浅谈大直径管道支架的选型核算

胡光荣

(中国华西企业股份有限公司,四川成都 610081)

0 引言

伴随着工程规模的不断增大,为保证功能需求,管道的直径也越来越大。目前管道支架施工参照国标图集《03S402室内管道支架及吊架》[1]或者根据《HG/T 21629-1999管架标准图》[2](简称《管架标准图》)进行选择。由于03S402国标图集中考虑管道的管径在400 mm以内,对于管道公称尺寸为400 mm及以上的大直径管道的支架无相关选型,已经不能满足施工要求。在施工中,可能会遇到大直径(DN≥400 m)管道支架安装,为保证大管径管道支架的安全性,需对管道支架受力分析,再通过计算和查阅有关手册,选择合适的型钢支架。本文以泸州大龙花园停车场项目为例,采用以上方法进行受力分析和支架选型。

1 工程概况

泸州大龙花园公共停车场位于四川省泸州市建设路以南,大龙花园小区以北,西邻西江月住宅小区,北邻怡康苑住宅小区。项目四周为发展较成熟的住宅街区,场地地形南高北低,两侧最大高差约为30 m。泸州市平均降雨量为748.4～1184.2 mm,夏季降雨量较大。建筑单体屋面采用传统重力式排水,雨水立管出户就近接入雨水收集检查井,雨水收集管道串联连接,并按照小区实际地形设置雨水管路和埋深,在雨水管网(采用DN400无缝钢管)取水点接入地下室蓄水池,后经雨水深度净化系统杀菌后储存于清水池中,作为绿化浇洒和道路浇洒等的补充水源。

2 支架选型

管道上应配置必要的支、吊架固定在建筑结构上,不但应确保管道系统安全可靠的运行,而且不能影响建筑结构的安全。施工时,具体的支架形式应根据现场的实际情况而定。

2.1 支架间距

管道支架间距应符合设计及验收规范要求,查GB50242-2002《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》,确定垂直管道(不保温管道)支架间距如表1所示,水平管道支架间距如表2所示。

表1 垂直管道支架间距

表2 水平管道支架间距

2.2 支架形式确定

根据图集03S402《室内管道支架及吊架》中的图例,结合

大龙花园项目雨水回收系统管道施工的现场情况,确定水平管道支架安装形式(图1)。

图1 水平管道支架安装示意

3 支架计算

3.1 管道荷载

标准荷载:管道支架的荷载按其性质可分为静载和动载。按荷载的来源则可以分为管道固有荷载、管道使用荷载、自然环境荷载和偶然性荷载。管道固有荷载是管道安装后就恒定不变地作用于承重架的荷载,如管子、管件、阀门的重力;管道的使用荷载是管道在检验、运行期间作用于支架的荷载,如管道进行水压试验时水的重力,管内流体的荷载以及内压和温度产生的力等;自然环境荷载是管道所处环境的因素给支架造成的荷载,如刮风时所产生的风荷载;偶然性荷载是由某些偶然性因素在支架上产生的荷载,如地震、非正常运行时产生的水击等。本文中钢管的自重按国家标准GB8163-87《输送流体用无缝钢管》[7]的最小壁厚管重计算,其他荷载应按照施工现场实际情况确定。

垂直荷载:考虑到制作、安装等方面的因素,采用管道支架的标准荷载乘以1.35的荷载分项系数。

水平荷载:按垂直荷载的0.3倍计算。

地震荷载:按地震设防烈度8度计算地震作用。

风荷载:本文中不考虑风荷载。

3.2 管道自重

查图集03S402《室内管道支架及吊架》中支架设计说明,管道的重量可分为2种情况进行计算:

(1)保温管道:按照管道支架设计间距内的管道自重、满管水的重量、保温层厚度取60 mm,然后附加三项重量之和的10%进行计算,其中保温材料中所使用的岩棉按100 kg/m3计算。

(2)不保温管道:按照管道支架设计间距内的管道自重、满管水的重量、然后附加两项重量之和的10%进行计算。钢管重量可按式(1)计算。

m=F×L×ρ

(1)

式中:m为钢管质量:(kg);F为钢管截面积,(m2);L为钢管长度,(m);ρ为钢管密度,(kg/m3)。其中钢管密度ρ取7.85×103kg/m3;F=π×δ×(D-δ),δ为钢管厚度,D为钢管外径。

3.3 充液管道的重量

管道单位长度的荷载包括管道自身重量以及管道附件、管内流体和绝热层等所附加的重力。

即管道的重力按式(2)计算。

M=qp+qL+qI

(2)

式中:M为单位长度管道的垂直荷载,(N/m);qp为单位长度管子的重力,(N/m);qL为单位长度管内流体的重力,(N/m);qI为单位长度管外隔热层的重力,(N/m)。

对于阀门和特殊附件处的荷载为式(3)。

q=qA+qL+qI

(3)

式中:qA为单位长度阀门或附件的重力,(N/m);

式中:D1为管子的内径,(m);D2为管子的外径,(m);D3为隔热层外径,(m);K为管内液体填充率;g为重力系数,9.8N/kg;ρp为管材密度,(kg/m3);ρL为液体密度,(kg/m3);ρI为隔热层密度,(kg/m3);管内液体填充率是管道中液体所占容积与总容积的比。

4 计算实例

4.1 计算条件

泸州大龙花园项目雨水回用管道采用φ426 mm无缝钢管,密度为7.85×103kg/m3; 无须进行管道保温,即取q1=0;管道上无阀门等附件,即取q=0。无缝钢管的许用应力值按照ASME B31.3—2012《美国国家标准压力管道规范》[8]确定,其许用应力值在计算时乘以0.8的系数以保证管道的安全裕量。

4.2 支架横担弯矩计算

管径为φ426 mm的无缝钢管取10.0 m设置一副支架,支架选型过程中取所有最不利因素,管道作用在支架的荷载全部集中到一点,即式(4)。

Qz=Q×L

(4)

式中:Qz为总荷载,(N);Q为单位长度集中荷载,(N/m);L为长度,(m)。

根据式(1)、式(2)计算得:

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。

故管道垂直荷载为:F=1.35Qz=20.41×103N。

根据所选支架形式,建立受力模型,分析受力情况,找出受力最不利点,管道受力如图2所示,简化计算先理解支座为简支梁,L=0.645 m,H=1.0 m。

图2 管道竖向受力

由图2可以得出,支架横担的主要受力是由管道的集中荷载产生,画出竖向集中荷载弯矩图,如图3所示。

图3 竖向集中荷载弯矩

由图3分析得,取横担1/2位置为最不利点,根据弯矩公式Mx=FL/4计算出支架竖向弯矩为Mx=3291.11 N·m。查《建筑结构常用数据手册(下册)》[9]中 Q235钢热轧普通槽钢简支梁整体稳定时的承载力矩设计值,跨度为10 m时,选择型号为14#的槽钢作为管道支架横担。

5 结束语

由计算可得出,选择14#槽钢作为管道横担,符合要求。可以看出,在面对不同施工条件下的大型管道,其支架横担的 选用需充分考虑管道荷载,在保证系统稳定安全运行的前提下,再考虑所选用方案的经济性。随着工程规模的增大,大直径管道的支撑问题会逐渐凸显,本文只对大直径管道支架横担给出了特定条件下的计算例子,在不同工程中的应用时支架受力需要逐一计算,希望本文中的计算方法、计算公式、计算实例能给予大家一定的启发和参考。