鋼管架結構設計探討

高等利

(京鼎工程建設有限公司，北京 100011)

0 引言

凡支撐管線、電纜等的構架，配置穩定的結構系統者，均可稱為管架。管架在石化企業里普遍存在，它如同大樹的枝干，將各種生產原料輸送到各個器官。幾乎每個石油化工項目，都包含有管架的設計工作，以及新廠區和老廠區管架的對接工作，以確保生產的需要。因此，管架設計的合理性對整個工程項目非常重要。

本文總結了某PTA項目的鋼管架結構設計的一些經驗，通過軟件計算分析，明確了管架結構的受力特點，為該種結構的設計工作提供了參考。

1 工程概況及設計要點

某PTA項目中的主管架設計資料如下:基本風壓:ω0=0.40 kN/m;基本雪壓:S0=0.40 kN/m;抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，設計地震分組為第一組，場地類別Ⅱ類。安全等級為二級，設計基準期50年。

管架的設計需滿足工藝的要求，管架上要通行各種管道，有荷載大的大直徑管道，也有荷載小的小直徑管道。同時管架的結構布置還要滿足人員操作、管道拆卸檢修和人員通行的要求。因此，結構布置的關鍵是與各專業協調合理確定水平支撐和豎向支撐的位置，以防止管道與結構碰撞，同時要滿足整體管架結構受力合理性的要求。另外，基于經濟性的考慮，應合理選擇梁柱截面，在保證安全的前提下，使其受力最優化。

本項目管架選用全鋼結構，橫向14 m，縱向271 m。由于篇幅限制，本文取其中一段為例進行分析設計。

2 管架結構布置

結構專業在進行管架布置時，應及時與管線、總圖、儀表、電氣等專業進行有效的溝通協調，結合溫度區段、道路、地下管網的具體情況，在滿足工藝要求的條件下，合理確定管架的結構布置。

1)管架跨度:根據管架上的管道布置情況，由結構專業和管線專業共同確定。本項目中的管架跨度取為6.5 m和7.5 m。

2)管架柱距:管架柱距原則上由管線專業確定，但是要滿足結構專業受力合理性的要求。本項目中的管架各柱距為5 m～13 m之間。

3)溫度縫布置:對于長度大于120 m的全鋼管架結構，基于鋼結構溫度變形的考慮，要設置溫度縫，且在溫度縫處采用雙柱處理。

4)斜撐布置:水平斜撐需與立面斜撐配套布置，形成穩定的受力體系，能將水平力可靠的傳給主管架結構。

5)橫向布置:基于使用的要求，為提供管架下方維修、通行空間和方便管道布設，橫向應盡量避免使用立面斜撐，因此，一般情況下管架橫向采用剛接的形式。

6)縱向布置:考慮管架結構受力合理性的要求，縱向梁柱采用鉸接的形式。且縱向每隔幾跨需布置立面斜撐以有效的傳遞水平力，立面斜撐的具體位置要考慮管線進出的要求，事先要和管線專業協調綜合布置。

3 結構設計荷載

3.1 自重

自重包括管架本身自重和電纜自重。其中本管架上電纜自重為4 660 kg/m，折算為線荷載施加在主次橫梁上。電纜層次梁的間距取2.5 m，施加在主次橫梁上的電纜線荷載計算如下:

3.2 管道豎向荷載

管道豎向荷載包括管道的空重、操作重和試水重，由管線專業提供，這些荷載作用在主橫梁或次梁上，作用形式為均布力或集中力。

1)均布力。

根據SH/T 3055—2017石油化工管架設計規范，小管道采用均布力的形式作用于主橫梁及次梁上;荷載大于10 kN的大管道，宜按集中荷載作用于主橫梁上。管道均布線荷載標準值(kN/m)可按下式計算:

其中，qv為作用在橫梁上的管道豎向均布荷載標準值，kN/m;l為橫梁間距，m;Fi為第i單根管道的垂直荷載標準值，kN/m;L4為較小管道的分布范圍，m;n為計算區段內的管道數量(一般大于4根)。

