室外管道支架的設計淺析

1 引言

工業廠房設計中，管道支架是是其重要組成部分，管道支架的做法、走向受工藝影響很大。由于管道支架隨管線走線全廠區布置，在部分化工工業項目中所占工程量比重也較大，比較合理的設計方案對于工業項目的土建成本控制是有重要作用的。抵抗諸如地震作用、風荷載以及管道水平推力等側向力的抗側力構件設計時鋼結構設計中要組成部分，抗側力構件的利用效率對鋼結構設計的工程量的節約有重要意義。本文將以某工程室外管架為例，對設計中常用的兩種方案進行計算設計對比，以期得出較合理的設計方案。

2 結構布置方案

內蒙某工業項目室外管橋，最大單段管道支架直線長度為354m，為釋放溫度應力，分成若干區段。管架柱列間距為4.0m～6.0為主，部分區段跨越馬路，跨度較大，需要按桁架設計考慮。管道支架跨度尺寸為5.0m。三層，底層層高為5.0m，其余層高均為2.0m。

柱間支撐設置需要避開馬路及廠房入口等。

3 設計參數

3.1 風荷載

基本風壓:0.55kN/m2，地面粗糙度為B類。

由于管道支架為鏤空構件，管道層以下部分偏安全考慮體型系數為0.30，管道層范圍內由于有管道擋風，偏安全考慮風載體型系數為1.0。

3.2 使用荷載

工藝管道荷載:500kg/m，管道支架長度方向。

3.3 建筑結構安全等級、抗震設防類別、抗震設防烈度、設計使用年限

建筑結構安全等級:二級

抗震設防類別:丙類

抗震設防烈度:7度，第二組，設計基本地震加速度為0.10g

結構設計使用年限為50年。

3.4 計算參數

阻尼比取0.02

抗震等級:四級

主要鋼構件均采用Q345B級鋼。

4 截面選型及抗震措施

4.1 方案一

4.1.1 截面選型

(1)鋼柱和鋼梁均采用H型鋼，梁柱均為雙向剛接，采用栓焊混合連接型式，雙剪，摩擦型連接;柱腳采用剛接。

(2)柱間支撐采用中心支撐，X型交叉支撐，采用T型剖分鋼。

(3)管道層為減小鋼梁平面外計算長度，設置水平支撐，水平支撐采用角鋼。

4.1.2 抗震措施

(1)需要滿足強節點弱構件、強剪弱彎的要求，當框架梁無法滿足極限承載力的要求時，考慮梁翼緣在連接處局部加寬的方式來處理。

(2)需要進行節點域的屈服承載力進行驗算，不能滿足規范要求時，柱的節點域局部貼焊鋼板進行處理。

(3)需要滿足強柱弱梁的要求，由于鋼柱采用H型鋼，弱軸方向剛度較弱，無法滿足《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)中式8.2.5-1或式8.2.5-2要求，通過調整截面，使鋼柱軸壓比控制在0.4以下，根據《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)要求，可不進行強柱弱梁驗算。

(4)長細比限制:根據《石油化工管架設計規范》(SH/T3055-2007)5.18條中表4:管架柱長細比不大于150，柱間支撐按壓桿設計，長細比不大于120，縱梁長細比偏安全按受壓控制，長細比控制在150。

4.2 方案二

4.2.1 截面選型

(1)鋼柱和鋼梁均采用H型鋼，梁柱連接橫向剛接，采用栓焊混合連接型式，雙剪，摩擦型連接，縱向鋼梁與鋼柱鉸接;柱腳采用鉸接。

(2)柱間支撐采用中心支撐，X型交叉支撐，采用T型剖分鋼。

(3)管道層為減小鋼梁平面外計算長度，設置水平支撐，水平支撐采用角鋼。

4.2.2 抗震措施:同 4.1.2.

5 分析結果對比

5.1 方案一

A.橫向剛架:

(1)鋼柱強軸應力比最大為0.33，弱軸應力比為0.52;

(2)鋼梁應力比最大為0.29;

(3)柱頂最大為11.9mm。

B.縱向剛架:

(1)鋼柱強軸應力比最大為0.33，弱軸應力比為0.52;

(2)鋼梁應力比最大為0.25;

(3)柱頂最大位移0.4mm。

說明:方案一由于為梁柱之間采用雙向剛接，平面模型僅能考慮一個方向的彎矩，因此需要將兩方向的平面模型的應力比進行疊加，才能較真實、全面的反應鋼柱的應力比狀況。經兩方向應力比疊加后鋼柱應力比為 0.85.

5.2 方案二

A.橫向剛架:

(1)鋼柱強軸應力比最大為0.52，弱軸應力比為0.87;

(2)鋼梁應力比最大為0.48;

(3)柱頂最大位移42.4mm。

B.縱向剛架:

(1)鋼柱強軸應力比最大為0.33，弱軸應力比為0.52;

(2)鋼梁應力比最大為0.35;

(3)柱頂最大位移1.2mm;

6 結論

方案一(梁柱雙向剛接+縱向柱間支撐)與方案二(梁柱僅橫向剛接+縱向柱間支撐)相比，梁柱支撐相同截面的情況下;鋼梁應力比方案一較小，其中橫向剛架梁方案一優勢較大，縱向剛架梁差別不大;鋼柱應力比兩種方案比較接近，柱頂位移方案一較小。

經計算，由于方案一柱底剛接，故基礎一般為大偏心，基礎相對于方案二較大，由于剛接柱腳做法因素，基礎短柱也較方案二較大。

在施工方便程度上，由于方案一梁柱雙向剛接，相對于方案二剖口焊數量較大，施工進度較慢，施工質量受焊縫質量影響較大。

[1]《建筑抗震設計規范》GB 50011-2010.

[2]《鋼結構設計規范》GB50017-2003.