管道支架的设计

管道支架的设计首先我们应明确哪类管架应该土建专业设计,哪类管架应该配管专业设计。 支承管道的管架通常分为三部分：一、属于土建结构部分。习惯称之为“管架”或“管廊”，包括内管廊和外 管廊。二、管道与土建结构之间相接的各种支、托、吊部分。三、生根在建筑结构上的各种支架，高度通常在2 m以下.通常第一类支架由配管专业提供条件，由土建专业设计完成；第二类支架通 常由配管专业负责设计;第三类支架在建筑物上的预埋件由土建专业设计，其他 部分由配管专业完成.1 管道支架的分类及定义按支架的作用分为三大类:承重架,限制性支架和减振架。 承重架：用来承受管道的重力及其它垂直向下荷载的支吊架 .它又可分 为：刚性支吊架、可变支吊架或弹簧吊架、恒力吊架.&、刚性支吊架：用于无垂直位移的场合。b、可变支吊架或弹簧吊架:用于有少量垂直位移的场合。C、恒力吊架：用于垂直位移较大的地方. 限制性支架：用来阻止、限制或控制管道系统热位移的支架。它又可分 为导向架、限位架和固定架。8、导向架：使管道只能沿轴向移动的支架，不允许有角位移。b、限位架:允许管子的某一点有角位移，但不允许有线位移。C、固定架：不允许支承点有三个轴线的全部线位移和角位移. 减振架：用来控制或减除重力和热膨胀作用以外的任何力（如物料冲击、 机械振动、风力及地震等外部荷载）的作用所产生的管道振动的支架 . 减振架有弹簧和油压式两种类型。2 水平管道的最大支架间距管道支架间距是指管道的跨度。一般管道的最大支架间距是按强度条件及刚度条件计算决定，取其较小值。管道支架的设置使管道形成分段,常见的有几种典型的形式：d、单跨梁（有图）b、多跨连续梁（有图）c、L形弯管（有图）d、U形弯管（有图）e、三轴向弯管（有图） 支架间距按强度条件计算：L =更W式中： L 管道支架间距， m ;Z 管子断面系数，cm3，通常管子的断面系数公式为 兀 D 4 d 4 ）Z =32 DW 管道单位长度的重力，单位：10N/m ；b 热态下管材受重力荷载部分的 许用应力，MPa，通常取 号血丿管材在热态下的许用拉应力. 按刚度条件计算：10EIA4 W式中：L和W意义同上，E 管材在热态下的弹性模量， MPa ；I 管子截面惯性矩，cm4，I J 4 - d J64A 一管子在跨中的挠度，mm。按刚度条件计算时的主要因素为挠度值的选取。在装置内的管道，一般选用 挠度在102 0 mm之间，推荐采用A =15 mm。对于装置外的管道，由于 常设计成有坡度的管道（2%。5%。），其挠度采用较大值，可达3 8 mm左右.在公称直径6 0 0 mm及以下的碳钢管道，取A =15 mm，温度在3 5 0 时，按刚度条件计算的L值要小于按强度条件计算的L值因此，当挠度较小时， 在常用的管径范围及温度范围内,管支架间距是以刚度条件控制的。当工作温度 较高，且管道荷载较大时,小管道往往是要按强度条件决定支架间距的。管道的最大支架间距在许多参考书中都能查到，注意使用选取时应留有余 地。对于L形弯管，U形弯管及三轴向弯管，其允许跨度往往按下式评定：L 一 1.02 - 0.625 + 0.625BBh Ih丿式中：H 需要的填充墙高度，m ；W 管道的垂直荷载， t ；B 混凝土块宽度， m ；h 混凝土块厚度，或砖墙厚度， m；L 悬臂的计算长度， m。生根点没有足够的砖墙重量压住是不安全的。在墙上生根除了考虑混凝土的许用压应力外，还要考虑砖的许用压应力只有 10MPa 。生根在地面上在水泥铺砌的地面上做支架生根，由于铺砌面会受气候的影响，容易产生热 胀冷缩而开裂变形，特别是受土壤冰冻层的影响而变形隆起等情况。因此，在地 面上生根只限于不重要管道，并有柔性荷载小，地面变形对管道无影响的条件。 在基础上生根管道支架的荷载较大，（1000N以上），或者管道有振动，或对支架的支承要 求高时，应在基础上生根。基础的大小和埋深与荷载，地耐力,冻土深度等有关，应有土建设计者决定. 