半铰接柔性管架及摇摆管架的设计探讨

2009年6月

特　种　结　构

Vol.26　No.3

June2009

半铰接柔性管架及摇摆管架的设计探讨

许伟　姜德进

(中冶华天工程技术有限公司　马鞍山243005)

(HTC.MCC.Maanshan243005)

[摘要]对管道工程支架设计中采用半铰接柔性管架及摇摆管架所存在的若干问题进行了分析探讨,并提出新的设计方法。

[关键词]半铰接柔性管架　摇摆管架　固定管架

ABSTRACT:Someproblemsaboutusingsemi-hingedflexiblesupportandswingsupportindesignofpipingwerestudied.Anewdesignmethodswasgiven.

KEYWORDS:Semi-hingedflexiblesupport　Swingsupport　Fixedsupport前言

在管道工程设计中,管道支架的设计是非常重要的一部分。在现代化的工业厂区内有纵横交叉的管道网,输送各种液体、气体和固体的介质。其作用有如人体的血管一样,非常重要。除了部分管道可以埋地外,大部分都是架空的管道,架空管道可以适应各种复杂的环境。为了实现架空管道,就必须有支撑结构,各式各样的管道支架就是管道的支撑结构。根据管道支架(以下简称为管架)对管道的作用,受力和结构形式的不同通常可以简单的分为固定管架、单向活动管架、双向活动管架及组合管架。单向活动管架分为刚性管架、柔性管架和半铰接管架。双向活动管架分为摇摆管架和双向滑动管架。图1是上述各种管架布置的示意图。

中的若干问题进行探讨,顺便也涉及一下当前管架设计中经常出现的误区。1　半铰接管架

1.1半铰接柔性管架定义

半铰接管架是单向活动管架的一种。所谓的单向活动管架,就是管架沿管道的纵向为管道的可移动支点(可以满足管道的变形要求),垂直于管道的横向(有时称为径向)则为管道的不动支点。为了管道能够在纵向移动,通常管道与管托之间不焊接,因此管道可以在管托上滑动,这样就会产生摩擦力Pm。刚性管架与柔性管架的结构形式是一样的,管架柱的柱脚固定于基础,与悬臂结构类似。但刚性管架纵向刚度较大,柔性管架纵向刚度较小。当管道在纵向发生位移时,伴随着管架的位移Δ,在管架的顶部会有反弹力Pf,如果管架的刚度为K,则Pf=KΔ。这里要注意Pm是常量,而Pf是变量,它随着位移Δ的增大而增大。对于刚性管架,由于其刚度较大,随着管架顶部位移的增大,当反弹力等于摩擦力的时候,管架顶部的位移就会停止,管道则开始在管托上滑动,直到温度稳定以后,滑动停止。因此刚性管架顶部的位移要小于管道的位移。对于柔性管架,由

本文主要对半铰接柔性管架和摇摆管架设计

SPECIALSTRUCTURES　No.3　2009于其刚度较小,在整个管道的位移中,其反弹力都

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小于摩擦力,因此管道和管托之间始终没有滑动,柔性管架顶部的位移等于管道的位移。在实际设计中,刚性管架与柔性管架的受力是一样的,不考虑二阶效应的情况下,其都在顶部承受管道的垂直重量Q和水平摩擦力Pm=Qμ(μ是摩擦系数)。有水平力则在管架底部产生弯矩。1.2半铰接柔性管架设计机理

上世纪中期,大部分结构都采用混凝土结构,管道支架更是如此,而且以预制为多。为节省材料,降低成本,各种各样的半铰接柔性管架应运而生。所谓的半铰接管架是柱脚与基础的连接为一不完全铰。这种半铰的构造,只允许在沿管道轴线方向显现半铰性能,在沿管道径向为嵌固以保证侧向的稳定。在沿管道轴线方做成半铰(即不完全铰),使得管架可绕基础顶面转动,柱顶推力(位移反弹力)可以大大减小,且最大限度地降低柱底弯矩。在《建筑结构设计手册管道支架》[1]给出了几种半铰的构造和设计方法。图2a是无上下弹性垫层的光面半铰,图2b是仅有上弹性垫层的半铰,图2c是仅有下弹性垫层的半铰。光面半铰的最大允许倾斜率可取为2%,柱脚(即半铰处)的弯矩MJ不大于0.6tm。有上弹性垫层的半铰,最大允许倾斜率可达5%,柱脚(即半铰处)的弯矩MJ不大于0.4tm。有下弹性垫层(油毡叠合层)半铰的倾斜率与半铰处的弯矩MJ有如下的经验关系:

tgθ=415

Δy-6

2MJ10bd

(1)

