摘　要：結(jié)合實(shí)際工程，簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)熱力管道固定支架整體受力安全的前提下，應(yīng)用有限元方法對(duì)隧道內(nèi)水平推力和重力荷載單獨(dú)作用及綜合作用下的熱力管道固定支架進(jìn)行了受力分析研究。在結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)階段，簡(jiǎn)化計(jì)算是非常必要的；大管徑、大推力的管道固定支架宜采用斜支撐等軸心受力構(gòu)件支撐體系；鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)中應(yīng)避免出現(xiàn)人工縫；不易簡(jiǎn)化的復(fù)雜結(jié)構(gòu)或不成熟的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，應(yīng)借助實(shí)驗(yàn)或有限元進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：熱力管道；  支架設(shè)計(jì)；  有限元分析；  水平推力；  支撐體系；  隧道

Design Study of Fixed Support for Heating Pipeline with Huge Horizontal Thrust in Tunnel

Abstract：Combined with the practical engineering，under the premise of overall stress safety of fixed support for heating pipeline，the stress analysis of fixed support for heating pipeline under alone horizontal thrust and alone gravity load and their combination in tunnel is performed by finite element method when calculation is simplified．The simplified calculation is very necessary during the design phase of the structure scheme．The fixed support for heating pipeline with large diameter and large horizontal thrust should adopt the supporting system with axial stress components．The artificial seams should be avoided in steel structure welding node．The construction with complex structure or immature node is not easily simplified，and the analysis should be carried out by means of experiment and finite element method．

Keywords：heating pipeline；support design；finite element analysis；horizontal thrust；supporting system：tunnel

1　概述

對(duì)熱力管道而言，管道固定支架受力分析與計(jì)算是供熱系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要保障。但是，管網(wǎng)在運(yùn)行過(guò)程中，爆管、管道開(kāi)裂等事故時(shí)有發(fā)生，其中相當(dāng)一部分是由管道設(shè)計(jì)者對(duì)管道固定支架的受力分析計(jì)算以及強(qiáng)度校核不準(zhǔn)確引起的。在工程設(shè)計(jì)中，管道受力分析主要解決管道的強(qiáng)度、剛度等問(wèn)題，為管道布置、安裝、配置提供科學(xué)依據(jù)，但這些都是建立在管道固定支架可靠的基礎(chǔ)上[1]。

熱網(wǎng)中熱力管道的敷設(shè)方式有地上敷設(shè)、管溝敷設(shè)和直埋敷設(shè)3種。近幾十年來(lái)，直埋敷設(shè)因施工速度快、占地少、保溫性好等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于熱水供熱管網(wǎng)中。因此，對(duì)于直埋管道支墩受力分析與計(jì)算的研究，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)取得很多的成果[2-5]。對(duì)于地上敷設(shè)管道固定支架的受力分析與計(jì)算，雖然研究得更多、更早，但幾乎都是早期的研究成果，且由于理論相對(duì)比較成熟，所以近幾年的發(fā)展相對(duì)緩慢[6]。

國(guó)內(nèi)已實(shí)施的在通行管溝內(nèi)架空敷設(shè)熱力管道工程，其管道公稱(chēng)直徑不大于1000mm，管道固定支架水平推力不超過(guò)2000kN。關(guān)于隧道內(nèi)的大管徑、大推力的管道固定支架的研究尚屬空白。本文結(jié)合古交興能電廠至太原供熱主管道及中繼能源站工程，分析研究隧道內(nèi)巨大水平推力熱力管道固定支架設(shè)計(jì)方法。該項(xiàng)目中熱力供水管道固定支架承受水平推力達(dá)7500kN，管道固定支架的結(jié)構(gòu)形式、管道與支架的連接節(jié)點(diǎn)、支架與隧道的連接、支架在隧道內(nèi)的錨固生根等都是亟待解決的技術(shù)難題。在充分保證管道運(yùn)行安全的基礎(chǔ)上，最大可能地充分利用管道自身的強(qiáng)度特點(diǎn)，采用合理的結(jié)構(gòu)體系和細(xì)部構(gòu)造，減少造價(jià)，確保集中供熱安全、經(jīng)濟(jì)、高效，為其他管道固定支架設(shè)計(jì)提供參考。

