基于CAESARII的高層建筑空調(diào)管道應(yīng)力的溫度影響分析

黃正凱,鄧亞宏,肖 陽(yáng),聶 偉,楊仲卿,孟勝利

(1.中建三局第二建設(shè)工程有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430070；2.重慶大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,重慶 沙坪壩 400000；3.中國(guó)電建集團(tuán)華中電力設(shè)計(jì)院有限公司,河南 鄭州 450007)

1 引言

在高層建筑中應(yīng)力分析是空調(diào)管道工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),是保證管道安全運(yùn)行的一種重要方法。目前管道應(yīng)力分析在優(yōu)化設(shè)計(jì)、安全生產(chǎn)、節(jié)約材料等方面起到了重要作用,并已在石油、化工、電力、建筑等領(lǐng)域的管道設(shè)計(jì)中占據(jù)了十分重要的位置[1]。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)各種管道進(jìn)行應(yīng)力分析。張樺輸水管線里的埋地鋼管進(jìn)行了受力分析,提出了減小應(yīng)力危害的措施和方法[2]；邢一東通過(guò)CAESARⅡ?qū)ζ啓C(jī)蒸汽管道進(jìn)行了建模與應(yīng)力分析,通過(guò)比較不同支吊架設(shè)置以及管道走向得出最佳方案[3]；鄭明秀則是利用CAESARⅡ?qū)?00 MW火力發(fā)電機(jī)組主蒸汽管道進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,提出管道設(shè)置改進(jìn)方案[4]。

目前對(duì)于高層建筑空調(diào)管道的應(yīng)力分析目前研究的較少,民用高層建筑的暖通空調(diào)系統(tǒng)采用大量的管道進(jìn)行水介質(zhì)的輸送,不同空調(diào)系統(tǒng)所采用的管道系統(tǒng)也有所區(qū)別。研究表明,不同類(lèi)型的管道承受載荷的能力不同,由壓力、溫度等因素引起的應(yīng)力值改變量也不相同。使用應(yīng)力分析軟件CAESARⅡ?qū)δ扯慰照{(diào)管道進(jìn)行應(yīng)力分析,通過(guò)改變管道溫度,得出溫度對(duì)空調(diào)管道應(yīng)力的影響規(guī)律,為暖通空調(diào)管道的設(shè)計(jì)和施工提供安全依據(jù)。

2 管道模型的建立

本文構(gòu)建了某空調(diào)系統(tǒng)的一段管道模型,管道采用滑動(dòng)支架和導(dǎo)向支架作為支撐,起點(diǎn)和終點(diǎn)分別設(shè)置一個(gè)固定支架,用以截?cái)嘌芯繉?duì)象以外管道對(duì)模型的影響,管道具體支吊架設(shè)置和管道走向如圖1所示。

根據(jù)實(shí)際暖通空調(diào)安裝的常用工況管材采用了常用的20號(hào)鋼φ273×12.7mm的管道,管道壓力設(shè)定為2MPa。由于當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)制冷時(shí)一般輸水溫度為7℃-12℃,制熱時(shí)輸水溫度為40-45℃,而鍋爐房輸水溫度一般在70℃以上。由于輸水管道的溫度變化范圍較大故將管道溫度分為低溫、常溫、中溫和高溫四個(gè)區(qū)間對(duì)管道應(yīng)力進(jìn)行分析。其溫度具體分區(qū)如表1所示。

表1 溫度分區(qū)表

3 結(jié)果與分析

對(duì)各溫度區(qū)間的管道應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總,結(jié)果表明在不同溫度下操作應(yīng)力最大位置處于兩彎頭之間的結(jié)合部位,將其作為對(duì)象研究管道的操作應(yīng)力,操作應(yīng)力過(guò)高可能導(dǎo)致管道的疲勞破壞和脆性斷裂。而二次應(yīng)力最大位置則在管道尾端固定支架節(jié)點(diǎn)處,將其作為對(duì)象研究管道的二次應(yīng)力,二次應(yīng)力過(guò)高會(huì)導(dǎo)致管道的疲勞破壞。將各個(gè)溫區(qū)內(nèi)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分別進(jìn)行分析如圖2-9所示,同時(shí)對(duì)各曲線進(jìn)行擬合。

3.1 低溫區(qū)管道應(yīng)力分析

由圖2和圖3可知,在低溫區(qū)間內(nèi),管道操作應(yīng)力隨著溫度的升高而減小,減小幅度很小,當(dāng)溫度增大10℃,其操作應(yīng)力減小50kPa,減小幅度很小,其擬合直線的斜率為-5.2。由于操作應(yīng)力是由于荷載和局部結(jié)構(gòu)發(fā)生突變產(chǎn)生的,所以說(shuō)在低溫區(qū),溫度的變化對(duì)管道的局部結(jié)構(gòu)影響很小,所以對(duì)管道應(yīng)力影響不大。管道的二次應(yīng)力隨著溫度的升高而增大,并且增大幅度明顯,在此溫度區(qū)間內(nèi)溫度每升高10℃,二次應(yīng)力增大近8000kPa。其擬合直線的斜率為789.2。由此可見(jiàn),在低溫區(qū)內(nèi),管道溫度對(duì)于二次應(yīng)力的影響要遠(yuǎn)大于對(duì)操作應(yīng)力的影響,所以對(duì)于低溫管道要注意對(duì)二次應(yīng)力的校核。

