架、管墩设计规定》 HG/T 20670-2000(以下简称“规定”)，独立式管支架是相邻管架之间无纵向联系构件的管架。独立式管支架分为刚性管支架和柔性管支架。

刚性管支架的管架柱刚度较大，管架顶的变形不能适应管道受热变形的需要，管道与管架顶部接触面产生相对位移，承受管道膨胀时产生的摩擦力。

柔性管支架的管架柱刚度较小，管顶的变形能适应管道受热的变形需要，管道与管架顶部接触面无相对位移，承受柱顶变位产生的水平推力。

2刚性和柔性管支架的设计对比

刚性管支架由于顶部变形不能适合管道的热变形，发生相对位移，承受的是管道施加的摩擦力Fm；柔性活动支架由于顶部变形能够满足管道的热变形，没有相对位移，管架承受的是顶部变位产生的水平推力Ff。“规定”说明：Fm>Ff时按照柔性支架计算，Fm≤Ff时，按照刚性支架计算。活动管架水平荷载简图见图1。

图1　活动管架水平荷载简图

下面，以实际工程中“T”型独立活动管支架(见图2)为例说明独立式管架刚、柔性判断及设计的区别。

图2“T”型独立活动管支架简图

独立式管道支架间跨度为10m，荷载设计值3kN/m(包括管道自重、介质重等)，运行期间管道由于温度变化发生变位△=40mm，管架柱高度为H=4m，柱脚设计为刚接。

2.1　判断管架类型

初选管架柱截面：HW150X150。根据“规定”4.1.3，牵制系数Kj=1.0。根据“规定”第4.3.3条：

Fm=0.3·G·Kj=0.3×30×1.0=9 kN

G=3×10=30 kN

根据“规定”第4.3.5条：

Ff=3·E·I·Δ·Kj÷H3

=3×206×106×564×10-8×40×10-3×1.0÷43

=2.18 kN

因为Fm>Ff，这意味着管道与支架顶板之间不发生相对位移，根据“规定”4.3.2，按照柔性管支架进行计算，见图1(b)。

2.2　强度计算

管架柱底部弯矩：

My=Ff·H+G·Δ=2.18×4+30×0.04

=9.92 kN·M

根据《钢结构设计规范》GB50017-2003，公式5.2.1：

强度满足要求。

2.3　整体稳定计算

λx=μx·H/ix

=2.03×4000/63.9=127.07<200

λy=μy·H/iy

=1.5×4000/37.3=160.86<200

长细比满足要求。

根据《钢规》表5.1.2-1，对于x轴，属于b类截面，查附录C，得稳定系数φx=0.401，对于y轴，属于b类截面，查附录C，得稳定系数φy=0.273。

根据《钢规》公式5.2.5-1，稳定应力：

整体稳定满足规范5.2.5-1式。

根据《钢规》公式5.2.5-2，稳定应力：

=147.07 N/mm2

整体稳定满足规范5.2.5-2式。

2.4　基础设计

地基承载力取80kPa，基础埋深2m，计算结果基础尺寸选用：1400×1000可满足要求。

如果事先不判断管架类型，只考虑管架顶部受力，按照刚性管架设计，见图1(a)。

管架柱底部弯矩最大：

M=Fm·H=9×4=36 kN·m

根据《钢结构设计规范》GB 50017-2003，公式5.2.1，强度计算：

=428.31>f=215 N/mm2

这时，HW150×150不能满足强度要求，需加大钢柱截面。

进行基础设计时，同样地基承载力取80kPa，基础埋深2m，计算结果基础尺寸选用：2300×1000 才能满足要求。

3结语

通过具体的算例可以看出，当进行独立式管道支架设计时，管架顶部的水平力是关键。所以，设计起始，判断管架顶部是承受管道膨胀时产生的摩擦力还是顶部变位产生的水平推力，进而按照刚性管架或者柔性管架设计是非常必要的，可以使同样情况下的管架设计更加科学、合理。

进行独立式管架刚、柔性判断的前提之一是了解管道的热膨胀情况，这就要求结构设计人员在专业间的沟通方面，扮演积极的角色，不但要和上游专业了解管道传给管架的力的情况，而且要知道管道在管支架顶部的热膨胀量或者其温度变化情况。

参考文献

1HG/T 20670-2000，化工、石油化工管架、管墩设计规定[S].

2GB 50017-2003,钢结构设计规范[S].

收稿日期(2015-03-30)