室外架空燃气管道安装支架的结构强度及刚度分析

摘要：城市燃气管道支架设计对于管道安全来说是一项极其重要的工作，其不仅要承受管道的垂直载荷，还要承受来自各方面作用于管道上的力，限制管道的位移，并满足管道系统的运行要求。正确的设计可以满足管道对支架强度和刚度的要求，同时有效地降低管道对支架产生较大的附加载荷，防止因管道的振动、位移等原因造成燃气泄露等事故的发生。研究表明，增加支架壁厚、加斜撑、缩小管道支架间距等均可降低支架的变形和应力，满足燃气管道安装工程的要求。

关键词：室外架空；安装支架；强度分析；刚度分析

1架空燃气管道的合理设计及标准

管道的参数要涉及到管道的平面和壁厚以及管径等，其参数的设计基本和常温的管道设计一样。对支架的位置由于管道铺设众多，其位置十分复杂，要借助多管协作的方式进行架设。在支架的位置要注意的是按照最细管的设计方式和要求来设计，且在实际的施工和设计时，要先把管道的宽度拉开，再和有关结构设计的专门技术人员通过合作，对管道的支架设计成纵梁式。这时不必考虑到管径的大小，可以直接按照常规的方法运用9m的跨距值就能有较好的支撑作用。如果有弯管跨，就要再乘0.6到0.7折减系数。对管道用固定支架间距的设置一般用直管段，且要充分保证没有纵向弯曲的情况发生。这种情况主要是对于温度状态下的直管段和长细杆情况是一样的，如果纵向弯曲的情况发生且轴向伸缩变形，那么管段就容易产生失稳的隐患。因此，对管段的应力要符合有关要求。然后利用软件，把有关数据进行输入计算机，进行数据的计算，要注意是是把相应的数据带入每一段的补偿段内。如果管段有支管的情况，还要把支管的有关部分的数据进行补偿并带入数据再计算。对于储罐基础位置要合理进行沉降的控制，结构设计人员要充分对此提高重视。 2材料模型

为了确保室外架空燃气管道的安全性，基于ABAQUS软件，建立了在6.5m安装间距条件下2mm厚度、4mm厚度、2mm厚度加20mm斜撑、4mm厚度加20mm斜撑4种支架模型，以及在3m安装间距下4mm厚度加20mm斜撑支架模型，管道支架的结构和形状较多，从性能和用途来分，可以分为支架（包括管托、滚动支架、管卡、平衡锤支、架弹簧支架等）、吊架（包括钢性吊架、弹簧吊架）、限制性支架和支承装置等。BAZT025－DN80支架为城镇室外架空燃气管道的安装支架，材质为美标304不锈钢，其屈服强度为205MPa，抗拉强度为520MPa，均匀延伸率约为35%。根据工程应力应变参数可得其真应力、真应变及其之间的关系。管道安装支架的壁厚为2mm，属于薄壁结构，其结构如图1所示。

图1管道安装支架结构示意图 3支架的受力分析计算 3.1结构计算模型和基本假定

1）计算模型。在ABAQUS开发环境下建立支架模型。安装螺栓孔设置为固定边界条件，并耦合加载位置的垂直方向位移。加载位置根据图纸给出的尺寸设置在最外侧，距离安装面

的水平距离为155.55mm。根据常用镀锌管理论质量以及安装支架间距计算垂直方向的载荷。取支架间距为6.5m、管道质量为9.0kg/m，则支架承受的垂直方向的总载荷为566N。 2）基本假定。a．柱和梁的截面尺寸以现场实测为准；b．支架混凝土柱底部为刚性连接；c．支架混凝土的强度取现场实测强度，并不大于原设计强度。d．根据构件破损的程度对承载力折减。 3.2计算荷载 1）荷载种类

a．恒载为构件自重和管道自重。b．活荷载为管道内介质重量、风荷载、积灰荷载和检修荷载及等。c．地震作用为按现行抗震规范计算，设计地震分组为第一组，场地土类别为II类，抗震设防烈度为7度（加速度值为0.10g）。 2）荷载取值

a．管道荷载为业主提供相关资料；各支架支撑的燃气管道有：400×1；600×1；1800×1；b．地面粗糙程度按B类，基本风压为0.40kN/m2。3）荷载效应组合。水平地震作用下，组合荷载效应按式（1）计算： S=γGCGGE+γEhCEhEhk