基础顶部的生根结构,通常有三种： 预埋钢板; 预埋地角螺栓； 预留孔，基础预留孔的深度一般为2030倍螺栓的直径。二次灌浆层的 厚度一般在2030mm之间。在钢结构上生根支架在钢结构上生根是最常见的，通常采用焊接或用螺栓连接于梁或柱上。 采用焊接的居多，这对于设计和施工都比较方便、灵活.如果荷载较大，生根部 位应尽量位于主梁或柱上。若在次梁上应靠近梁和柱的接点,以减小梁 的变形， 应尽量避免使梁受扭（有图）。为避免型钢的翼缘扭曲，常在受力处增加筋板（有图）. 如果管道荷载较大，可尽量不用悬臂梁,以避免产生不必要的扭矩。 在柱上生根经常采用悬臂梁或三角架.当柱子较细时，也要避免受扭曲.在钢 结构上生根不需要预埋件，但是荷载的条件仍是需要的。否则，土建结构的设计 中缺少部分荷载（特别是大与5000N以上的荷载）是不安全的。另外，弹簧支座或聚四氟乙烯滑动板支于梁上时，常需将梁局部加宽。在靠 近螺栓附近，必须采用筋板加强。在大管上生根小管道的支架间距不能太大,有时在大管与小管一同敷设时，可采用大管支 承小管的方法。其形式如左图。图中小管必须是滑动支承.16 辅助钢结构支架辅助钢结构介于管部附着件和被生根件之间，悬臂梁、三角架等结构都 属于辅助钢结构。 悬臂架和三角架a图是最典型的悬臂架，生根部受弯矩，端部挠度较大，L通常W500mm；b 图在根部设加强筋板，可减少根部的弯矩及挠度；c 图为变截面悬梁架，可采用大槽钢一分为二制作；d图为三角支架可承受较大的力和力矩，L750mm，但一般不大于1500mm. 带水平斜撑的三角架 如果水平力较大，常在三角架横向构件同一高度处增加斜水平支撑.可显著降低水平弯矩。但应注意斜支撑不要碰到其他管道或其他构件,并在有牢固的生 根点时方采用。 上悬式型钢支架17 刚性吊架通常指圆杆吊架。一般在上部结构及下部结构中均为铰接。当管道有水平位 移时，吊杆成倾斜位置，有水平分力.但吊架的水平位移量是有限制的，移动范 围和杆长成比例。一般吊杆的转角为20，0角应控制在4以下，以避免吊杆 对管道产生过大的水平力及荷载转移。在有热膨胀的管道中，经常采用较小的偏移量S, S （L为拉杆长度）。20 吊杆的承重应留有余地，要考虑圆杆的腐蚀量及邻近支架转移荷载的可能性。选用圆杆吊架时，应注意各种刚性吊架都有其最小的结构长度。选用时，总 长度应大于通用图中最小结构长度。杆的直径按荷载决定，10mm以下一般不采 用。Q235A碳钢吊杆作用拉应力宜控制在70MPa以内。不宜连续使用过多的吊架，在有振动的管道中不宜使用。 圆杆吊架的中部常带有花蓝螺栓，便于调节长度，同时需配有锁紧螺母 ,以 免松动。管道下方有可支承的土建结构时，常选用滑动支架，管托是比较经济且简单 的滑动架,常采用T形，H形型钢及钢板制造.滑动架有水平摩擦力，对抑制振动优于吊架.滑动架多时,传递到固定点上的 水平力较大。有时选用带聚四氟乙烯滑动板的支架，以降低水平摩擦力，一般当 垂直荷载在1 吨以上时可考虑使用。聚四氟乙烯滑动板是工厂生产的专用产品，由聚四氟乙烯板与钢板制成，安 装在设备支座及管托等下面。通常可使用一对四氟乙烯滑动板，或一块滑动板与 不锈钢板配合使用.摩擦系数:对不保温的大口径（DN300以上）及重要管道的下面应焊接防止磨损的保 护板。水平管的管托在支架中属于标准架,长度是定长的,（300， 450）必要时可特 殊加长.管托支耳设计时，应防止热态滑落，对热位移较大处的管托应仔细计算，偏置安装（与位移方向相反）管托偏置是Dx。2穿楼板的热管道尤其要注意， E 值应满足热位移要求，避免管道与楼面管结 构相碰，且不宜小于50mm。弹簧支架应与楼面相接，支耳应有足够长度，避免 滑落，边缘最远应不越过弹簧支架中心 20mm。左图（a）设计时应注意h值不宜过大，取值应保证摩擦力产生的弯矩M二F x h在允许的范围内。滑动面以下的构件应为底部固定结构的柱式架，并可以承受F x L弯矩。另 外，设备口附近的支架应优先选用（c）图的形式，避免采用b图的形式。19 可变弹簧支吊架管道承重点如有垂直向热位移，一般要设弹性支架。