2　項(xiàng)目概況

古交興能電廠至太原供熱主管道及中繼能源站工程總造價(jià)近40×108元，熱源來(lái)自山西省古交興能電廠，受熱地點(diǎn)為太原市，供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)供熱規(guī)模為7600×104m2，供熱管線全長(zhǎng)80km。結(jié)合該工程的實(shí)際情況，主管道敷設(shè)方式分別采用直埋敷設(shè)、野外架空敷設(shè)及隧道內(nèi)架空敷設(shè)，其中隧道內(nèi)架空敷設(shè)約15.4km。隧道熱力管道斷面及管道固定支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1，共敷設(shè)四根DN 1400mm熱力管道，根據(jù)隧道的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，兩側(cè)管道固定支架也對(duì)稱(chēng)布置，上部?jī)筛┧?，下部?jī)筛厮埽蠈庸┧艿墓艿拦潭ㄖЪ苎毓艿篱L(zhǎng)度方向推力巨大，達(dá)到7500kN，離隧道壁遠(yuǎn)，固定困難，是本文研究的重點(diǎn)。

3　管道固定支架設(shè)計(jì)方案研究

隧道內(nèi)支架間距25m，供水管道的折算重力荷載為34.8kN／m。考慮到隧道內(nèi)施工空間狹小，隧道長(zhǎng)度超過(guò)10km，為方便施工安裝，管道固定支架采用鋼結(jié)構(gòu)，隧道外制作，運(yùn)輸就位焊接安裝。為了保證管道固定支架的安全，必須采用受力清晰、傳力路徑明確的設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)方案階段，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化是非常重要的，經(jīng)過(guò)理論分析和初步研究，設(shè)計(jì)管道固定支架上、下、側(cè)面固定于隧道二襯上，與預(yù)埋件焊接，連接節(jié)點(diǎn)及預(yù)埋件按固結(jié)計(jì)算及構(gòu)造。隧道一襯二襯局部環(huán)狀加厚，與巖體形成環(huán)狀頂推面，以承受管道縱向推力。由于水平推力巨大，如果僅采用主立柱受彎來(lái)承受水平推力，一方面該立柱截面太大，另一方面材料強(qiáng)度得不到充分利用，浪費(fèi)材料。立柱設(shè)計(jì)方案中加入支撐體系。在立柱沿管道縱向設(shè)米字形支撐，形成軸心受力體系。支撐按軸心受力構(gòu)件設(shè)計(jì)，為了安全起見(jiàn)，支架與隧道連接節(jié)點(diǎn)分別按鉸接和剛接計(jì)算兩次，取不利結(jié)果設(shè)計(jì)構(gòu)件和焊縫。斜支撐主要承受水平推力，立柱主要承受重力荷載。管道與支架連接采用環(huán)狀加勁肋板底板構(gòu)造，保證沿管道周長(zhǎng)均衡傳遞水平推力。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化計(jì)算分析，構(gòu)件的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1(單位mm)。加勁肋板及其底板初步選16mm厚鋼板，鋼材支架選用Q345B，DN 1400mm熱力管道鋼材為L290。

