支吊架强度计算在机电安装工程的应用举例.doc
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管道支吊架强度计算在机电安装工程中的应用举例
摘要：
一直以来，在工程上管道支吊架，本文作者通过结合具体参与的具体的项目，对承重架的强度计算进行了具体阐述，并支吊架设计过程中的经验，希望在以后的相关工程中关于支吊架的设计更加合理、高效。
1、概述
在工程的实际施工中，管道支吊架的施工绝大多数由安装施工单位来决定和实施，而施工单位的施工技术人员仅凭自己的经验决定支吊架位置及形式，选型也是不经过详细地计算论证就盲目地选定某种规格的材料，这样的结果往往在经济上造成很大的材料浪费，或者就是支吊架强度不够，工程交付后出现质量问题返工维修，也为企业增加不必要的成本。
根据以上实际情况，笔者结合自己参与的工程项目，对支吊架材料选型及强度计算做一探讨，希望在以后工作中，更能高效合理做好支吊架方面的设计工作。
支撑管道的管架通常分为两类：
（1）属于土建结构部分，习惯称为“管架”或“管廊”；
（2）管道与土建主结构之间相接的各种支、托、吊部分，其中包括生根在建构物上的各种支架，和高度在2m以下独立的支架，习惯称为“管道支吊架”。
在这里，我们主要对管道支吊架进行探讨和阐述。
做管道布置工作要有管道支架方面的基本知识，在管道布置时，要考虑便于设置支架。
管道自重产生的应力与管道支架的间距有关，支架必须布置成不大于允许的管支架间距。
管道支架的选型及位置是管道支架设计的首要问题。
在此项目中，考虑到主要设备都分布在房间里的实际情况，我们把管道支架集中布置在管廊上，其优点是管道布置合理又整齐美观，同时管道支架便于安装。
2、支吊架的型式及分类选择
2．1支吊架的分类
2.1.1承重架：
用于承受管道的重力及其他垂直向下载荷的支架；
2.1.2限位架：
用于阻止、限制或控制管道系统热位移的支架；
2.1.3减振架：
用于控制或减小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；
2.2根据支吊架的定义，结合实际情况我们主要涉及的承重架，承重架分为：
（1）滑动架：
在支承点的下方支撑的托架，除垂直方向支撑力及水平方向摩擦力以外，没有其他任何阻力。
（2）杆式吊架：
在支承点的上方以悬吊的方式承受管道的重力及其他垂直向下的荷载，吊杆处于受拉状态；（3）恒力架：
在有效的工作范围内，对于支承点方向上任何数值的位移，其支承力恒定不变或几乎恒定不变，例如重锤恒力架和弹簧恒力架。
根据分类我们的安装支吊架位属于承重架中的杆式吊架。
2.3管道支架结构的组成部分
2.3.1管道附着件：
指附着在管道上的支架部件，是支架与管道外壁相连接或接触的部件。
如管托、管卡、U型管托、吊耳、支耳、支腿、耳轴及裙座等；
2.3.2连接配件：
指连接的零部件、吊杆等；
2.3.3特殊功能件：
指弹簧架、限位杆等部件或其他特殊功能的装置。
如减振器等；
2.3.4辅助钢结构：
一般由型钢及钢板制造。
其作用是将管道支承点的力传递给土建结构或设备外壁。
辅助钢结构的高度一般不超过2m。
较高的钢结构不属于管道支架的范围，应提交土建专业设计；
2.3.5支架生根件：
生根件附在设备或土建钢筋混凝土结构上，从备料的角度来讲，也可不算管道支架的组成部分，但从管道设计方面，可作为支架的组成部分。
2、管道支架间距的确定
管道支架的间距系指管道的跨度。
一般管道的最大支架间距是按强度条件和刚度（或挠度）条件计算决定。
在两者中，选择其数值小的作为管道的最大间距值。
2.1按刚度条件：
水平管道支吊架最大允许间距：
2.2按强度条件：
水平管道支吊架最大允许间距：
3.管道支架位置的确定
3.1承重架距离应不大于支架的最大间距，有压力脉动的管道，要按所要求的管道固有频率来决定支架间距，避免发生共振；
3.2尽量利用已有的土建结构的构件支承，及在管廊的梁柱上支承。
3.3做柔性分析的管道，支架位置根据分析决定，并考虑支承的可能性。
