淺談大直徑管道支架的選型核算

胡光榮

(中國華西企業股份有限公司,四川成都 610081)

0 引言

伴隨著工程規模的不斷增大,為保證功能需求,管道的直徑也越來越大。目前管道支架施工參照國標圖集《03S402室內管道支架及吊架》[1]或者根據《HG/T 21629-1999管架標準圖》[2](簡稱《管架標準圖》)進行選擇。由于03S402國標圖集中考慮管道的管徑在400 mm以內,對于管道公稱尺寸為400 mm及以上的大直徑管道的支架無相關選型,已經不能滿足施工要求。在施工中,可能會遇到大直徑(DN≥400 m)管道支架安裝,為保證大管徑管道支架的安全性,需對管道支架受力分析,再通過計算和查閱有關手冊,選擇合適的型鋼支架。本文以瀘州大龍花園停車場項目為例,采用以上方法進行受力分析和支架選型。

1 工程概況

瀘州大龍花園公共停車場位于四川省瀘州市建設路以南,大龍花園小區以北,西鄰西江月住宅小區,北鄰怡康苑住宅小區。項目四周為發展較成熟的住宅街區,場地地形南高北低,兩側最大高差約為30 m。瀘州市平均降雨量為748.4～1184.2 mm,夏季降雨量較大。建筑單體屋面采用傳統重力式排水,雨水立管出戶就近接入雨水收集檢查井,雨水收集管道串聯連接,并按照小區實際地形設置雨水管路和埋深,在雨水管網(采用DN400無縫鋼管)取水點接入地下室蓄水池,后經雨水深度凈化系統殺菌后儲存于清水池中,作為綠化澆灑和道路澆灑等的補充水源。

2 支架選型

管道上應配置必要的支、吊架固定在建筑結構上,不但應確保管道系統安全可靠的運行,而且不能影響建筑結構的安全。施工時,具體的支架形式應根據現場的實際情況而定。

2.1 支架間距

管道支架間距應符合設計及驗收規范要求,查GB50242-2002《建筑給水排水及采暖工程施工質量驗收規范》,確定垂直管道(不保溫管道)支架間距如表1所示,水平管道支架間距如表2所示。

表1 垂直管道支架間距

表2 水平管道支架間距

2.2 支架形式確定

根據圖集03S402《室內管道支架及吊架》中的圖例,結合

大龍花園項目雨水回收系統管道施工的現場情況,確定水平管道支架安裝形式(圖1)。

圖1 水平管道支架安裝示意

3 支架計算

3.1 管道荷載

標準荷載:管道支架的荷載按其性質可分為靜載和動載。按荷載的來源則可以分為管道固有荷載、管道使用荷載、自然環境荷載和偶然性荷載。管道固有荷載是管道安裝后就恒定不變地作用于承重架的荷載,如管子、管件、閥門的重力;管道的使用荷載是管道在檢驗、運行期間作用于支架的荷載,如管道進行水壓試驗時水的重力,管內流體的荷載以及內壓和溫度產生的力等;自然環境荷載是管道所處環境的因素給支架造成的荷載,如刮風時所產生的風荷載;偶然性荷載是由某些偶然性因素在支架上產生的荷載,如地震、非正常運行時產生的水擊等。本文中鋼管的自重按國家標準GB8163-87《輸送流體用無縫鋼管》[7]的最小壁厚管重計算,其他荷載應按照施工現場實際情況確定。

垂直荷載:考慮到制作、安裝等方面的因素,采用管道支架的標準荷載乘以1.35的荷載分項系數。

水平荷載:按垂直荷載的0.3倍計算。

地震荷載:按地震設防烈度8度計算地震作用。

風荷載:本文中不考慮風荷載。

3.2 管道自重

查圖集03S402《室內管道支架及吊架》中支架設計說明,管道的重量可分為2種情況進行計算:

(1)保溫管道:按照管道支架設計間距內的管道自重、滿管水的重量、保溫層厚度取60 mm,然后附加三項重量之和的10%進行計算,其中保溫材料中所使用的巖棉按100 kg/m3計算。

