独立式管道支架的加固设计

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摘要：本文介绍了管道支架的种类，重点介绍独立式管道支架的受力特点及破坏形式；通过一工程实例说明独立式管道支架在工程实际中的应用及加固形式。

关键词：管道支架；荷载组合；抗震设防烈度；加固；抗震构造措施

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

管道支架是钢铁冶金行业的一种重要的特种结构,它主要支撑架空管道；这种结构数量大、分布广，计算比较复杂；而且多数管道支架的工作环境恶劣，锈蚀严重或焊口开焊时有发生。经常造成管道支架事故的发生。因此对管道支架的加固，保证管道支架的安全工作刻不容缓。本文对独立式管道支架的加固设计进行了探讨。

1 管道支架分类

支架分独立式管道支架和组合式管道支架。其中独立式管道支架根据管道支架在管路上的作用不同，分为固定管道支架和活动管道支架。固定管道支架与管道之间不产生相对位移；活动管道支架则允许管道与管道支架之间产生相对位移，不约束管道的热变形。活动管道支架根据结构特征不同，又分为刚性管道支架、柔性管道支架和半铰接管道支架等。组合式管道支架就是采用某些辅助结构，把各自独立的管道支架联系起来，形成一个大跨度支撑管道的管道支架系统。分为纵梁式、吊索式和悬索式管道支架。

2 管道支架加固设计要求

钢结构管道支架常存在如下缺陷：管道支架上缺少防管线震落措施；横梁有挠曲或节点开焊；管道支架立柱歪斜；管道支架立柱和横梁连接不牢；横梁上无管托或管托断裂。

由于管道支架的上述缺陷，常造成管线折断，带来较大的经济损失。因此，必须进行管道支架的加固。管道支架一般由管座、管道支架柱、管道支架梁和基础等组成。

对活动管道支架的改造可利用改变管托的方法，达到减小管道对支架作用力的目的。比如将钢管托改为橡胶（聚四氟乙烯）管托，因为钢管托与管道支架上预埋钢板的摩擦系数为0.3，而聚四氟乙烯管托的摩擦系数为0.1，这样管道对管道支架作用的轴向水平推力，仅为原来水平推力的三分之一，从而使支架加固简化或免于加固。但应根据具体情况和橡胶管托系列产品酌情使用，还应考虑橡胶老化后能更换的可能性。

3管道支架的抗震验算

管道支架是支撑管道的结构，管道在一定程度上也支撑着管道支架，两者形成一个空间体系而共同工作。管道支架荷载主要考虑工艺提供的水平推力和风荷载，管道支架抗震要求主要与设防烈度、管道敷设方式和管道与管道支架在地震时的工作状态有关。对于固定管道支架抗震等级不能低于三级，活动管道支架抗震等级不能低于四级。需要注意为防止地震时管道由管道支架上滑落，需要采取必要的抗震构造措施并进行抗震验算。

4 工程实例

4.1 工程概况

某焦炉炉段管廊支架由22个独立管道钢支架组成，支架为空间桁架，上面主要布置煤气管道、蒸汽管道、氨水管道等。由于长期暴露在室外，加之年久失修，管道支架钢结构锈蚀严重，部分支架杆件屈曲。

4.2 管道支架荷载调查

管道内的介质及管道的型号和数量参见表1。其中蒸汽管道、热水管道外包保温层，保温层为100mm厚岩棉。

表1 管道支架荷载统计

4.3 管道支架承载力验算

以其中一管道支架为例进行承载力验算：

1.计算荷载

(1) 永久荷载包括管道自重；内衬、保温层、管道内介质自重；管道附件和操作平台自重；

(2) 风荷载：由于管道两旁是较高的厂房，且风荷载效应远小于地震荷载效应，所以风载可忽略不计。

2.承载力验算

管道支架的间距为6m，钢材材质为Q235钢，依据《建筑结构荷载规范》GB50009-2001进行荷载组合：

由永久荷载效应控制的组合：

S＝1.35×1708.72×6×9.8=133.54 kN

由于管道在支架上布置较均匀，忽略偏心影响；所以管道支架所承受的轴力为：

133.54×1000/4+1.5×3×9.03×9.8×1.35＝33923 N

表2 支架立柱承载力计算

4.4 固定管道支架的抗震验算

根据现场损坏的支架资料分析，对于滑动管道支架，当管道采用滑动方式铺设时，因其承担的地震作用最大值小于或等于静力计算时的最大摩擦力，因此，滑动管道支架可以不作抗震计算。

1.计算简图

由于管道纵向刚度远远大于横向刚度，而且管道支架重量与管道重量相比可以忽略，故计算模型可简化为只沿管道横向的单质点体系。

2.抗震承载力计算

计算单元的选取为每个管道支架左右各取1/2长度作为一个计算单元，忽略各计算单元之间在地震力作用下的相互作用；重力荷载代表值Geq为：管道(包括内衬、保温层和管道附件)和操作平台，采用自重标准值的100%；管道内介质，采用自重标准值的50%；管道支架，采用自重标准值的25%。

该地区的抗震设防烈度为7度，由《建筑抗震设计规范》GB50011-2001，水平地震作用标准值计算见表3。

表3 水平地震作用力计算

考虑地震荷载组合，支架立柱承载力计算见表4。

表4 考虑地震力组合支架立柱承载力计算

考虑地震荷载组合，支架斜腹杆承载力计算见表5。

表5考虑地震力组合支架斜腹杆承载力计算

经现场检查发现，所有支架立柱与支撑斜杆的连接均未设置节点板，造成焊缝长度太短，只能通过增加焊脚尺寸来满足承载力要求；所以建议杆件的连接尽量采用节点板连接。

4.5 活动管道支架的构造要求

由于活动管道支架允许管道与管道支架之间产生相对位移，所以管道与支架之间采用滑动连接。这种连接构造既要保证管道的自由滑动，又要保证连接的安全可靠。

现场焦炉炉段管廊支架的8#支架为活动管道支架，构造欠妥，将管托支架压在辊轴上，没有任何固定措施。在经历数载冷热循环后，管道的辊轴已经与管托错位，随时有可能跌落。

建议采用带滑道的辊轴替换原有的辊轴，这样既能保证管道的自由滑动（滑动的摩擦系数小），又能保证连接的安全可靠（管道和辊轴不至跌落）。

5 结论

（1）管道支架种类繁多，构造多样；所以加固的方法也各有不同。

（2）本文仅对独立管道支架进行分析计算并提出加固方案。

（3）通过承载力验算和抗震验算可知，这种空间桁架式管道支架的截面承载力不起控制作用，主要靠杆件的长细比控制；所以在现场检查时要特别注意斜拉杆的焊口，如开焊则原有的长细比将增大一倍。

（4）活动管道支架管托处的构造，既要经济合理又要安全可靠；本文中的加固方案仅供参考，希望其他同行共同探讨。