3.4在垂直管段弯头附近，或在垂直段重心以上做承重架，垂直段长时，可在下部增设导向架。
3.5在集中载荷大的管道组成件附近设承重架。
3.6尽量使设备接口的受力减小；
3.7考虑维修方便，使拆卸管段时最好不需要做临时支架；
3.8支架的位置及类型应尽量减小作用力对被生根部件的不良影响。
4、管道支架的结构设计及强度计算
4.1管道支架的结构设计
4 .2管道支架的强度计算
4.2.1作用在管道支架上的荷载
4.2.1.1管道单位长度上的重力
4.2.2管道支架结构的计算
4.2.2.1支架结构的计算
管道支架的管部附着件及支架构件应有足够的强度和刚度，对于保温保冷结构的管道一般均需设置管部附着件，附着件是与管直接接触或焊接，应考虑其计算应力不超过工作温度下的许用应力，见附表
4.2.2.2底板的计算
4.2.2.3螺栓连接的计算
4.2.2.4焊缝强度计算
在通常情况下，管道支吊架与连接板之间均采用焊接的形式连接，一般为角焊缝，焊缝强度计算
［τh］为焊缝的许用剪应力；
hf为贴角焊缝的厚度；
lf为焊缝的总计算长度；
每条焊缝的计算长度为实际长度l减去2hf（考虑到焊缝两端的质量不够好），如图1：
5、总结
通过管道支架的设计计算，
表1.常用无缝钢管流量系列参数表
DN15
DN20
DN25
DN30
DN40
DN50
DN65
DN80
DN100
DN125
DN150
DN200
外径（mm）
φ18×2
φ25×2
φ32×2.5
φ38×2.5
φ45×2.5
φ57×3
φ76×3.5
φ89×4
φ108×4
φ133×4
φ159×4.5
φ219×6
内径（mm）
14
21
27
33
40
51
69
81
100
125
150
207
面积（mm2）
153．94
346．36
490．87
855．30
1256．64
2042．82
3739．28
5153．00
7853．98
12271.85
17671.46
33653.53
流量（m3/h）
55
55
55
55
55
55
36
55
55
55
55
55
0．015
0．015
0．015
0．015
0．015
0．015
0．010
0．015
0．015
0.015
0.015
0.015
流速（m/s）
99．25
44．11
31．12
17．86
12．16
7．48
2．67
2．96
1．95
1.24
0.86
0.45
管重
（kg）
0．789
1．13
1．82
2．19
2．62
4
6．26
8．38
10．26
12.73
17.15
31.52
水重（kg/m）
0．154
0．346
0．491
0．855
1．257
2．043
3．739
5．153
7．854
12.272
17.671
33.654
管加水（kg/m）
0．943
1．476
2．311
3．045
3．877
6．043
9．999
13．533
18．114
25.002
34.821
65.174
保温厚度（mm）
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
保温重量（kg）
1．923
2．121
2．319
2．488
2．686
3．025
3．563
3．93
4．467
5.174
5.909
7.606
管＋水＋保温（kg/m）
2．87
3．60
4．63
5．53
6．56
9．07
13．56
17．46
22．58
30.18
40.73
72.78
支吊架间距
水平直管道上的支吊架间距应满足下列要求：
刚性条件
管道的一阶
7.3支吊架荷载
支吊架设计应考虑（但不限于）下列各项荷载：
7.3.1管子、阀门、管件和保温结构的重力。
7.3.2支吊架零部件自重。
7.3.3管道所运送介质的重力。
7.3.4管道水压试验或管路清洗时的介质重力。
7.3.5管道上柔性管件（波纹管补偿器、金属软管等）由于内部压力所产生的作用力。