弹性架最常用的是变力 弹簧吊架和变力弹簧支座。有时为增加支架的承载能力可将几个弹簧并联使用 （2， 4,6， 8 个等）.有时支点的位移变化太大，以致使弹簧的荷载变化率超出了允 许范围，可将几个弹簧串联使用,每个弹簧可在给定的荷载变化率的条件下增加了整个支架总的位移量。（通常串联数不超过 2个）。变力弹簧支吊架的荷载变化 率一般控制在 25以下。荷载变化率=工作荷载-安装荷载工作荷载弹簧系数X热位移量工作荷载X 100位移量的大小随弹簧系数而变化，所以不能认为荷载变化率和弹簧系数成比 例；但一般情况，弹簧系数越小，荷载变化率越小。荷载变化率越高，弹簧越接 近刚性吊杆.相应地，对管道的热膨胀所产生限制越大.另外，变化率越小，相对 一定的荷载和给定的位移弹簧就越笨重。在一般情况下，弹簧架按热态吊零设计,即保证管道在热态工作状态下,按个 支撑点垂直位移为零设计。管道在热态工况下具有良好的荷载分配。有时也有特 殊设计需要，对某个或某几个弹簧支架按给定的安装荷载安装.弹簧支吊架是依据热态（工作时）的荷载P及垂直向热位移A两个条件进H行选用的安装荷载P可按下式计算：）CP 二P AKCH式中： K -弹簧常数；A -热位移量；P 工作荷载。H每一种K对应一个弹簧号，K可以从弹簧系列表中查出。见附录H。一般P和P必须在弹簧许用荷载的范围内，约在45/95/之间，并符合 C H00荷载变化率的要求。热位移向上时，式（）中应采用正号;热位移向下时，采 用负号。出厂的产品应按P设定设置，并用卡板卡住弹簧在被压缩的位置，便于C安装,在运行前将卡板除去.垂直向热位移量A采用笔算时，参见6。5介绍的算法. 可变弹簧架系列有化工设计标准（CD42B5），或按国际弹簧系列，见GB10182，其 中几种结构型式可按需要选用。弹簧吊架因水平位移产生转角的限制要求与刚性 吊架相同。转角点的垂直向位移: 管道的垂直向热位移，除了设备的热胀所引起的以外，就是垂直管道的热膨 胀，最典型的就是Z型管道如图所示，垂直段h的膨胀量为A，分配到上水平段为A，分配到下水平段为A。分配的量与L的三次方成正比。12A = A + A = a h At 12L3A -1 A1 L + L12L3A 2 A2 L3 + L312水平管上任一点的垂直向位移：支吊点在水平管上，但水平管的两端有垂直向位移，常见到下面的三种情况 如图，一端固定，一端有位移的管段。Ax 二 斗 AL如图，管段的两端均有同向的位移。A A12L（A -A ）Ax = x i 2 + AL220恒力弹簧架如果支架垂直位移很大，冷态和热态的力又必须保持在较小的变化范围内， 这种要求从经济上考虑已超出了使用可变（变力）弹簧支架的范围.此时，应采用 恒力架。恒力架有弹簧和重锤式两种型式.恒力弹簧架一般包括一个或更多的弹 簧，弹簧的移动通过杠杆或相似的机械效应加以放大。支撑点较大的位移相应于 弹簧较小的行程变化。对每一种弹簧号的支架其荷载和位移的乘积基本相等或接 近。设计和制造通常都很严格，调整位移都可以从刻度上显示出来，另外恒力弹 簧架有安装位置可调结构，应避免将恒力架的位移量范围用在安装高度的调解上. 高度调节不仅在安装时需要，而且当管道永久变形后也需再作调整。恒力弹簧架 不是完全达到恒力，通常荷载变化值仅1o0左右。有些产品在现场调整荷载的范围 可达到土 100-0.恒力弹簧架常用上悬式，有时因地位限制也采用下支式。详见GB10181标准。恒力弹簧架也是按荷载和垂直位移两个条件选用，并进一步从系列表找出弹 簧号。在标准GB10181和JB2654中有完整的恒力弹簧架系列国际上一般是按照 制造厂制定的系列表选用。选择恒力架时,应考虑留有余地，即：最大行程=计算位移量x 1.2 + 20mm荷载偏差-下移时最大读数-上移时最大读数何载偏差=下移时最大读数+上移时最大读数全程不偏差不超过6o0，包括摩擦力在内恒力弹簧吊架的结构图见附录I。何载超过系列范围可采用并联的结构，位移超过系列范围可采用串联结构。