纵粱式管架结构设计浅析

【摘要】本文着重介绍石化工程中纵梁式管架结构体系的设计方法、注意事项。纵梁式管架是石油化工装置及公用工程设计中常见的结构形式，是装置与装置间以及装置内各单元、建构筑物之间相互连接的重要途径，具有面多量广、形式复杂多样的特点。本文通过对其基本概念、布置原则、荷载分析、计算难点、注意事项等几个方面的阐述并结合工程实践对此类结构的设计作一探讨。

【关键词】纵梁式管架；活动架；固定架；柱间支撑

纵梁式管架是石油化工装置及公用工程设计中常见的结构形式，是装置与装置间以及装置内各单元、建构筑物之间相互连接的重要途径，具有面多量广、形式复杂多样的特点。本文通过对其基本概念、布置原则、荷载分析、计算难点、注意事项等几个方面的阐述并结合工程实践对此类结构的设计进行探讨。

1 纵梁式管架结构概述

在相邻独立式管架间设置纵向联系构件，如纵梁或桁架，构成空间体系的结构称为纵梁式管架。装置内管架一般采用钢结构，公用工程管架柱通常采用钢筋混凝土结构或仅首层采用钢筋混凝土，其余钢结构的组合结构。纵梁式管架安全等级应为二级；支撑输送高度有害和易发生次生灾害介质的管道的管架宜为一级。抗震设防类别为丙类。

2 纵梁式管架结构布置原则

2.1 高度的确定

管架的高度主要由上游专业确定，以满足管道布置为首要条件。结构专业应及时反馈断面信息以便相关专业进行调整。

2.2 纵向柱距的确定

纵梁式管架的纵向柱距宜为9～15m，基本柱距宜采用9m。特殊情况时，纵向柱距可按管道专业布置的实际需要，可不受模数限制。

2.3 伸缩缝的设置

伸缩缝的的间距：钢结构不宜大于120m，混凝土结构不宜大于70m。

2.4 纵向柱间支撑的设置

纵梁式管架在每个温度区划内均应设置纵向柱间支撑体系，增加纵向刚度，同时管道也在补偿器附近设置固定架。通常在工程中两者可合二为一，达到经济的目的。

3 荷载

3.1 竖向荷载

3.1.1 竖向荷载应包括结构自重、管道自重、设备重、附件重、保温重、介质重或充水试压时的水重、顶棚重、电缆和桥架重等。

在使用均布荷载对管架进行分析时需要注意：同一柱距范围内主次梁上的管道荷载是不同的。原因在于不同管径的管道跨距各不相同，并不是所有管道都需要在次梁上设置支点。因此在考虑管线均布荷载时，应按管道实际支撑点的布置来确定计算所需的均布荷载。

3.2 水平荷载

纵梁式管架的水平荷载主要包括作用于活动管架，管道受热膨胀时产生的水平推力、作用于固定管架的管道补偿器的弹力、管道内介质不平衡内压力以及活动管架通过管道作用于固定管架的反作用力。除此之外还应包括风荷载。

一般来说，管道补偿器的弹力、管道内介质不平衡内压力由上游专业提供，而管道摩擦力、风荷载则由结构专业依据管道竖向荷载、管径、分布，通过计算获得。

由于纵梁和竖向支撑存在，纵梁式管架的纵向刚度一般较大，因此纵梁式管架中的活动管架一般按刚性活动管架设计。文中所指的活动管架均指刚性活动管架。

管道与结构之间的作用是一个十分复杂的问题，要精确计算，在工程上几乎是不可能的。对于工程设计上的纵梁式管架，可按下式计算管道对活动管架中的横梁产生的摩擦力。

其中Kj为管道牵制系数，Gk为管道竖向荷载，?为主要热管与钢梁间的摩擦系数。活动管架上的管道水平推力作用在梁顶。横梁承受管道的竖向荷载和水平推力，可按双向受弯构件对横梁进行计算。

在计算敷设双层及以上管道的管架时，对管架柱应考虑上、下层间管道的牵制作用，考虑整个管架上的全部管道重量，并从各层主要管道中选用一根起控制作用的主要热管计算kj值。对横梁则仅需考虑本层管道间的牵制作用。

3.3 管道振动荷载

当计算支承振动管道的管架构件（基础除外）及其连接强度时，所有振动管道的竖向荷载应乘以动力系数，并以此计算水平推力。固定管架上支承振动管道时，补偿器反弹力也应乘以动力系数。对于不设限制振动管道，则应根据实际情况确定动力系数。

4 纵梁式管架计算难点

纵梁式管架计算的难点在于计算正常使用状态下管道水平推力对管架的作用。

管道受热膨胀时，管道由固定架处向补偿器方向变形。在应力和摩擦力作用下，使活动管架与管道间产生相对位移（刚性活动管架），最终使补偿器发生变形。由于补偿器的刚度作用，必将产生抵抗压缩变形的反力，这就是补偿器的弹力。事实上，管架对管道的任何限制作用并不会改变管道最终的变形量。固定支架、限位支架最终限制的是管道的变形方向，或者变形形式。

由一个温度区段的纵梁式管架共同承担纵向水平力，在工程上并不容易实现。长达几百米的纵梁式管架，由于纵向构件的压屈、支座螺栓的松动，使纵向力难以顺利的传递和抵消，因此可沿补偿器将一个温度区段内的纵梁式管架切为几段计算。如果计算单元内设置了两个补偿器，左侧补偿器以左的管道水平力Fba由固定架承受，右侧补偿器b以右的管道水平力Fbb由右端固定架承受，补偿器之间的管道水平力由中间固定架承受。由于Fbb和Fba方向相反，中间固定架通常承受的管道水平力很小，因此中间固定架通常可不设置竖向支撑。

纵梁承受的管道水平推力各不相同，最大的水平推力作用于与固定架相连的纵梁上。在摩擦力和应力作用下，中间管架变形趋势同管道一致，使得在补偿器处纵梁受压，而在固定架一侧纵梁承受较大的拉力。最大拉力计算方法如下

对固定架而言，管道传来的各中间管架的摩擦力与纵向构件（纵梁）传来的水平力已相互抵消，仅承担管道的水平弹力。对于有柱间支撑的组合式空间体系结构的固定架，水平弹力最终通过柱间支撑传递至基础。

5 纵梁式管架设计注意事项

1） 由于生产工艺的要求，管道沿纵向需要一定坡度时，各架顶的设计标高成为变数。如采用钢筋混凝土结构，可调整管架基础的埋置深度；对于钢结构管架，设定柱脚底板距地面的净距为150～350mm，以便选择统一柱高度定型管架。

2） 当管架柱全部为钢筋混凝土时，横梁宜尽量选择适宜的跨度，以便采用现浇钢筋混凝土梁。这样横向刚度较好，也便于节点处理。如采用钢梁，梁柱刚接较难实现。在满足管道布置条件的前提下，可在管架横向设置柱间支撑，以增加刚度，保证结构的稳定。应注意，此时节点处纵横向埋件的锚筋应相互错开。

6 结语

纵梁式管架结构作为最常见的结构形式，一直以来就存在量多面广的特点。近年来随着我国石化行业的大发展，装置规模越来越大，纵梁式管架结构也必然朝着大型化、复杂化的方向发展。因此有必要对其进行深入的分析，了解其特性，重视其发展，总结经验，使管架设计在技术上先进、经济上合理、工程上安全可靠。