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管道支吊架设计及计算样本
浅谈管道门字型支吊架设计及计算
【文摘】用来支撑管道构造叫管道支吊架,管道在敷设时都必要对管子进行固定或支承,固定或支承管子构件是支吊架。
在机电工程里,管道支架是分布广、数量大、种类繁多安装工事,同步管道支吊架设计和安装对管道及其附件施工质量好坏取决定性作用。
如何采用安全合用、经济合理、整洁美观管道支吊架是机电安装工程一种重点。
【核心词】管道布置管道跨距管架分析管架内力计算
一、管道布置
对管道进行合理深化和布置是管道支吊架设计前提条件。
欲设计安全使用、经济合理、整洁美观管道支吊架,一方面需对管道进行合理布置,其布置不得不考虑如下参数:
1.管道布置设计应符合各种工艺管道及系统流程规定;
2.管道布置应统筹规划,做到安全可靠、经济合理、满足施工、操作、维修等方面规定,并力求整洁美观;
3.在拟定进出装置(单元)管道方位与敷设方式时,应做到内外协调;
4.管道宜集中成排布置,成排管道之间净距(保温管为保温之间净距)不应不大于50mm。
5.输送介质对距离、角度、高差等有特殊规定管道以及大直径管道布置,应符合设备布置设计规定,并力求短而直,切勿交叉;
6.地上管道宜敷设在管架或管墩上,在管架、管墩上布置管道时,宜使管架或管墩所受垂直荷载、水平荷载均衡;
7.管道布置应使管道系统具备必要柔性,在保证管道柔性及管道对设备、机泵管口作用力和力矩不超过过容许值惰况下,应使管道最短,构成件至少;
8.应在管道规划同步考虑其支承点设立,并尽量将管道布置在距可靠支撑点近来处,但管道外表面距建筑物最小净距不应不大于100mm,同步应尽量考虑运用管道自然形状达到自行补偿;
9.管道布置宜做到“步步高”或“步步低”,减少气袋或液袋。
不可避免时应依照操作、检修规定设立放空、放净。
二、管架跨距
管架跨距大小直接决定着管架数量。
跨距太小导致管架过密,管架数量增多,费用增高,故需在保证管道安全和正常运营前提下,尽量增大管道跨距,减少工程费用。
但是管架跨距又受管道材质、截面刚度、管道其他作用何载和容许挠度等影响,不也许无限扩大。
因此设计管道支吊架应先拟定管架最大跨距,管架最大容许跨距计算应按强度和刚度两个条件分别计算,取其小值作为推荐最大容许跨距。
1.按强度条件计算管架最大跨距计算公式:
Lmax——管架最大容许跨距(m)
q——管道长度计算荷载(N/m),q=管材重+保温重+附加重
W——管道截面抗弯系数(cm3)
Φ——管道横向焊缝系数,取0.7
[δ]t钢管许用应力——钢管许用应力(N/mm2)
2.按刚度条件计算管架最大跨距计算公式:
Lmax——管架最大容许跨距(m)
q——管道长度计算荷载(N/m),q=管材重+保温重+附加重
Et——刚性弹性模量(N/mm2)
I——管道截面惯性矩(cm4)
i0——管道放水坡度,取0.002
3.例:
采用48K离心玻璃棉保温,保温厚度为50mm冷冻水管,其管道规格为φ325×8无缝钢管,其最大容许管道间距为多少?