7.3.6支吊架约束管道位移（热胀、冷紧和端点附加位移）所承受的约束反力和弹簧支吊架转移荷载。
7.3.7管道位移时在活动支吊架上引起的摩擦力，摩擦系数μ可取下列数值：
钢与钢滑动摩擦μ=0.3
钢与聚四氟乙烯μ=0.2
聚四氟乙烯之间μ=0.1
钢与钢滚动摩擦μ=0.1
吊架μ=0.3
7.3.8室外管道的风雪荷载。
7.3.9正常运转时，可能产生的管道振动力。
7.3.10管内流体动量突变（如水锤）引起的瞬间作用力。
7.3.11蒸汽排放时产生的反作用力。
7.3.12管道装在有地震地区产生的地震力。
但不考虑地震与风载荷同时出现的工况。
支吊架结构荷载
应按照支吊架使用过程中的各种工况分别计算，并组合同时作用于支吊架上的所有荷载，取其中对支吊架结构最不利的一组，并加上本支吊架或邻近活动支吊架上摩擦力对本支吊架的作用力作为结构荷载。
支吊架结构荷载计算可考虑下述工况：
1、运行初期冷态工况；
2、运行初期热态工况；
3、管道应变自均衡后的冷态工况；
4、水压试验（或管路清洗）工况；
5、各种暂态工况，如阀门瞬间启闭工况、安全阀动作工况等。
计算管子、阀门、管件和保温结构的重力时，应乘以荷载修正系数。
一般荷载修正系数可取1.4。
此时修正后的荷载已包括支吊架零部件自重。
动力载荷（管内流体动量突变（如水锤）引起的瞬间作用力和蒸汽排放时产生的反作用力），应根据荷载的动力特性，乘以相应的动载系数。
安全阀排汽反力的动载系数可取1.1～1.2，其他动载系数可取1.2。
风雪载按《建筑结构荷载规范》计算
减震装置和阻尼装置的结构荷载，应根据管道对防振或抗冲击的需要具体分析确定。
支吊架荷载应使用经审定的计算程序，利用计算机计算。
次要管道可使用附表的计算公式计算。
直管如图，
Ffp＝q（L+L1）+Kfp（Q-lq）
式中：
l—附件长度，m；
Ffp—分配荷载，KN；
L—支吊架间距，m
L1—两侧相邻支吊架间距，m；
q—管道单位长度重力，KN/m；
Q—附件重力，KN；
Kfp—附件荷载分配系数，按下列方法确定：
对于支吊架A:
图1水平直管图2水平弯管
KfpA=b/L
KfpA=
对于支吊架B:
KfpB=1-KfpA
带大小头的管段，按两侧支吊架各承受间距内管段总重力的一半分配。
对于水平三通管段，支管的计算一般以三通处作为假想支点；主管的计算，可将支管假想支点的荷载做为集中荷载，按F.2.1中原则分配。
垂直90°弯管段，其水平管道重力的分配；当水平段较长时按50％，较短时按100％分配给水平段邻近的支架承受。
按上述方法计算得到的分配荷载乘以1.4的荷载修正系数，做为结构荷载。
2、焊缝强度计算
［τh］为焊缝的许用剪应力；
hf为贴角焊缝的厚度；
lf为焊缝的总计算长度；
每条焊缝的计算长度为实际长度l减去2hf（考虑到焊缝两端的质量不够好），如图1：
指挥部
整理支架的规格
碳素结构钢的Q235E（Gpa）196～206
在管道的设计方面
挠度计算：
在管道布置时，要考虑便于布置管道支架。
管道自重产生的应力与管道支架之间的距离有关，支架必须布置成不允许的管道支架间距。
总之，做管道布置的人员需要为管道支架设计创造方便的条件，而管道支架设计者，应尽量设法管道支架的合理设计实现合理的配管方案，只有在无合理方案时，才改变管道走向。
管道支架设计、柔性计算及管道布置三方面需紧密配合和科学管理才能做出优良的管道设计。
典型的管道布置方法：
把管道支架布置在管廊，这样的优点是管道布置合理又整齐美观，同时管道支架便于安装。
确定管道支架的组成：
（1）管部附着件：
它是附着在管道上的支架部件，
（2）连接配件
（3）特殊功能件
（4）辅助钢结构
（5）支架生根件
水平管道支架的最大间距的确定：
水平管道的间距即指管道的跨度，一般管道的最大支架间距是按强度条件及刚度（或者挠度）条件计算决定，取其最小值，管道支架间距选择的合理与否，直接影响到成本。
作用在管道的载荷：
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