支架受力分析.docx

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支架受力分析

管道支架受力分析

——伟

选取购物中心地下室某段压力排水管道进行受力分析：

系统：

压力排水

材质：

镀锌钢管

管径：

DN100

管道数量：

两根

相邻两支架间距：

6米

一、管道重量由三部分组成：

按设计管架间距的管道自重、满管水重及以上两项之合10%的附加重量计算（管架间距管重均未计入阀门重量，当管架中有阀门时，在阀门段应采取加强措施）。

1、管道自重：

由管道重量表可查得，镀锌钢管DN100：

21.64Kg/m，支架间距按6米/个考虑,计算所得管重为：

f1=21.64*6kg=129.84kg*10=1298.4N

2.管道中水重

f2=n2pm1=3.14*0.1062*1000*6kg=211.688kg=2116.88N

3、管道重量

f=f1+f2+（f1+f2）*10%=3756.81N

4、受力分析

根据支架详图，考虑制造、安装等因素，系数按1.35考虑，每个支架受力为：

F=3756.81*1.35/2=2535.85N

假设选取50*5等边角钢（材质为Q235）做受力分析试验

1）应力应变关系如下:

绘制成应力应变曲线图如下：

应力与应变关系

应力/MPa

从图中可以看出，应力/应变曲率变化平缓，处于弹性应力应变行为阶段，

各部位均没有发生屈服现象。

由相关资料可查的50*5等边角钢的抗拉强度cb=423MPa，抗剪强度cr=cb*0.8=338.4MPa，型钢吊杆拉伸强度小于它的抗拉强度，型钢横担小于它的抗剪强度，所以50*5等边角钢可以满足使用要求。

2）危险部位应力分析

图中的蓝色区域为支架应变最大的地方，也即该处最容易发生变形与开裂，

在设计中应对有较大变形的地方，解决办法有两个：

1、加固：

可以通过增加肋板来加固，在型钢焊接的地方更应该满焊以此增大接触面，从而减小开裂的可能；2、通过选择更大规格的型钢来试验，直到满足设计要求为止。

通过上述例子，我们选择40*4的等边角钢来试验，通过计算和分析校核，发现可以满足使用要求，从而更加节省了型钢的用量。

以上分析只考虑了垂直方向的载荷，实际上对于有压管道，同时存在水平方向的

受力，所以我们分开单独分析一下

二、支架水平方向受力

1）补偿器的弹性反力Pk

当管道膨胀时，补偿器被压缩变形，由于补偿器的刚度（对于套筒式补偿器，则由于填料的摩擦力作用），将产生一个抵抗压缩的力量，这个力是通过管道反作用于固定支架，这就是补偿器的弹性反力，轴向型波纹补偿器的弹性反力Pk：

Pk=AXKx•0-1（kg）

式中从一管道压缩变形量（即管道的热伸长量）（mm）

Kx—补偿器轴向整体刚度）（N/mm）其他各类补偿器可通过不同公式计算得出。

2）不平衡压力Pn

当在两个固定支架间设置套筒式及波纹补偿器时，而在其中某一固定支架的另一侧装有阀门、堵板或有弯头时，且当阀门关闭时，由于压力的作用，将有使补偿器脱开、失效或损坏的趋势。