管道长度荷载
q=7850×3.14×0.008×(0.325-0.008)+1000×3.14×(0.325-0.008×2)2/4+48×3.14×0.05×(0.325+0.05)=140.29kg/m=1402.90N/m
查有关资料得:
管道截面抗弯系数W=616cm3
钢管许用应力[δ]t=112
管道截面惯性矩I=10016cm4
刚性弹性模量Et=2.1×105N/mm2
依照以上公式分别计算得强度条件下Lmax1=13.14m
依照以上公式分别计算得刚度条件下Lmax2=27.40m
取最小值,故该管道最大容许管道间距为13.14m
4.依照有关规范规定管道支吊架最大间距拟定管道最大容许跨度,如《通风与空调工程施工质量验收规范》GB50243-
表9.3.8 钢管道支、吊架最大间距
公称直径(mm)
15
20
25
32
40
50
70
80
100
125
150
200
250
300
支架最大间距(m)
L1
1.5
2.0
2.5
2.5
3.0
3.5
4.0
5.0
5.0
5.5
6.5
7.5
8.5
9.5
L2
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
6.0
6.5
6.5
7.5
7.5
9.0
9.5
10.5
对不不大于300(mm)管道可参照300(mm)管道
注:
1合用于工作压力不不不大于2.0MPA,不保温或保温材料密度不不不大于200kg/m3管道系统。
2L1用于保温管道,L2用于不保温管道。
三、管架分析
1.管道支吊架简介
用来支撑管道构造叫管道支吊架,管道在敷设时都必要对管道进行固定或支撑,固定或支撑管子构件是支吊架。
管道支吊架普通由管座、管架柱或管架吊杆(简称柱或吊杆)、管架梁(简称梁)和支撑节点构成。
2.管架荷载分析
(1)垂直荷载
管道支吊架垂直荷载依照性质可分为基本垂直荷载和可变垂直荷载,其中基本垂直荷载指管道支吊架所承受管道重力、介质重力、保温层等附件重力等永久性荷载。
可变垂直荷载指管道所承受活荷载、沉积物重力和发生地震时所应当承受特殊变化荷载。
因可变垂直荷载是无法精准计算,为此咱们将管道支吊架基本垂直荷载乘以一种经验系数(普通为1.2~1.4)作为管架垂直方向计算荷载。
管道支吊架基本垂直荷载计算,可先将复杂管道支架体系近似看作简支梁,依照受力分析,管架B所承受基本垂直荷载为GB‘=(GL1+GL1)/2
因管道支吊架在一种工程里数量种类繁多,不也许一一计算,为此咱们只需考虑同类型支架最不利受力状况即可,依照管道支吊架最大容许跨度来计算最不利支架,此时就只需计算长度为最大容许跨度L管道、介质、保温层重力GB即可。
其重力方向计算荷载为G=αGB(α=1.2~1.4)
(2)水平荷载
管道水平方向荷载是作用在管架上水平推力,依照支架类型可分为活动管架上水平推力和固定管架上水平推力。
a.活动管架水平推力重要来自管道摩擦力,吊杆水平推力可忽视;
水平推力即为管道摩擦力f=μG(μ为摩擦系数,G为管道垂直荷载)
b.固定支架水平推力重要来自补偿器弹性变形力。
采用补偿器补偿管道,其作用在固定管架上水平推力为补偿器被压缩或拉伸所产生反弹力。
水平推力=补偿器反弹力T=ηΔL(η为补偿器弹性模量,ΔL为补偿器发生变形长度)
采用自然补偿管道,是运用管道自然弯曲形状所具备柔性以补偿管道热胀和冷缩位移,如图所示。
固定支架变形管道长度为L,补偿臂管道长为Lb
管道安装温度按t1℃考虑,管道工作温度为t2℃,故钢管材质管道会在温度变化下缩短ΔL=α×ΔT×L(式中α为钢管线膨胀系数,ΔT为温差,L为固定支架变形管道长度)
故作用在管道补偿上推力为T=3ΔLEI/Lb3(E为管道弹性模量,I为管道惯性矩)
四、管架受力计算示例
依照以上管架受力分析,现以上海环球金融中心低区空调水主干管进行分析计算
