談供熱工程中鋼結(jié)構(gòu)支架的設(shè)計(jì)方法

趙 宏

(太原市熱力公司，山西 太原 030012)

0 引言

隨著國家城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展和日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題，使得供熱工程在近幾年得到了長足的進(jìn)步，集中供熱成為了解決冬季居民生活和城市環(huán)境污染的主要形式。城鎮(zhèn)化的發(fā)展使大量的人口涌入城市，給城市的基礎(chǔ)設(shè)施和各種配套設(shè)施帶來了巨大的挑戰(zhàn)，城市的承載力日益減弱。我國北方許多城市均已禁止在市區(qū)修建大型熱源廠給城市提供熱源，而選擇距離市區(qū)較遠(yuǎn)的區(qū)域進(jìn)行修建，由此導(dǎo)致供熱管道管徑的增大和供熱距離的增長，在長距離的輸送過程中可能會遇到河流、山川、鐵路、公路等其他構(gòu)建筑物需要跨越。傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)支架在跨越河流、山川、鐵路、公路等其他構(gòu)建筑物時往往存在施工場地狹小、運(yùn)輸條件差、安全生產(chǎn)隱患大等問題，鋼結(jié)構(gòu)支架由于自重輕、施工方便、易于安裝和檢修的優(yōu)勢越來越多的應(yīng)用在長距離供熱傳輸中。本文結(jié)合太原市某供熱工程實(shí)例，對大管徑供熱管道鋼結(jié)構(gòu)支架的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討。

1 工程概況

太古供熱工程是由古交興能電廠至太原城區(qū)的長輸供熱工程，該工程設(shè)計(jì)年供熱量3 506 GJ/年，設(shè)計(jì)供熱面積為7 600×104m2，管網(wǎng)設(shè)計(jì)壓力為2.5 MPa，設(shè)計(jì)供水溫度為125 ℃。該工程共分兩個系統(tǒng)，2供2回，共敷設(shè)4根DN1 400 mm的供熱管道，長輸供熱管線在末端與太原城區(qū)管網(wǎng)相連接。長輸供熱管線輸送距離為37.8 km，最大高差達(dá)180 m，其中跨越汾河處架空敷設(shè)約2.6 km，隧道內(nèi)架空敷設(shè)約15.2 km，直埋敷設(shè)約20 km。長輸供熱管線沿線設(shè)置3座中繼泵站，1座事故補(bǔ)水站。隧道架空敷設(shè)段共分三個隧道組成，共計(jì)約15.2 km，其中1號隧道全長1.4 km，2號隧道全長2.4 km，3號隧道全長11.4 km。此供熱隧道為供熱專用隧道，隧道內(nèi)設(shè)置檢修車道。

2 鋼結(jié)構(gòu)支架類型

按照支承管道的方式不同，可以將鋼結(jié)構(gòu)支架主要分為：獨(dú)立式鋼支架、縱梁式鋼支架和組合式鋼支架。

1)獨(dú)立式鋼支架之間沒有任何構(gòu)件相連接，管道直接安裝于支架上。按其具體用途分為固定支架、活動支架和導(dǎo)向支架。

a.固定支架：管道內(nèi)介質(zhì)在流動過程中使管道產(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象，主要用以承受熱脹冷縮所產(chǎn)生的水平推力，支架及基礎(chǔ)要保證足夠大的剛度，以保證管道的自身穩(wěn)定。按照承受荷載的方向及數(shù)量可分為重載和減載兩類。重載固定支架主要布置在管道末端，用以承受單方向的水平推力；減載固定支架主要為設(shè)置在兩個補(bǔ)償器之間的中間固定支架，用以承受兩個相反方向的水平推力。固定支架是使用最廣泛的支架，支架的間距和數(shù)量直接影響工程的經(jīng)濟(jì)合理性。在設(shè)計(jì)時要合理選擇布置固定支架的位置，在間距允許范圍內(nèi)盡可能的增大間距，以減少支架的數(shù)量。布置固定支架時最大間距須滿足以下條件：管道的熱收縮量必須小于補(bǔ)償器的允許補(bǔ)償量；管道因膨脹所產(chǎn)生的水平推力必須小于固定支架所能承受的水平推力；避免管道產(chǎn)生縱向彎曲。固定支架的最大允許間距與設(shè)計(jì)管道的直徑、管道敷設(shè)形式、管道內(nèi)流動的介質(zhì)及運(yùn)行溫度和補(bǔ)償器的類型等均相關(guān)。

b.活動支架：活動支架用以承受管道內(nèi)介質(zhì)流動時，管道由于變形方向所產(chǎn)生的單向、雙向推力的支架；按照其受力作用和結(jié)構(gòu)形式可分為剛性支架、柔性支架、半鉸接支架、搖擺支架。

c.導(dǎo)向支架：當(dāng)設(shè)計(jì)的運(yùn)行管道需要綜合考慮風(fēng)荷載、地震和溫度形變所引起的橫向位移；避免管道運(yùn)行(彎段管道)產(chǎn)生不平衡內(nèi)壓、熱脹推力造成管道的軸向失穩(wěn)；管道補(bǔ)償器安裝時，保證補(bǔ)償器的軸心運(yùn)行，在補(bǔ)償器的前后支架上均應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向支架。