为了保护补偿器，要求固定支架有足够的刚度和强度，这个力就是管道的不平衡压力。

Pn=PoA（kg）

式中Po—热介质的工作压力（kg/cm2）

A—按套筒式及波纹式补偿器外径计算的横截面积（cm2）

当支架布置在两不同管径之间时：

Pn=Po（Ai-A2）（kg）

式中A1—直径较大者补偿器横截面积（cm2）

A2—直径较小者补偿器横截面积（cm2）

3）管道移动的摩擦力：

Pm

Pm=pqL

式中卩一管道与支撑间的摩擦系数

卩的取值一般为：

钢与钢滑动接触取0.3

钢与钢滚动接触取o.1

管道与土壤接触取0.4〜0.6

q—计算管段单位长度的结构荷重，N/m

L—管段计算长度,m

当水平管道位移方向与原管道轴线方向成斜角时，摩擦力可分解为由轴向

力Pm0及横向力Pmh；且可近似取Pm0=Pmh=0.7Pm。

三、其他影响因素

5.1管道上带有阀门的管道固定支架受力分析

⑴作用于90°弯管的压轴向推力计算

在流体力学中,对于解决流体与管壁之间的作用力时,应用动量方程。

如图1所示,对于一个水平放置的90°弯管而言流体作用于弯管的合力R可由Rx与Ry合成,当弯管的流动截面不变,并不计阻力损失时,则

Rx=Ry=P•+pQV

合力R=（Pf+pQV）cos45°

作用于90°弯管的分角线上。

Rx与Ry正是作用于延伸两方固定支架上的压

轴向推力。

式中:

P—弯管介质的工作压力,Pa;

f—弯管的截面积,m2；

p—弯管介质的容重,kg/m3;

Q—弯管介质的流量,m3/s；

V—弯管介质的流速,m/s

图1流体作用于弯管的力

⑵方形补偿器的压轴向推力计算：

根据图2所示，方形补偿器可看成是由4个90。

弯管对接组成如⑴所述，每个转弯处流体对弯管都存在作用力,每处作用力的合力记为R1、R2、R3、R4,由理论力学可知,R1和R4可合成为R14,R2和R3可合成为R23,而R14与R23大小相等，方向相反，且作用于同一直线上，它们是互相平衡的。

即方形补偿器由于压产生的作用力，在其自身就已平衡，不会形成对固定支架的轴向推力。

图2方形补偿器的内压轴向力

⑶虚线方框固定支架的轴向推力计算

a.原设计管线虚线方框固定支架的轴向推力计算

由图2可知方形补偿器对固定支架不会形成轴向推力，根据固定支架所承

受水平推力的三项（即摩擦反力Pm、各种补偿器的弹性反力Pk、不平衡轴向压力Pn）可知，该固定支架的轴向推力F1可用下式表达（此时Pn=0）

F1=1.5k•q1•1+Pk1-0.7（1.5k•q2•2+Pk2）

式中:

q1、q2—计算管段的管道单位长度重量，N/m;

L1、L2—计算管段的长度,m;

k—牵制系数；

卩一管道与支架间的摩擦系数；

Pk1、Pk2—补偿器的弹性力,N

b.增设阀门后管线虚线方框固定支架的轴向推力计算（阀门关闭后）

当阀门打开时，固定支架的轴向推力计算方法与F1相同，阀门关闭时，根

据上述可知此时固定支架的轴向推力F2可用下式表达：

F2=1.5k-q1L1+Pk1

从上述两式可以看出F2比F1多一项0.7（1.5k-q2L2+Pk2）。

因此增设阀门

5.2管道打压未采取支撑措施固定支架的受力分析（两个施工单位分段施工、分

段打压而未采取支撑措施）

a.原设计管线固定支架（中间的）的轴向推力计算该固定支架仅承受卡箍式柔性管接头的弹性反力Pk

即F1=Pk。

图5原设计管线示意遲

b.管道打压时未采取支撑措施，固定支架（中间的）的轴向推力计算

当管道打压时，根据对每一个工程实例的分析可知，此时该固定支架的轴向

推力F2可用下式表达：

F2=Pk+Pn

从上述两式可以看出

F2比F1多一项不平衡压力Pn,而Pn的计算公式为：

Pn=Pf

卡箍式柔性管接头

图6暂道打压时管线示蕙图

⑴在实际工作中，使用项目若要对原有管线增设阀门、弯头等附件时，必须对附近的固定支架进行轴向推力验算，因为这时固定支架除了承受原有的轴向推力外，还要承受由于系统变化（如:

增设阀门）所产生的附加轴向推力，否则将会导致固定支架损坏等事故。

⑵各项目在管道试压过程中，特别是一条管线多个单位施工，分段施工、分段试压时，必须对试压封头附近的固定支架轴向推力进行验算，一般情况下，都必须采取外力支撑来抵抗这个轴向推力，否则将会发生事故，造成经济损失。

参考资料：

《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规》

《03S402室管道支架及吊架图集》

《钢结构设计规》-新规2014