綜合管廊管架有限元分析

王旭昶 王勝 王春柏

摘 要：本文結合某市綜合管廊項目，通過有限元分析軟件對比分析了DN500熱力管道懸臂管架和簡支管架的受力特點。發現當懸臂管架與簡支管架剛度控制條件相同時，結構應力均能滿足設計要求，同時懸臂管架用鋼量更少。

關鍵詞：綜合管廊;管架;有限元

中圖分類號：U173? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）08-0110-03

在綜合管廊工程中，管道支架的應力分析是比較復雜的，其根本原因是管架的荷載工況較為復雜，需要考慮各方向靜力、溫度作用、地震作用以及防連續破壞。因此，為了得出管架的主控條件，本文結合實際工程對DN500熱力固定管架進行了有限元分析。

1項目背景

本文項目所在區域地抗震設防烈度為6度，地震動峰值加速度為0.05g，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，反應譜特征周期為0.35s。抗震設防類別為重點設防類（乙類），抗震等級為三級，管廊標準斷面如圖1所示。

2計算模型

模型考慮焊縫尺寸，通過倒角模擬焊縫，不建立柱腳構造，在計算中通過柱腳的邊界條件模擬柱腳構造。計算進行熱固耦合分析，采用實體單元，材料選用Q235B，本構關系參考《碳素結構鋼》（GB/T 700-2006）第5.4.1條及表2中的數值，當厚度小于16mm時，屈服強度采用235MPa，極限強度采用370MPa;當厚度為16mm～40mm時屈服強度采用225MPa，極限強度采用370MPa。鋼材彈性模量采用206×103N/mm2，剪切模量采用79×103N/mm2，線膨脹系數采用12×10-6mm/℃，質量密度采用7850kg/m3。

荷載標準值及介質溫度由熱力專業提供，如表1所示。由于采用壓力平衡型波紋補償器，在試壓工況時，管道不對管架產生作用力。

廊內溫度由通風專業提供，安裝溫度按5℃考慮，廊內允許最高溫度40℃。

進行荷載組合后，各工況下荷載沿各坐標軸的分量如表2所示。

在初選截面階段，可以僅考慮管道軸向力的作用。截面控制因素如表3所示。

根據截面控制因素并參考《熱軋H型鋼和部分T型鋼》（GB/T 11263-2017）中的市場常用規格，對懸臂管架柱選用HN600×200;對簡支管架選用HN700×300。管道橫擔參考《結構用冷彎空心型鋼》（GB/T 6728-2017）選用200×100×6方鋼管。

僅建立固定管架，簡支式固定管架與懸臂式固定管架模型如圖2所示。

3計算結果

3.1 運行工況

經過有限元計算，運行工況下的von-Mises等效應力云圖如圖3所示。

柱腳反力如表4與表5所示。

計算結果顯示，除去應力奇異點后，簡支式固定管架各項結果均滿足運行工況設計要求。

3.2 事故工況

經過有限元計算，運行工況下的von-Mises等效應力云圖如圖4所示。

柱腳反力如表6與表7所示。

計算結果顯示，除去應力奇異點外，簡支式固定管架各項結果均滿足事故工況設計要求。

4對比分析

從分析的結果來看，固定管架的設計是由變形控制的，當設計的固定管架滿足變形設計要求時，其強度和穩定性往往都滿足設計要求。因此，固定管架設計的控制因素為剛度條件。

從經濟方面考慮，簡支管架用鋼1730.8kg，懸臂管架用鋼561.47kg。按照熱力管道60m設置一處固定管架的間距考慮，一公里綜合管廊內懸臂式固定管架較簡支式固定管架用鋼量節約了18709.28kg。按鋼材4500元/1000kg計算，每公里綜合管廊內固定管架可節約投資84191.76元。

5結論

在一般的綜合管廊中，懸臂式管架能更符合管廊內部空間的要求，同時較簡支式管架更加節約鋼材和施工時長。簡支式管架只有在熱力艙凈高由熱力管線控制時更加經濟，但是對于實際工程遇到的綜合管廊斷面而言，簡支式管架的經濟性不高。

參考文獻：

[1]中國電力工程顧問集團華東電力設計院. 發電廠汽水管道支吊架設計手冊[M]. 中西書局， 2011.

[2]GB/T 17116.1-1997《管道支吊架 第1部分：技術規范》

[3]GB/T 700-2006《碳素結構鋼》

[4]GB/T 11263-2017《熱軋H型鋼和部分T型鋼》

[5]GB/T 6728-2017《結構用冷彎空心型鋼》