(2)不保溫管道:按照管道支架設計間距內的管道自重、滿管水的重量、然后附加兩項重量之和的10%進行計算。鋼管重量可按式(1)計算。

m=F×L×ρ

(1)

式中:m為鋼管質量:(kg);F為鋼管截面積,(m2);L為鋼管長度,(m);ρ為鋼管密度,(kg/m3)。其中鋼管密度ρ取7.85×103kg/m3;F=π×δ×(D-δ),δ為鋼管厚度,D為鋼管外徑。

3.3 充液管道的重量

管道單位長度的荷載包括管道自身重量以及管道附件、管內流體和絕熱層等所附加的重力。

即管道的重力按式(2)計算。

M=qp+qL+qI

(2)

式中:M為單位長度管道的垂直荷載,(N/m);qp為單位長度管子的重力,(N/m);qL為單位長度管內流體的重力,(N/m);qI為單位長度管外隔熱層的重力,(N/m)。

對于閥門和特殊附件處的荷載為式(3)。

q=qA+qL+qI

(3)

式中:qA為單位長度閥門或附件的重力,(N/m);

式中:D1為管子的內徑,(m);D2為管子的外徑,(m);D3為隔熱層外徑,(m);K為管內液體填充率;g為重力系數,9.8N/kg;ρp為管材密度,(kg/m3);ρL為液體密度,(kg/m3);ρI為隔熱層密度,(kg/m3);管內液體填充率是管道中液體所占容積與總容積的比。

4 計算實例

4.1 計算條件

瀘州大龍花園項目雨水回用管道采用φ426 mm無縫鋼管,密度為7.85×103kg/m3; 無須進行管道保溫,即取q1=0;管道上無閥門等附件,即取q=0。無縫鋼管的許用應力值按照ASME B31.3—2012《美國國家標準壓力管道規范》[8]確定,其許用應力值在計算時乘以0.8的系數以保證管道的安全裕量。

4.2 支架橫擔彎矩計算

管徑為φ426 mm的無縫鋼管取10.0 m設置一副支架,支架選型過程中取所有最不利因素,管道作用在支架的荷載全部集中到一點,即式(4)。

Qz=Q×L

(4)

式中:Qz為總荷載,(N);Q為單位長度集中荷載,(N/m);L為長度,(m)。

根據式(1)、式(2)計算得:

qp=3.14×(0.2132-0.22)×7.85×103×1×9.8=1.3×103N/m;

qL=3.14×0.22×1×1.0×103=0.13×103N/m;

M=qp+1.1qL=1.44×103N/m;

Q=M=1.44×103N/m;

Qz=Q×L=15.12×103N。

故管道垂直荷載為:F=1.35Qz=20.41×103N。

根據所選支架形式,建立受力模型,分析受力情況,找出受力最不利點,管道受力如圖2所示,簡化計算先理解支座為簡支梁,L=0.645 m,H=1.0 m。

圖2 管道豎向受力

由圖2可以得出,支架橫擔的主要受力是由管道的集中荷載產生,畫出豎向集中荷載彎矩圖,如圖3所示。

圖3 豎向集中荷載彎矩

由圖3分析得,取橫擔1/2位置為最不利點,根據彎矩公式Mx=FL/4計算出支架豎向彎矩為Mx=3291.11 N·m。查《建筑結構常用數據手冊(下冊)》[9]中 Q235鋼熱軋普通槽鋼簡支梁整體穩定時的承載力矩設計值,跨度為10 m時,選擇型號為14#的槽鋼作為管道支架橫擔。

5 結束語

由計算可得出,選擇14#槽鋼作為管道橫擔,符合要求?？梢钥闯?在面對不同施工條件下的大型管道,其支架橫擔的 選用需充分考慮管道荷載,在保證系統穩定安全運行的前提下,再考慮所選用方案的經濟性。隨著工程規模的增大,大直徑管道的支撐問題會逐漸凸顯,本文只對大直徑管道支架橫擔給出了特定條件下的計算例子,在不同工程中的應用時支架受力需要逐一計算,希望本文中的計算方法、計算公式、計算實例能給予大家一定的啟發和參考。