2)集中力。

對大于10 kN的大管，按集中荷載作用在主橫梁上，當上述均布力在主橫梁上滿布時，大管面積范圍內的均布力要予以扣除，即:

其中，S為大管道跨度，m;W為大管道每米重量，kg/m;p為大管道投影范圍內的均布面荷載，kg/m2;D為大管道直徑，m。

3.3 管道的摩擦力

管道的摩擦力由管道專業提供，作用方式同管道操作荷載，作用方向為沿管道走向的水平方向。

3.4 管道的錨定力

管道錨定力由管道專業提供，本項目以每米寬2 kN水平集中力作用于主橫梁上。

3.5 風荷載(WL)

根據大量工程經驗，對于管架結構，主要是橫向風荷載起控制作用。風荷載計算包括管道風荷載、作用在每根縱梁上的風荷載、作用在每榀桁架上的風荷載、作用在每榀柱上的風荷載、以及作用在每支電纜盤支撐橋架上的風荷載。其中每支電纜盤支撐橋架風荷載可按下式計算:

其中，h3為電纜橋架高度，m;le為電纜盤支撐橋架的間距，m;μs4為結構風荷載體形系數，取 1.3。

3.6 地震荷載

本項目中的管架需考慮橫向水平地震作用，根據GB 50011—2010建筑抗震設計規范，采用底部剪力法進行水平地震作用計算。結構底部水平地震作用標準值按下式確定:

4 鋼管架結構設計

4.1 鋼管架的變形及位移控制

根據規范規定，本項目管架縱梁、橫梁的允許撓度為1/250，鋼桁架的允許撓度為1/500;在風荷載作用下，鋼管架沿徑向產生的柱頂點位移與總高度之比值不大于1/250。

4.2 結構承載力計算

軸心受壓受拉構件的強度計算公式:

其中，N為軸心拉力或軸心壓力;An為凈截面面積;φ為軸心受壓構件的穩定系數;Mx，My分別為同一截面處繞x軸和y軸的彎矩;Wnx，Wny分別為對 x軸和 y軸的凈截面模量;γx，γy均為截面塑性發展系數。

4.3 結構建模的注意事項

本管架設計采用STAAD-PRO軟件進行建模和計算。建模時最重要的一點是要判斷各桿件節點的連接形式是否正確(鉸接還是固接)，桿端約束釋放是否正確。對軟件的計算結果進行分析時，要注意手算復核輸入的垂直及水平反力是否與輸出的反力符合。

另外要注意的是，STAAD-PRO軟件不能自動計算桿件局部受扭的情況，因此對于局部受水平力較大的梁，要單獨驗算梁及其接頭處的抗扭能力。對于在主梁的一邊懸挑出支撐梁的情況，要手工復核主梁的抗扭轉能力。圖1為該項目中鋼管架的計算模型。

圖1 管架結構模型

5 結語

鋼管架設計要力求技術先進、安全可靠、經濟合理、確保生產。本文結合實際工程和自己的設計工作經驗，對鋼管架的結構設計提出了一些建議，主要如下:

1)結構專業在進行管架布置時，要與工藝、管線、總圖、儀表、電氣等專業進行協調，結合溫度區段、道路、地下管網的具體情況，在滿足整體結構傳力合理性的條件下，合理布置管架的跨度、柱距、水平斜撐和立面斜撐，并且要避免管道與構件的碰撞。

2)選取荷載時，應聯系實際并對荷載做合理簡化。

3)當對軟件的計算結果進行分析時，要注意手算復核輸入的垂直及水平反力是否與輸出的反力符合。

4)構件設計時，對于縱梁，一般由撓度控制;對于橫梁，一般由強度和穩定性控制;對于柱，一般由強度控制;對于水平斜撐一般由長細比控制;對于豎向斜撐，結構受力大時由強度控制，結構受力小時由長細比控制。