淺談化工管架的結構設計

摘 要：基于化工行業管架的類型、受力特點、管架使用功能要求，運用結構力學的分析方法和構筑物設計的構造措施要求，對化工管架的結構設計要點進行分析和闡述，解決管架結構設計中常見的各個疑難問題，以進一步優化管架的結構優設計方案。

關鍵詞：管架；結構；設計

1 概述

在化工行業，管架是最常見的構筑物，是液相、氣相介質管道及電氣、儀表電纜橋架的支撐結構。文章主要闡述，管架設計中碰到的一些設計要點問題，以期達到不斷優化設計的目的。

2 管架的分類

管架按結構形式主要分為獨立式管架、管廊式管架。獨立式管架適合于層高低、管道管徑小荷載小的單層管架，如T型管架。管廊式管架，一般簡稱管廊，適合于層高高、層數多、管道管徑大荷載大的多層管架。液相介質管道直徑大于或等于500mm、氣相介質管道直徑大于或等于600mm、輸送易燃、易爆、劇毒、高溫、高壓介質的管道，支撐此類管道的管架應采用管廊式管架，且固定架處應設置水平撐、垂直撐等傳力構件。

管架管道在管架上的支承條件分為固定管架和活動管架。固定管架橫梁上的管道設置了限位，將管道和橫梁緊緊地連接在一起，管道與管架之間不允許產生相對位移。固定架承受著縱向區段內產生的全部水平力，所以，一般此處設有水平撐、垂直撐，以減小水平力的傳力途徑。

管架按結構材料分為鋼筋混凝土管架、鋼結構管架和混合結構管架。由于鋼結構具有易于工廠加工、安裝速度快、構件斷面相對較小等優點，鋼結構管廊得到了越來越廣泛的應用。混合結構管架指橫向一榀柱與橫向主梁采用鋼筋混凝土現澆結構，縱向鋼梁、水平撐、垂直撐采用鋼結構。混合結構管架適用于工期要求不高的工程，尤其在鋼材成本高的時期可以降低造價。

3 管架的設計要點

管架的布置是管廊設計的重點，優化的布置會讓管廊結構受力更合理。首先管廊整體走向不宜布置成L型，因為“L”型管廊，兩條管廊橫縱相交處是整體應力集中處，尤其在地震工況下。其次，鋼結構管廊的區段長度需滿足伸縮要求，一般不超過120m為宜。固定架位置一般選在在管道水平力較大處，以實現傳力途徑最短，同時需考慮固定架處垂直對檢修通道、消防通道等的影響，避免出現垂直撐擋路的問題。基于以上內容，在結構設計時，應將管廊的軸線不斷地進行調整，以使管廊的布置趨于結構設計合理、使用功能合理。

不可以忽略電纜橋架所受風荷載對結構產生的影響。當豎向電纜橋架高度較大且數量較多時，風荷載將對整個結構和局部構件產生較大影響，特別是在風荷載較大的地區，忽略了往往導致結構計算偏于危險。同時，對于風荷載的計算，應該嚴格按照規范，將管廊柱、縱梁、管道、電纜橋架上的荷載一并計算，以保證每個工況下，結構計算的正確。

管廊橫向主、次梁上的垂直管道荷載傳遞問題。管徑小于等于2寸時，管道的最大支承長度為3米；管徑大于2寸且小于等于6寸時，管道的最大支承長度為6米；管徑大于6寸且小于等于12寸時，管道的最大支承長度為9米。對于大直徑的管道一般只在橫向主梁上支承，如果橫向主梁的荷載范圍按相鄰兩個半跨取值，橫向主梁上的荷載就會大大偏小，造成橫向主梁的計算偏于危險。所以，橫向主梁的荷載取值范圍應取相鄰半個柱距范圍內的荷載。

管廊橫梁與管道之間的水平摩擦力該如何考慮的問題。管道在一定區段內會設置Π型補償器，Π型補償器是管廊縱向力的釋放點。兩個Π型補償器之間的管道為一個剛性受力體，此段管道會與管廊鋼梁以限位的形式固定在一起，使此段管道和此段管廊成為一個整體。對于這個整體來說，管廊橫梁與管道之間的水平摩擦力是內部力，不是外部荷載，所以，整體內部的內力無需計算。但是，對于某一根橫梁來說，管廊橫梁與管道之間的水平摩擦力就是外部力，此力需要計算。

管廊縱梁受力計算。縱梁除支撐次梁、管道外，還要將管道或其他作用產生的水平推力傳遞到垂直支撐。當水平力較大時，縱梁的軸力往往是不能忽略的。在我們用PKPM建模計算時，縱梁當然都是按梁輸入的，PK的計算程序就只按梁的應力計算公式Mx/（？漬bWx）+My/（？酌yWy）≤f來驗算，軸力并沒有體現出來，這樣是偏于危險的。解決方法：《設計規定》中第8.2.11條中規定縱梁應按拉彎或壓彎構件計算。計算公式按《規范》5.2.1條N/An+Mx/（？酌xWx）+My/（？酌yWy）≤f來計算。另外還要特別注意縱梁連接節點的驗算，如高強螺栓、焊縫抗剪及節點板驗算等。

結構構件的撓度超過限值。沒有設計經驗的工程師通常只注意結構構件的應力計算而沒有注意到《化工工程管架、管墩設計規定》中對構件撓度的限制。管架的撓度主要應滿足管道要求，防止管道撓度過大發生積液導致流阻加大。工程上已發生該類事故。所以，除單個構件需滿足《設計規定》3.0.9條中的限值外，裝置內管廊在一個柱距內，管道支點最大撓度之差不大于30mm。管廊縱向構件及其上的鋼次梁撓度疊加為總撓度，支撐在鋼次梁上的小管道的撓度值為該撓度與框架橫梁撓度之差。

固定架處基礎沒有按雙向受力進行計算。沒有設計經驗的工程師認為管廊固定架處只要按傳到基礎頂面的縱向力計算就可以。實際上在固定架處，在縱向最不利荷載組合下，橫向在恒載和活載作用下仍可能存在彎矩和剪力，忽略橫向的力將導致基礎計算不安全。基礎應按雙向受力計算，通常獨立基礎兩個方向所受力如圖3。

4 結束語

管架在化工行業比較常見，但是各種疑難問題較多，結構設計中不可掉以輕心，應認真分析結構特點、詳細計算、精于布置，才能繪出安全、合理、經濟的設計方案。

參考文獻

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