成柔性半铰形式,其柱脚采用的是图2a的形式。投产3年以后,开始陆续严重损坏,完全报废的就达到60%,需要局部补强的占25%。破坏的管架中大量的混凝土柱脚被压碎。这说明实际上半铰接柱脚的可铰性能(即可转动性)很差。笔者在不少现场也见过很多有下弹性垫层(油毡叠合层)的半铰,实际上这些垫层经过风吹日晒,沥青老化,没什么弹性可言。绝对不可能达到5%的转动。目前设计中已较少采用半铰接管道支架了。笔者认为:只要柱脚是一个足够的刚体,且不能绕其底面中点转动,这样的柱脚在理论上不可能是铰接或是半铰接,实际上基本可视为固结。现在钢结构的管架日益增多,很多资料都把图3所示的柱脚作为铰接,其理由是只有两个螺栓在柱脚中间,对柱脚不起嵌固作用,因此可视为铰接。这样的

式中　MJ—半铰处的弯矩值(kg·cm);

　ΔY—下弹性垫层厚度(cm);　d—螺栓直径(cm);　b

—柱脚底面沿清晰方向(管道轴向)的宽度(cm);

　θ—半铰的转角,弧度。

1.3半铰接柔性管架设计机理中的矛盾性

文献[2]提及了半铰柔性支架的一个工程教训,即湖南某化工厂单向活动管架绝大多数设计—116—SPECIALSTRUCTURES　No.3　2009No.32009许伟等:半铰接柔性管架及摇摆管架的设计探讨

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理由可能和最初半铰接管架设计者的初衷是一样的。其根本错误在于由于柱脚是刚体,其转动点必定在基础的边缘,这样螺栓就会起约束转动作用,因此不能视为铰接。下面对图2a的结构进行简单的计算,说明这样的结构在转动时会产生很大的弯矩。

图4是计算简图,在倾斜率为2%时,如果柱脚的宽度b=200mm,则柱脚中线要抬高2mm,也就是螺栓要伸长2mm,如柱脚的高度为200mm,螺栓的初始长度就是200mm,再假定螺栓为M20,其截面积就是314mm,根据虎克定律,螺栓的拉力N应为:

Δl255N=lEA=×2.06×10×314=6.45×10N200

对应的弯矩:M=Nb/2=6.45×107N·mm=64.5kN·m是6kN·m的10倍!显然,按6kN·m的弯矩值来设计管架的混凝土柱,必然破坏。对于用油毡叠合层做为下弹性垫层的柱脚,在同等条件下,螺栓的拉力会小一些,但油毡叠合层的弹性变形是有限的,此外,像油毡叠合层这样材料的弹性模量不会是常量,从感性的判断,它会越压越密实,如考虑老化因素,则弹性变形更为有限。1.4对半铰接柔性管架设计的建议

综上所述,现有构造形式的柱脚,从理论上说不可能是铰接或是半铰接。对于图3所示的钢结构柱脚,不视为铰接的道理是一样的,详细的分析和介绍见文献[4]。

笔者建议:单向活动管架还是设计为柱脚嵌固的刚性的或是柔性管架为好。至于什么情况用何种管架,一般的资料都有介绍,本文不再赘述。有一点建议,对于钢结构管架,柱脚以插入式为好,其形式见

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图5。有些资料介绍要在钢柱上加栓钉等,加强嵌固作用,其实大可不必,只要柱的下部加一封板即可,一是加强嵌固,二是便于找平。杯口的构造应满足抗拔和抗弯的要求,有几种计算方法,但比较繁琐。笔者认为按照已成功实施多年的预制混凝土柱杯口的要求就可以了,常用的管架柱截面高度不会超过800mm,图5给出了柱截面高度为500～800时杯口的最小尺寸。这样的构造,笔者不仅用于管架工程,甚至在一些重型工业厂房也成功运用多年。插入深度按抗震设计为2倍的柱截面高度,否则为1.5倍。

2　摇摆管架

摇摆管架或双向活动管架,通常设置在管线的转角附近,以满足管线两个方向的位移。文献[3]给出了这种管架上的结构形式,如图6所示。不难看出这种结构的基本思路与图2提及的结构如出一辙。事实上,管架向任何一个方向倾斜,都必然有一个螺栓受拉,限制了管架的倾斜,起不到铰接或是半铰接的作用。值得一提的是,目前在钢结构的设计中,也仍然有些资料把这种结构形式作为双向铰接柱脚,应予以纠正。