如下图所示,既有2根DN400冷水管,管材为无缝钢管φ426×9,工作温度为7-14℃;2根DN200热水管,管材为无缝钢管φ219×6,工作温度为50-55℃,1根DN100蒸汽管道,管材为无缝钢管φ108×5,工作温度为108℃,请对该管组防晃支架进行受力分析。
依照规范,因DN100管架最大跨距为5m,故该管组设立共用支架最大跨距为5m,由此依照最不利状况支架间距为5m分析管架受力。
1.管道垂直方向计算荷载计算
(1)DN400单根管道作用在管架上计算荷载
DN400单根管道垂直方向基本荷载(支吊架间距为5米)
钢管重量=7850×(0.426-0.008)×0.008×5×3.14×9.8=4039N
保温重量=48×(0.426+0.05)×0.05×5×3.14×9.8=176N
介质重量=1000×(0.426-0.008×2)2×5×3.14×9.8/4=6466N
单根管段计算荷载=(钢管重量+保温重量+介质重量)×1.35(考虑35%可变荷载。
)
单根DN400冷水管道计算荷载G400=(4039+176+6466)×1.35=14420N
(2)DN200单根管道作用在管架上计算荷载
DN200单根管道垂直方向基本荷载(支吊架间距为5米)
钢管重量=7850×(0.219-0.006)×0.006×5×3.14×9.8=1544N
保温重量=48×(0.219+0.05)×0.05×5×3.14×9.8=100N
介质重量=1000×(0.219-0.006×2)2×5×3.14×9.8/4=1649N
单根管段计算荷载=(钢管重量+保温重量+介质重量)×1.35(考虑35%可变荷载。
)
单根DN200热水管道计算荷载G200=(1544+100+1649)×1.35=4446N
(3)DN100单根管道作用在管架上计算荷载
DN100单根管道垂直方向基本荷载(支吊架间距为5米)
钢管重量=7850×(0.108-0.005)×0.005×5×3.14×9.8=623N
保温重量=48×(0.108+0.05)×0.05×5×3.14×9.8=59N
介质重量=1000×(0.108-0.005×2)2×5×3.14×9.8/4=370N(考虑蒸汽管道水压实验时管道内介质重量。
)
单根管段计算荷载=(钢管重量+保温重量+介质重量)×1.35(考虑35%可变荷载。
)
单根DN100蒸汽管道计算荷载G100=(623+59+370)×1.35=1421N
2.管道水平方向计算荷载
由于该管架为活动支架,因此管架水平方向受力为管道在管架上滑动摩擦力。
DN400管道水平推力T400=f400=μG400=0.3×14420=4326N
DN200管道水平推力T200=f200=μG200=0.3×4446=1334N
DN400管道水平推力T100=0
3.管架受力平面图
五、管架梁选型
依照管架梁受力分析,管架梁在管道重力下或在管道推力作用下,有也许浮现2种现象,一是管架梁会沿着受力方向被剪断,另一种是管架梁会沿着受力方向发生过大弯曲变形,严重会发生弯曲折断。
因此合理选取管架梁就是使管架梁能刚好满足梁抗弯和抗剪规定。
1.管架梁内力分析
将管架假设为刚性构造简支梁,分别依照管架梁垂直受力和水平受力状况,按照平面简支梁进行内力分析,并依照静力方程求得管架梁内力,并绘制梁剪力图和弯矩图,求出最大剪力和最大弯矩。
依照以上示例管架受力分析得
得到管架梁垂直方向最大弯矩为17715N·m,最大剪力为24843N
管架梁水平方向最大弯矩为3155N·m,最大剪力为5521N
2.管架梁选型
(1)管架梁抗弯强度计算
管架梁最大弯矩计算得出后,依照如下公式对管架梁材料规格型号进行选取:
式中:
rx、ry——截面塑性发展系数,普通型钢取1.05
Mx、My——所验算梁截面绕X轴和绕Y轴最大弯矩(N·m)
Wnx、Wny——所验算梁截面对X轴和对Y轴截面系数(cm3)
σ——钢材抗拉强度,普通型钢钢材取210MPa
采用验算法将初步预计型钢规格所相应截面系数代入以上公式进行验算,满足该方程型钢可作为管架梁备选材料。
