麦永湛（上海建工一建集团有限公司，上海 200437）

1 工程概况

武汉某广场项目总建筑面积 70.0 万 m2。地下室范围东西长约 159.0 m，南北宽约 170.0 m，总占地面积约 2.7 万 m2。其中本文所论述写字楼标段，总建筑面积 18.0 万 m2，地上建筑面积 17.6 万 m2。

结构形式为钢管混凝土柱外框-混凝土核心筒体系。办公楼地下 3 F，地上 56 F，建筑高度 278.6 m，幕墙最高 320.7 m。

办公楼位于该项目东地块，地下室共 3 F，其中地下 2 F、3 F 为地下汽车库、设备用房。地下 1 F 为商场、会所、自行车库及设备用房。标准层为办公楼。

本项目空调冷热水系统根据高中低区划分，低区为 B 3 ～L 17 F，中区为 L 18～L 35 F，高区为 L 36～L 55 F。冷却水系统根据高低区划分，低区为 B 3～L 28 F，高区为 L 29～屋面[1]。

2 水管道立管固定支架安装受力计算分析

在超高层建筑空调系统中，为了保证竖向水管道能安全、可靠地安装和运行，必须设置固定支架、活动支架和膨胀补偿器。本项目中空调水系统管道尺寸较大，管弄井内管道排布密集，立管固定支架的合理设置和计算均须注重[2]。设备层管井如图 1 所示。左侧机房和右下角机房均有空调立管 8 根，右上角管井内含空调立管 19 根（其余管道为其他专业）。

以 B 3～L 28 F 冷却水立管为例，冷却水立管管径为 D 820×16，每一层该立管均须设置普通支架，并在补偿器前后设置导向活动支架，同时分别于不同楼层设置甲、乙、丙三副固定支架，如图 2 所示。下面就固定支架的选型进行计算分析。

图1 设备层管井图

图2 冷却水立管示意图

空调水立管最低处的固定支架受到最大的向下推力。最下端固定支架受力包含内水推力、补偿器弹性反力、管内水重力以及管道自身重力[3]。

图 2 中，固定支架甲、乙间距 61.6 m，直线热位移计算如式（1）所示。

式中：a—管材的线膨胀系数，a=1.2×10-5(℃)-1;

l —管道的计算长度，m；

t2，t1—输送介质温度，℃。

冷却水设计最高温度为 37 ℃，最低温度为 5 ℃，温差 32 K。计算得 Δ L=23.65 mm。

由此，选用 2.50 MPa、DN 800 补偿器，补偿量 Δδ = 40 mm，刚度 Kx=4 842 N/mm。固定支架甲、乙间补偿器弹性反力为：f =Δ L·Kx=23.65 mm×4 842 N/mm=114 513.3 N。

同理，固定支架乙、丙间距为 60.3 m，温差为 32 K，计算得直线热位移 23.15 mm，固定支架乙、丙间补偿器弹性反力为 112 092.3 N。

该系统选用水泵扬程 47.0 m，动态水压提高 0.340 MPa，此时管内压力值变化如表 1 所示[4]。

表1 管内压力值变化 MPa

计算固定支架丙受力如式（2）所示。

式中：l3—支架间距，m；

q3—管道重量，kg/m；

pn2—管内水压力，MPa；

A3—立管截面积，m2；

fd3—乙、丙间补偿器弹性反力，N。

同理，计算出支架乙受力为 225.0 kN，支架甲受力为 208.0 kN。

通过计算，最低处固定支架丙受力 1 226.2 kN，远远大于常规立管固定支架所承受的力。

3 水管道立管固定支架选型计算分析

本项目管道立管固定支架按铰接设计，采用 MIDAS 有限元分析软件进行三维受力分析。这里以 DN 800 管道为例。

3.1 支 架

本项目固定支架采用三脚支架的形式，横梁、下斜撑、上拉杆的布置如图 3 所示。根据作用在支架上的总推力 1 226.2 kN，横担支架采用 I 50 a 工字钢，下斜撑及上拉杆采用 I 32 a 型钢，材质均为 Q 235。

图3 三角支架

最不利荷载作用下，其应力如图 4、图 5 所示，最大应力 84.7 MPa，最大应力比为 0.4，满足要求。

图4 三角支架组合应力图

图5 三角支架应力比云图

下斜撑 I 32 a 型钢的截面特性如图 6 所示。

图6 I 32 a 工字钢截面特性

式中：A—工字钢截面面积；

N —下斜撑的支座反力。

经上述计算，整体稳定满足要求。

图7 支架支座反力图

3.2 肋 板

连接肋板厚度为 12 mm，两侧角焊缝高度为 265 mm。焊缝切应力按照 160 N/mm2计算，焊脚尺寸为 8 mm，考虑每个管道靠 8 个加劲肋（16 道焊缝）受力，肋板钢材采用 Q 345。根据式（3）计算。

式中： τf—角焊缝的切应力，N/mm2；

he— 连接肋板角焊缝尺寸 ， mm；

荷载 N=1 226.2 kN≤ helwffw

=0.7×8 mm×(265－2×8)mm×16×160 N/mm2=3 570 kN

经计算，肋板焊缝可承担的荷载为 3 570 kN，大于管道设计荷载，满足要求。对肋板和水管道整体建立有限元模型，如图 8 所示。

图8 连接肋板模型

根据式（3）肋板焊缝可承担前载的计算结果如图 9、图 10 所示。

图9 整体模型

图10 肋板受力

为保证连接肋板与型钢 I 50 a 接触部分受力的安全性，还需在型钢腹板上添加横向加劲肋板（Q 235）作为构造措施，以保证型钢梁的安全受力。

根据上述计算方式，本项目空调水立管支架选型验算结果如表 2 所示。

表2 空调水立管支架选型验算结果

固定支架选型、计算及楼层设置完成后，得出立管补偿 器与承重支架位置表如表 3 所示，交作业人员施工作业用。

表3 立管补偿器与承重支架位置表

续表

4 其他须注意问题

(1) 空调水立管固定支架安装须严格根据支架计算书安装。补偿器前后（一端固定，一端活动）必须设置导向活动支架，以限制管道位移，防止管道振动和管道偏位。

(2) 固定支架选型验算后所选的连接件，在加工过程中须严格检查，对加工粗糙或不符合选型要求的及时更换。安装过程中，须严格根据选型书进行安装，避免因安装工艺不符合要求而导致损失。

(3) 固定支架安装完成后，焊缝连接处必须全面检查，应符合规范要求，不可存在焊渣、气孔、裂纹、错缝等质量问题。这些问题会影响支架的稳定性及安全性。

(4) 固定支架安装完成后，必须及时清除支架表面的污垢、灰尘、锈斑等，对支架及时采取刷两道防锈漆以及刷两道面漆的防腐处理工作。刷油漆时，应注意油漆的厚度须满足厂商的要求，同时不得出现起泡、流淌和漏刷等现象。

5 结 语

空调水系统立管支架一方面承受管道本身及流过介质的重量；另一方面由于其用来固定管道，因此还承受管道所有的力。合理设置管道支架，同时满足管道热补偿及位移要求，保证管道的稳定性、安全性，是空调水立管安装的核心问题。

为了从根本上解决空调水立管支架安装存在的问题，就必须了解形成这些问题的深层原因，从加强施工方案设计的审核、提升施工人员素质等方面入手来提升水管支架安装质量，真正将水管支架安装存在的问题提前预防并控制落到实处。