4　有限元分析

采用有限元分析的方法對(duì)管道固定支架工作性能進(jìn)行分析研究，主要側(cè)重管道固定支架在均布重力荷載作用下和水平推力作用下各部分的受力情況。有限元分析采用ANSYS軟件，有限元模型選用Shell181單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分盡可能采用矩形單元，角部、受力較大部位的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。鋼材的本構(gòu)關(guān)系采用理想的雙線性模型，用以反映鋼材屈服、構(gòu)件變形等非線性特性。鋼材的屈服強(qiáng)度根據(jù)材料實(shí)驗(yàn)或鋼材標(biāo)號(hào)進(jìn)行選取。泊松比根據(jù)規(guī)范取0.3。有限元模型考慮加勁肋板底板和橫梁立柱之間的接觸，采用目標(biāo)單元TARGE170和接觸單元CONTA173模擬，摩擦系數(shù)取0.4。受力分析時(shí)的計(jì)算單元將管道從兩支架中間截?cái)?，立柱和橫梁與隧道的連接均設(shè)為固定連接，由于計(jì)算單元管道兩端的約束與等跨連續(xù)梁跨中情況類(lèi)似，可以沿管道長(zhǎng)度方向移動(dòng)，可以垂直管道豎向移動(dòng)，不能沿水平方向移動(dòng)，不能轉(zhuǎn)動(dòng)。重力荷載均勻加到管道劃分的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上，水平推力均勻施加在管道的右端。有限元模型見(jiàn)圖2。

①重力荷載作用

重力荷載作用下管道受力模型是多跨連續(xù)梁，這一點(diǎn)有限元分析結(jié)果與簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)的分析一致，管道應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3(數(shù)據(jù)軸的單位均為Pa，數(shù)據(jù)中的．表示小數(shù)點(diǎn)，每種顏色均表示一個(gè)數(shù)據(jù)范圍，以下各圖情況均與此相同)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在支座上部，約32.9MPa，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度290MPa，滿足GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB 50017—2003)的要求。立柱和橫梁為H型鋼弱軸受彎，最大應(yīng)力在上部橫梁中部，Mises應(yīng)力為38.0MPa，見(jiàn)圖4。斜支撐受力很小，見(jiàn)圖5，與之前的分析結(jié)果一致，這是由于重力主要由立柱承擔(dān)。加勁肋板及底板簡(jiǎn)化計(jì)算比較困難，有限元分析結(jié)果見(jiàn)圖6，重力荷載作用下加勁肋板及底板應(yīng)力不大，應(yīng)力集中加勁肋板尖端為306MPa(由于極少量網(wǎng)格數(shù)據(jù)能呈現(xiàn)該值，在圖中無(wú)法顯示)。

②水平推力作用

水平推力作用下管道受力模型是軸心受壓構(gòu)件，與簡(jiǎn)化計(jì)算方式的分析一致，管道應(yīng)力云圖見(jiàn)圖7。水平推力作用部分管道，應(yīng)力大部分在100MPa左右，在與加勁肋板和底板連接的部位由于局部彎曲的作用，應(yīng)力突然增大，最大值約217MPa，滿足GB 50017—2003的要求。對(duì)受拉側(cè)，立柱和橫梁為H型鋼強(qiáng)軸受彎，在整體彎矩作用下立柱和橫梁應(yīng)力并不大，約100MPa。受拉側(cè)翼緣Mises應(yīng)力見(jiàn)圖8，由于加勁肋板邊緣與立柱和橫梁翼緣焊接，局部彎矩作用下等效應(yīng)力會(huì)達(dá)到314MPa，略超出了設(shè)計(jì)強(qiáng)度上限。受壓側(cè)翼緣Mises應(yīng)力見(jiàn)圖9，在整體彎矩作用下立柱和橫梁應(yīng)力也不大，約100Mpa，但在局部彎矩作用下，等效應(yīng)力會(huì)達(dá)到350MPa，超出了設(shè)計(jì)強(qiáng)度上限。斜支撐Mises應(yīng)力見(jiàn)圖10，有限元結(jié)果與設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化分析結(jié)果基本一致，大部分小于50MPa，但與立柱連接處有應(yīng)力集中，應(yīng)注意加強(qiáng)焊縫的延性處理。加勁肋板及底板有限元分析結(jié)果見(jiàn)圖11，可以看出在局部荷載作用下，底板等效應(yīng)力會(huì)達(dá)到350MPa，超出了設(shè)計(jì)強(qiáng)度上限，應(yīng)加厚。

