浅谈化工管架的结构设计

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摘 要：基于化工行业管架的类型、受力特点、管架使用功能要求，运用结构力学的分析方法和构筑物设计的构造措施要求，对化工管架的结构设计要点进行分析和阐述，解决管架结构设计中常见的各个疑难问题，以进一步优化管架的结构优设计方案。

关键词：管架；结构；设计

1 概述

在化工行业，管架是最常见的构筑物，是液相、气相介质管道及电气、仪表电缆桥架的支撑结构。文章主要阐述，管架设计中碰到的一些设计要点问题，以期达到不断优化设计的目的。

2 管架的分类

管架按结构形式主要分为独立式管架、管廊式管架。独立式管架适合于层高低、管道管径小荷载小的单层管架，如T型管架。管廊式管架，一般简称管廊，适合于层高高、层数多、管道管径大荷载大的多层管架。液相介质管道直径大于或等于500mm、气相介质管道直径大于或等于600mm、输送易燃、易爆、剧毒、高温、高压介质的管道，支撑此类管道的管架应采用管廊式管架，且固定架处应设置水平撑、垂直撑等传力构件。

管架管道在管架上的支承条件分为固定管架和活动管架。固定管架横梁上的管道设置了限位，将管道和横梁紧紧地连接在一起，管道与管架之间不允许产生相对位移。固定架承受着纵向区段内产生的全部水平力，所以，一般此处设有水平撑、垂直撑，以减小水平力的传力途径。

管架按结构材料分为钢筋混凝土管架、钢结构管架和混合结构管架。由于钢结构具有易于工厂加工、安装速度快、构件断面相对较小等优点，钢结构管廊得到了越来越广泛的应用。混合结构管架指横向一榀柱与横向主梁采用钢筋混凝土现浇结构，纵向钢梁、水平撑、垂直撑采用钢结构。混合结构管架适用于工期要求不高的工程，尤其在钢材成本高的时期可以降低造价。

3 管架的设计要点

管架的布置是管廊设计的重点，优化的布置会让管廊结构受力更合理。首先管廊整体走向不宜布置成L型，因为“L”型管廊，两条管廊横纵相交处是整体应力集中处，尤其在地震工况下。其次，钢结构管廊的区段长度需满足伸缩要求，一般不超过120m为宜。固定架位置一般选在在管道水平力较大处，以实现传力途径最短，同时需考虑固定架处垂直对检修通道、消防通道等的影响，避免出现垂直撑挡路的问题。基于以上内容，在结构设计时，应将管廊的轴线不断地进行调整，以使管廊的布置趋于结构设计合理、使用功能合理。

不可以忽略电缆桥架所受风荷载对结构产生的影响。当竖向电缆桥架高度较大且数量较多时，风荷载将对整个结构和局部构件产生较大影响，特别是在风荷载较大的地区，忽略了往往导致结构计算偏于危险。同时，对于风荷载的计算，应该严格按照规范，将管廊柱、纵梁、管道、电缆桥架上的荷载一并计算，以保证每个工况下，结构计算的正确。

管廊横向主、次梁上的垂直管道荷载传递问题。管径小于等于2寸时，管道的最大支承长度为3米；管径大于2寸且小于等于6寸时，管道的最大支承长度为6米；管径大于6寸且小于等于12寸时，管道的最大支承长度为9米。对于大直径的管道一般只在横向主梁上支承，如果横向主梁的荷载范围按相邻两个半跨取值，横向主梁上的荷载就会大大偏小，造成横向主梁的计算偏于危险。所以，横向主梁的荷载取值范围应取相邻半个柱距范围内的荷载。

管廊横梁与管道之间的水平摩擦力该如何考虑的问题。管道在一定区段内会设置Π型补偿器，Π型补偿器是管廊纵向力的释放点。两个Π型补偿器之间的管道为一个刚性受力体，此段管道会与管廊钢梁以限位的形式固定在一起，使此段管道和此段管廊成为一个整体。对于这个整体来说，管廊横梁与管道之间的水平摩擦力是内部力，不是外部荷载，所以，整体内部的内力无需计算。但是，对于某一根横梁来说，管廊横梁与管道之间的水平摩擦力就是外部力，此力需要计算。

管廊纵梁受力计算。纵梁除支撑次梁、管道外，还要将管道或其他作用产生的水平推力传递到垂直支撑。当水平力较大时，纵梁的轴力往往是不能忽略的。在我们用PKPM建模计算时，纵梁当然都是按梁输入的，PK的计算程序就只按梁的应力计算公式Mx/（？渍bWx）+My/（？酌yWy）≤f来验算，轴力并没有体现出来，这样是偏于危险的。解决方法：《设计规定》中第8.2.11条中规定纵梁应按拉弯或压弯构件计算。计算公式按《规范》5.2.1条N/An+Mx/（？酌xWx）+My/（？酌yWy）≤f来计算。另外还要特别注意纵梁连接节点的验算，如高强螺栓、焊缝抗剪及节点板验算等。

结构构件的挠度超过限值。没有设计经验的工程师通常只注意结构构件的应力计算而没有注意到《化工工程管架、管墩设计规定》中对构件挠度的限制。管架的挠度主要应满足管道要求，防止管道挠度过大发生积液导致流阻加大。工程上已发生该类事故。所以，除单个构件需满足《设计规定》3.0.9条中的限值外，装置内管廊在一个柱距内，管道支点最大挠度之差不大于30mm。管廊纵向构件及其上的钢次梁挠度叠加为总挠度，支撑在钢次梁上的小管道的挠度值为该挠度与框架横梁挠度之差。

固定架处基础没有按双向受力进行计算。没有设计经验的工程师认为管廊固定架处只要按传到基础顶面的纵向力计算就可以。实际上在固定架处，在纵向最不利荷载组合下，横向在恒载和活载作用下仍可能存在弯矩和剪力，忽略横向的力将导致基础计算不安全。基础应按双向受力计算，通常独立基础两个方向所受力如图3。

4 结束语

管架在化工行业比较常见，但是各种疑难问题较多，结构设计中不可掉以轻心，应认真分析结构特点、详细计算、精于布置，才能绘出安全、合理、经济的设计方案。

参考文献

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