式中：γG为重力荷载分项系数；γEh为竖向地震作用分项系数；GE为重力荷载代表值；Ehk为水平地震作用的标准值；CEh、CG分别为水平地震作用和重力荷载效应系数。组合荷载作用效应计算时，分项系数取值为：γEh=1.3，γG=1.2。 4有限元分析

在ABAQUS开发环境下建立支架模型。安装螺栓孔设置为固定边界条件，并耦合加载位置的垂直方向位移。 4.1壁厚的影响 （1）壁厚2mm

支架壁厚为2mm时，垂直载荷为6.5m燃气管的重力、水平方向载荷为钢管与防腐层材料间的摩擦产生的载荷。垂直载荷为565N，摩擦系数取0.45，燃气管水平方向移动距离为2.5mm。通过应力分析可以确定，壁厚2mm支架的结构在安装孔处的强度略低，其他位置的强度满足载荷要求。因此，壁厚2mm支架的强度满足要求，但其结构刚度还有待考虑。 （2）壁厚4mm

壁厚4mm支架位移的峰值（2.09mm）仍位于支架远离安装位置侧，明显低于厚度

2mm支架的变形，但2mm的位移仍是肉眼可观察到的明显水平。应力峰值（225MPa）仍位于安装孔处，相比2mm厚度时的应力水平有所降低，且上部安装孔的应力水平较高。 4.2斜撑的影响 （1）壁厚2mm

在同样载荷作用下，由于斜撑的作用使得峰值位移由4.14mm降低为3.90mm，峰值应力与原始结构基本持平。因此，不改变厚度仅增加斜撑时的效果不是特别明显。 （2）壁厚4mm

在同样载荷的作用下，由于斜撑的作用使得峰值位移为1.46mm、峰值应力为215MPa，峰值位移均明显较小，但是应力峰值仍然高于材料的屈服强度。 4.3支架间距的影响

在壁厚4mm、加20mm斜撑的基础上，安装支架间距从6.5m缩小为3m，然后再分析支架结构的变形及应力分布情况，此时最大位移为0.66mm，峰值应力为191MPa。与支架间距6.5m时的情况相比，变形明显减小，峰值应力略有降低。由于厚度较大，上安装孔承受了大部分载荷，因此应力峰值降幅不大，但已低于材料的屈服强度。 4.4采用吊索式跨越结构

其由水平拉杆、吊索、型钢梁和独立式管架组成。经计算，与管道水平跨越结构相比，需多用钢材2.1吨，且施工困难，工期需要30天，因此该方案也不采用。采用局部加强管道的方法，在管道上方或下方焊接加强板，使截面二次矩及刚度都加大，从而达到增加跨距的目的，同时施工难度不大，亦能满足现场施工条件、工期等方面要求。因此，选择加强管道的方案对杏龙路燃气管道迁改项目进行设计计算。 结束语

燃气管道支架间距为6.5m，在燃气管道自身质量、安装时螺栓等紧固力的共同作用下，产生的变形使得2mm壁厚支架A区最大位移为4.14mm，此时安装孔处的峰值应力为

235MPa，超过了材料的屈服强度。增加支架壁厚、加斜撑、缩小管道支架间距等均可降低支架的变形和应力。3种因素的共同作用可有效减小变形，峰值位移降低至0.66mm、应力峰值降低至191MPa，这时的应力峰值已低于材料的屈服强度。此结构支架的强度和刚度均可以满足燃气管道安装工程的要求。 参考文献：

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