③綜合受力分析

重力載荷和水平推力共同作用下管道受力模型是壓彎構(gòu)件，管道應(yīng)力云圖見(jiàn)圖12。水平推力作用部分管道，應(yīng)力大部分在100MPa左右，在與加勁肋板和底板連接的部位由于局部彎曲的作用，應(yīng)力突然增大，最大值213MPa，滿足GB 50017—2003的要求。對(duì)受拉側(cè)，在整體彎矩作用下立柱和橫梁應(yīng)力并不大，約100MPa。受拉側(cè)翼緣Mises應(yīng)力見(jiàn)圖13，由于加勁肋板邊緣與立柱和橫梁翼緣焊接，局部彎矩作用下等效應(yīng)力會(huì)達(dá)到350MPa，略超出了設(shè)計(jì)強(qiáng)度上限。受壓側(cè)翼緣Mises應(yīng)力見(jiàn)圖14，在整體彎矩作用下立柱和橫梁應(yīng)力也不大，約100MPa，但在局部荷載作用下，等效應(yīng)力會(huì)達(dá)到350MPa，超出了設(shè)計(jì)強(qiáng)度上限。斜支撐受力見(jiàn)圖15，有限元結(jié)果與設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化分析結(jié)果基本一致，大部分小于50MPa，但與立柱連接處有應(yīng)力集中，應(yīng)注意加強(qiáng)焊縫的延性處理。加勁肋板及底板有限元分析結(jié)果見(jiàn)圖16，可以看出在局部荷載作用下，底板等效應(yīng)力會(huì)達(dá)到350MPa，超出了設(shè)計(jì)強(qiáng)度上限，應(yīng)加厚。

5　設(shè)計(jì)方案改進(jìn)

①去掉焊縫加承托角鋼

有限元研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，受拉側(cè)加勁肋板底板與立柱橫梁翼緣焊接容易造成局部彎矩作用下破壞。而且這種情況也會(huì)形成人工縫，見(jiàn)圖17a。從斷裂力學(xué)角度看，如果焊接材料塑性較差，在拉力作用下，在人工縫處產(chǎn)生應(yīng)力集中，會(huì)使該裂縫擴(kuò)大，極易造成脆性破壞。可采取去掉焊縫，沿加肋底板邊緣加承托角鋼的措施，見(jiàn)圖17b，受壓側(cè)也做類(lèi)似修改。

②底板加厚

加勁肋板部分簡(jiǎn)化計(jì)算比較困難，有限元研究發(fā)現(xiàn)，在水平推力單獨(dú)作用及重力與水平推力共同作用時(shí)，16mm厚底板不能滿足強(qiáng)度要求。經(jīng)進(jìn)一步有限元分析，底板厚度增加到22mm。底板加厚，剛度提高，會(huì)減小立柱橫梁翼緣局部應(yīng)力。

③立柱和橫梁翼緣加厚

由文中分析可以看出，右側(cè)立柱和上部橫梁翼緣厚度不足，經(jīng)有限元分析后，由16mm加厚到20mm。

6　結(jié)論

①在結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)階段，簡(jiǎn)化計(jì)算仍然具有不可替代的意義。設(shè)計(jì)者應(yīng)具備比較清楚的受力概念。

②大管徑、大推力的管道固定支架的設(shè)計(jì)方案應(yīng)避免采用大跨度受彎構(gòu)件來(lái)抵抗水平推力，宜采用桁架或支撐等軸心受力構(gòu)件，這樣既能提高強(qiáng)度和剛度，也能節(jié)約材料。

③鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)中應(yīng)避免出現(xiàn)人工縫。

④不易簡(jiǎn)化復(fù)雜結(jié)構(gòu)或不成熟的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，應(yīng)借助實(shí)驗(yàn)或有限元進(jìn)行分析，確保結(jié)構(gòu)整體安全。

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本文作者：白旭峰  孟昭輝  劉洪波  蘇曉果

作者單位：中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司

  黑龍江大學(xué)建筑工程學(xué)院