圖2 低溫區(qū)操作應(yīng)力與溫度關(guān)系

圖3 低溫區(qū)二次應(yīng)力與溫度關(guān)系

3.2 常溫區(qū)管道應(yīng)力分析

由圖4和圖5可知,在常溫區(qū)間內(nèi),管道操作應(yīng)力隨著溫度的升高而減小,但是減小幅度很小,其擬合直線的斜率為-3.1,斜率比在低溫區(qū)的還要小,說(shuō)明在常溫區(qū)間內(nèi)溫度對(duì)管道操作應(yīng)力的影響很小,管道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。而對(duì)于管道的二次應(yīng)力隨著溫度的升高而增大,并且增大幅度明顯,其擬合直線的斜率為802.2。由于管道在高于20℃時(shí)開(kāi)始膨脹,其二次應(yīng)力隨著溫度上升逐步提高。

圖4 常溫區(qū)操作應(yīng)力與溫度關(guān)系

圖5 常溫區(qū)二次應(yīng)力與溫度關(guān)系

3.3 中溫區(qū)管道應(yīng)力分析

由圖6和圖7知,在中溫區(qū)內(nèi),管道操作應(yīng)力的變化規(guī)律相對(duì)于低溫區(qū)產(chǎn)生了很大變化,其隨溫度的升高而增大,并且可以看出早35-40℃之間其應(yīng)力增長(zhǎng)速率明顯小于40-65℃,說(shuō)明隨著管道溫度的升高,管道的局部結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化,產(chǎn)生了較大的局部應(yīng)力。其總體擬合直線的斜率為728.5。管道的二次應(yīng)力隨溫度的升高而增大,其擬合直線的斜率為825.5,比低溫區(qū)和中溫區(qū)的擬合直線斜率都要高,表明管道此時(shí)發(fā)生了更大的熱膨脹。

圖6 中溫區(qū)操作應(yīng)力與溫度關(guān)系

圖7 中溫區(qū)二次應(yīng)力與溫度關(guān)系

3.4 高溫區(qū)管道應(yīng)力分析

由圖8和圖9可知,在高溫區(qū),管道操作應(yīng)力隨溫度的升高而大幅增大,到95℃時(shí),操作壓力約為90000kPa,其擬合直線的斜率為851,對(duì)于高溫的空調(diào)管道,過(guò)大的操作應(yīng)力會(huì)使管道會(huì)有脆性斷裂和疲勞破壞的風(fēng)險(xiǎn)。管道二次應(yīng)力隨著溫度的升高而增大,在95℃時(shí)達(dá)到約78000kPa,其擬合直線的斜率為856。由于二次應(yīng)力是由于變形受到約束所產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力,它本身不直接與外力平衡,二次應(yīng)力是自限性的,當(dāng)局部屈服和產(chǎn)生少量塑性變形時(shí),通過(guò)變形協(xié)調(diào)可以使過(guò)高的應(yīng)力降下來(lái)。

圖8 高溫區(qū)操作應(yīng)力與溫度關(guān)系

圖9 高溫區(qū)二次應(yīng)力與溫度關(guān)系

4 結(jié)論

通過(guò)運(yùn)用應(yīng)力分析軟CAESARⅡ?qū)δ晨照{(diào)管道進(jìn)行了應(yīng)力分析,通過(guò)改變管道的溫度,對(duì)比分析結(jié)果,得出如下結(jié)論：①空調(diào)管道在常溫區(qū)間有最小的管道操作應(yīng)力：當(dāng)溫度處于5-35℃時(shí),空調(diào)管道操作應(yīng)力隨著溫度的升高而減小,但管道操作應(yīng)力整體變化幅度極小；②當(dāng)管道溫度處于35℃-95時(shí),空調(diào)管道操作應(yīng)力隨著溫度的升高而增大,并且管道整體應(yīng)力變化幅度很大,其幅度大小約為低溫時(shí)變化幅度的200倍；③管道的二次應(yīng)力隨著溫度的升高而增大,并且較高的溫度對(duì)于管道二次應(yīng)力的影響更大。

因此在高層空調(diào)管道工程設(shè)計(jì)中,確定管道的適用條件需要考慮溫度對(duì)管道應(yīng)力的影響,特別是在管道一些關(guān)鍵部位如管口、彎頭、三通等應(yīng)力較大點(diǎn)應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注,以確保空調(diào)管道設(shè)計(jì)的合理性以及運(yùn)行安全。