2)縱梁式支架：縱梁式支架由獨(dú)立式支架、縱梁、橫梁、柱間支撐組成，一般不設(shè)中間固定支架。縱梁式支架之間通過縱梁或桁架等水平構(gòu)件相連接，多用于布設(shè)管徑較小、支線較多、管道根數(shù)較多的管線。

3)組合式支架：組合式支架包括桁架式支架、懸索支架、吊索支架、拱管支架等，常布設(shè)桁架式支架。桁架式支架由桁架、高支架、低支架組成。多適用于管道跨距較大、設(shè)置支承立式補(bǔ)償器的管線或管徑較小且避免設(shè)立過多支架的管線。

3 鋼結(jié)構(gòu)支架設(shè)計(jì)原則

通常情況下供熱管道直接安裝在支架上，由于介質(zhì)溫度和大氣溫度的差異，管道將產(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)熱力管道時必須將這一現(xiàn)象處理好，保證管線的正常穩(wěn)定運(yùn)行。為保證管道在熱狀態(tài)下安全穩(wěn)定運(yùn)行，減少管道在熱脹冷縮時所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，應(yīng)對管道受熱時的熱伸長量進(jìn)行補(bǔ)償。管道熱補(bǔ)償有如下兩種方法：1)補(bǔ)償器；2)利用管道自身彎曲的自然補(bǔ)償。本工程中主要采用了補(bǔ)償器的辦法，局部采用了管道自然彎曲的自然補(bǔ)償。該工程采用外壓軸向型波紋管補(bǔ)償器來承擔(dān)管道在運(yùn)行期間熱脹冷縮產(chǎn)生的變形，補(bǔ)償管道的位移量。

鋼結(jié)構(gòu)支架設(shè)計(jì)應(yīng)滿足施工及運(yùn)行期間的各種荷載組合作用、不利因素的影響和管道內(nèi)內(nèi)力產(chǎn)生的推力，鋼結(jié)構(gòu)支架必須維持其穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)時一般采用有限元或PKPM計(jì)算軟件，用含分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算，通過對支架的受力模型及動力特性的分析，抗震地區(qū)還應(yīng)考慮支架的抗震性能分析，從而設(shè)計(jì)出合理的鋼結(jié)構(gòu)管道支架。支架設(shè)計(jì)的一般原則主要有以下幾個方面：

1)根據(jù)GB 50068—2001建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：對安全等級分別為一、二、三級或設(shè)計(jì)使用年限分別為100年及以上，50年，5年時，重要性系數(shù)分別不應(yīng)小于1.1,1.0,0.9。

2)鋼結(jié)構(gòu)支架包括的所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件均進(jìn)行承載力計(jì)算；對有抗震設(shè)防要求的結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行構(gòu)件抗震承載力驗(yàn)算。

3)鋼結(jié)構(gòu)支架水平梁在垂直荷載及水平推力作用下，按照雙向受彎構(gòu)件進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算、強(qiáng)度、穩(wěn)定性驗(yàn)算。固定鋼結(jié)構(gòu)支架水平梁的最大撓度不宜大于梁跨度的1/500；其他支架水平梁的最大撓度不應(yīng)大于梁跨度的1/250。豎向荷載(標(biāo)準(zhǔn)值)作用下的撓度容許值不大于L/400；管道水平推力(標(biāo)準(zhǔn)值)作用下的撓度容許值不大于L/400。

4)焊縫應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、荷載特性、焊縫類型、工作環(huán)境及應(yīng)力狀態(tài)等情況綜合考慮，選擇不同的質(zhì)量等級進(jìn)行焊縫連接計(jì)算。

4 鋼結(jié)構(gòu)支架計(jì)算實(shí)例

根據(jù)GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定和上述鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則，采用PKPM的STS支架計(jì)算模塊進(jìn)行計(jì)算分析。所有梁柱、立面斜撐節(jié)點(diǎn)均設(shè)置為鉸接節(jié)點(diǎn)。當(dāng)使用計(jì)算模塊根據(jù)不同荷載的組合分布情況計(jì)算出內(nèi)力之后，需要對于每個構(gòu)件進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，其中包括撓度的驗(yàn)算、強(qiáng)度驗(yàn)算和系統(tǒng)整體穩(wěn)定性的驗(yàn)算。該工程對受彎構(gòu)件的強(qiáng)度與穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算、構(gòu)件立柱的撓度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算及焊縫的連接計(jì)算如表1～表3所示。

表1 受彎構(gòu)件強(qiáng)度與穩(wěn)定性計(jì)算表

表2 水平梁構(gòu)件強(qiáng)度與穩(wěn)定性計(jì)算表

表3 焊縫連接計(jì)算表

5 結(jié)語

架空管線隨著長輸供熱管線的廣泛應(yīng)用，設(shè)計(jì)應(yīng)用也越來越廣泛。當(dāng)供熱管道需要通過某些特殊地形時，可采用鋼結(jié)構(gòu)架空形式進(jìn)行布置，但應(yīng)合理進(jìn)行鋼支架的布局和設(shè)計(jì)。本文介紹了鋼結(jié)構(gòu)支架設(shè)計(jì)的原則，并通過計(jì)算軟件對工程實(shí)例進(jìn)行了計(jì)算。但是，在鋼支架設(shè)計(jì)過程中，不僅要在結(jié)構(gòu)計(jì)算方面進(jìn)行優(yōu)化，在施工材料和施工工藝方面也需要進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，才能達(dá)到更加經(jīng)濟(jì)合理的施工方式。