现仍将以上示例管架为例,根据管架梁最大弯矩,对管架梁材料进行选型:
管架梁选型计算表
序号
材料名称规格
X轴方向最大弯矩Mx(N.m)
X轴方向截面系数Wnx(cm3)
Y轴方向最大弯矩My(N.m)
Y轴方向截面系数Wny(cm3)
比较
0.85×210
型钢比重
1
角钢200×16
17715
163
3155
163
155.26
27.65
182.91
不满足
48.68
2
角钢200×18
17715
182
3155
182
139.05
24.76
163.81
不满足
54.401
3
槽钢280a
17715
340
3155
35.7
74.43
126.25
200.68
不满足
31.427
4
槽钢280c
17715
393
3155
40.3
64.39
111.84
176.23
满足
40.219
5
工字钢22b
17715
325
3155
42.7
77.87
105.55
183.42
不满足
36.542
6
工字钢25a
17715
402
3155
48.3
62.95
93.32
156.27
满足
38.105
7
H型钢
125×125×6.5×9
17715
136
3155
47
186.08
95.90
281.98
不满足
23.8
8
H型钢
150×150×7×10
17715
221
3155
75
114.51
60.10
174.61
满足
31.9
9
角钢160×14
背面拼装
17715
181.9
3155
181.9
139.13
24.78
163.90
满足
67.974
10
20a槽钢背面拼装
17715
356
3155
48.4
71.09
93.12
164.21
满足
45.274
由管架梁选型计算表得出,角钢200×18、槽钢280c、工字钢25a、H型钢150×150×7×10或2根角钢160×14背面拼装、2根20a槽钢背面拼装均满足弯矩承重规定,因H型钢150×150×7×10比重最小,从经济方面咱们暂定H型钢150×150×7×10作为管架梁。
(2)管架梁抗剪强度校验
依照管架梁抗弯强度计算所选出支架,还需检查其与否满足管架梁剪切规定。
参照如下公式对管道所承受剪力进行校验。
式中:
τ——抗剪强度
Vx、Vy——梁所承受X轴方向、Y轴方向最大剪力(N)
S——梁截面面积(m2)
σv——钢材抗拉强度,普通型钢钢材取160MPa
参照以上示例对所选取管架梁进行抗剪校验
故改型钢满足抗剪规定,因此管架梁采用H型钢150×150×7×10。
六、管架柱选型
依照管架梁受力分析,为满足管架梁所受管道重力和水平推立平衡,管架柱(或吊杆)予以管架梁一种支反力来维持管架梁及梁上各管道平衡。
咱们由此梁支反力对管架柱(或吊杆)进行选型。
依照分析,管架柱受力有2个,一种是垂直方向拉力(或压力),另一种是水平方向推力。
1.管架柱横截面计算公式
S=1.5R/(0.85σ)式中S为管架柱最小截面积,R为管架柱竖直方向拉力或压力,σ为钢材抗拉强度,普通型钢钢材取210MPa
因此以上示例中管架柱最小横截面积为
S=1.5×21843/(0.85×210)=184mm2
2.管架柱弯曲计算
式中:
r——截面塑性发展系数,普通型钢取1.05
F——管架梁作用给管架柱水平支座反力N
h——管架梁距离支撑点高度
W——管架柱最小截面系数(cm3)
σ——钢材抗拉强度,普通型钢钢材取210MPa
因此以上示例中管架柱最小截面系数为
W=1.5×5521×1/(0.85×1.05×210)=44cm3
查型钢规格表,使所选取型钢横截面积不不大于184mm2,同步其截面系数又必要不不大于44cm3,咱们为了管道支架整体协调,管架柱也和管架梁采用同规格H型钢150×150×7×10。
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