对于摇摆管架,笔者的建议是:如果管线的管径较小,重量较轻,变形较大,像蒸汽管道,可以直接放在管架的横梁上,不设管托。其原则是在没有管托的情况下,管道自身在

局部压力的作用下,强度和局部变形应该保证。

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70年代前,都是采用

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型补偿器(在管线平面布

型弯,见图1)或是

对于管道重量较大,变形较小的管道,可以采取管道与管托焊接,管托直接放在管架的横梁上,不与横梁焊接的方法,这样管道可以在两个方向滑动,但其前提是横梁的宽度必须保证管托不会滑落。至于管架,可以做成单片单向活动管架的形式,与其它的单向活动管架一致。这样不仅横向刚度可以保证,同时可以减小管架的种类,视觉上也整齐美观。这些做法已经过多年的实践考验,安全可靠。

3　固定管架和波纹补偿器

很多管线设计者在设计时,通常把固定支架当做一个不动的支点,以此来进行管线的力学分析,然后把资料提交给结构专业设计固定管架(管道支架通常是属于土木结构专业范畴)。其实除了像大体积的混凝土支墩可以视为不动支点外,常见的以双片门形刚架再加上支撑的固定管架,其刚度总是有限的,在水平力的作用下,都会有位移,不可能为不动支点。无论是固定管架,或是单向活动管架,从结构力学的角度来看,没有什么本质区别,它们都可以视为悬臂柱,区别仅在于柱的截面不一样。按结构力学,如果悬臂结构顶部的相对位移为1/500,那么它与挠度为1/1000的简支梁刚度相等,而1/1000是中级工作制桥式吊车梁的挠度要求,因此该结构的刚度应该算是比较大的了。一个8m高的管架,结构专业做出的固定管架顶部通常就会有15mm的位移。然而这个15mm在结构专业视为很正常的位移,放到管线设计里,产生的影响有时会相当可观,尤其在管径比较大的时候。因此合理的管线设计,应该在结构专业完成管架设计并提交固定管架的刚度后,再重新计算,这样的结果才是正确的。对于管架高度较高,管道直径较大的管线尤其要注意这个问题。

管线在温度的作用下,总会引起长度的变化,这些变化会对阀门及其它连接的设备产生不利的影响。为了消除(吸收)这个长度的变化,上世纪—118—置时,某个区段管线走一个

在管道上设置鼓型补偿器。这些都是有效的措施,其缺点就是占地多和占空间大。上世纪80年代后,波纹补偿器开始逐渐取代了鼓型补偿器。目前,已普遍运用于各类管线。有些管线设计者,不分场合和需求,到处设置波纹补偿器。如果管道压力不高,管径不大,设置了,影响不大;但对于管径大、压力高的管线,设置波纹补偿器务必要充分考虑盲板力的影响,这已经有众多的工程教训。对于盲板力,力小可以采用固定支架,力大就要采用大拉杆。因此,笔者认为:不放波纹补偿器,会出问题,但一般为小问题;放了波纹补偿器,处理不好,会出大问题。4　结语

半铰接柔性管道支架,无论从理论分析上,还是实际结构构造,在柱脚都会产生较大的弯矩,不可能接近铰接。多年来的实践也证明了按半铰接柔性支架设计的管道支架问题很多。因此建议在管道支架中取消半铰接柔性支架,采用柱脚为固结的单向活动支架。双向摇摆支架以往的设计类似于半铰接柔性架,也应该取消。对于小直径管道可以采用管道直接在支架上滑动的方法,大直径的管道可以采用管道与管托焊接,管托与支架不焊的方法,但要注意支架横梁的宽度与管道的可能最大位移的协调。

绝对刚性的固定支架在实际中是不存在的,在管道设计的力学分析中应考虑固定支架和实际位移。压力较高的管道在设置波纹管时一定要考虑波纹管的盲板力。

参考文献

[1]建筑结构设计手册管道支架.北京:中国建筑工业出版社,

1973:22～28

[2]徐至均.管道工程设计与施工手册.北京:中国石化出版社,

2005:510～519

[3]冶金工业管道支架设计规程YS13—77.北京:冶金工业出版

社,1979:6～7

[4]陈绍蕃.钢结构设计原理(第三版).北京:科学出版社,2005:

310～313

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