鋼結構管廊的設計淺析

雷新海

（湛江南海西部石油勘察設計有限公司 524000）

引言

近年來隨著我國石油化工行業的蓬勃發展，石化處理裝置規模越做越大，管廊結構也日趨大型、復雜化，設計人員有必要深入了解管廊的結構特性，重視不同結構形式的管廊結構特性比較，優化鋼管廊結構的設計方案，提高管廊結構的設計水平，保證管廊設計在技術上先進、經濟上合理、工程上安全可靠。

1 鋼結構管廊設計概述

在石油化工行業中，鋼結構管廊是常見的構筑物，主要用于各化工處理裝置以及裝置內各單元、建構筑物及設備之間的相互連接，用于支承工藝管線、電纜橋架等。管架一般包含獨立式管架、管廊式管架。管廊式管架又可以分為縱梁式和桁架式管架。一般工程管架設計應具備以下資料：

（1）管廊架平、剖面、布置圖、管道規格，管架位置圖及相應要求。

（2）工藝管道重量，管道內介質重量，管道內試壓水、預留荷載、平臺活荷載等，以及管道對管架的水平推力。

（3）工藝管道壁的最高、最低計算溫度。

（4）工程項目擬建場地資料及巖土工程地質勘察資料。

2 管廊的計算原則

（1）管廊結構應以一個溫度區段作為一個計算單元，管架橫梁承受管道的豎向荷載和水平推力，對固定管架的橫梁，應注意驗算水平推力產生的扭轉應力。

（2）管廊縱梁應能傳遞縱向拉力，并承受橫向進出管線荷載和其他荷載。縱梁與柱的節點連接宜為鉸接連接。

（3）管廊應在每個溫度區段兩端設置柱間支撐，承受管線的不平衡水平推力。

圖1 管架計算模型

3 管廊的荷載計算

配管、電氣專業提供相關管線、電纜橋架的重量，結構專業則根據管架跨度、柱距進一步核算作用在每榀管架橫梁上的管線、電纜橋架荷載。管架的豎向荷載一般包括管架結構自重、管道自重、設備重、附件重、保溫重、介質重或沖水試壓時的水重、電纜和橋架重等。有多根密排管道，宜按均布荷載計算；當遇有一根管道作用于梁上的荷載大于10kN時，該管道應單獨按照集中荷載考慮。

管架柱、橫梁、縱梁的風荷載可以通過軟件按照擋風面積自動計算，比如國內常用的鋼結構設計軟件PKPM、3D3S等。工藝管線、設備等設施所受風荷載需要按照規范手動計算，然后按照相應的風荷載工況添加至柱頂或橫梁。由于管廊結構縱向較長，剛度較大，一般可以不考慮管廊結構的縱向風荷載，僅需計算管廊結構橫向風荷載。

除了需要相關專業提供的水平推力以外，其他的水平推力可以按照規范手動計算，然后通過定義活載的方式進行添加。試壓工況可以通過自定義荷載工況定義，關鍵是根據《化工工程管架、管墩設計規范》（GB51019）充分考慮相關荷載的分項系數及組合系數。

管道內的介質分為氣體和液體，在不同工況組合下，荷載的分項系數取值不同。當管道為液體管道時，管道內的介質重力應按照恒荷載輸入，正常操作情況下，荷載分項系數恒荷載為1.2，活荷載為1.3，風荷載為1.4；當管道為氣體管道時，考慮管線試壓的情況，在充水試驗時荷載的分項系數，恒荷載為1.2，試壓充水荷載為1.1，風荷載為1.4。

4 管廊設計的其他事項

關于管架鋼柱的計算長度系數，一般鋼柱柱腳為剛接，柱軸向計算長度系數按照《化工工程管架、管墩設計規范》（GB51019-2014）表3.5.5的規定采用；徑向計算長度系數按照現行國家標準《鋼結構設計規范》（GB50017）的有關規定執行。在3D3S軟件中可以自動按照《鋼結構設計規范》計算兩個方向的計算長度系數，由于軟件不包含《化工工程管架、管墩設計規范》（GB51019-2014），因此柱軸向計算長度系數需要通過自定義調整解決。

關于管架柱及支撐構件的長細比控制，《化工工程管架、管墩設計規范》與《鋼結構設計規范》中的長細比有差異，在3D3S軟件中可以自定義長細比限值，設計人員應特別注意框架柱以及支撐的長細比控制。

設計中還應該特別注意支撐中間橫梁的鋼縱梁撓度限值控制為l/400；桁架按照l/500進行控制。此外，設計過程中還應該控制跨內撓度差異值，在裝置內沿管架縱向一個柱距內，管道支點最大撓度之差不應大于30mm，在裝置外沿管架縱向一個柱距內，管道支點最大撓度之差不應大于40mm。

一般過程中經常會有管廊架跨越廠區道路的情況，此時管架一般采用桁架結構。上承式桁架與下承式桁架都為上弦桿受壓、下弦桿受拉，弦桿的應力基本相同。上承式桁架的斜腹桿為拉桿，下承式斜腹桿為壓桿，相同截面的情況下，下承式桁架斜腹桿穩定應力接近1.0，上承式桁架斜腹桿用鋼量省，結構經濟合理。

5 結論

（1）管廊結構計算安全性及合理性是以上游相關專業提供資料準確為前提，因此，上游相關專業提供的資料務必全面、準確，比如上游相關專業提供的固定管架位置、水平推力大小會直接影響管架的結構布置。對于氣體管道試壓時要做的充水試驗的，還應該提供單獨或同時做充水試驗管徑范圍，使計算分析過程中考慮的荷載和實際工況盡量一致。

（2）分析過程中，管廊上部荷載取值、以及荷載分項系數選用務必要準確，必須根據項目實際情況充分考慮各種荷載工況組合。

（3）對于跨路段管架，一般采用桁架結構，桁架截面形式選擇要經濟合理，同時注意對結構構件撓度進行校核。