管道支吊架跨距设计指南：如何优化跨距以降低工程费用

#1 管道支撑和吊架跨度

管架跨度的大小直接决定管架的数量。如果跨度太小，则管架过于密集，管架数量增多，成本增加。因此，需要在保证管道安全正常运行的同时，尽可能增大管道跨度，降低工程造价。

但管架跨度受管材、截面刚度、其他荷载及管材允许挠度等影响，不能无限扩大。因此，在设计管道支吊架时，首先应确定管架的最大跨度。

根据相关规范如《通风与空调工程施工质量验收规范》GB50243-2002规定的管道支吊架最大间距确定管道最大允许跨度

钢管支吊架最大间距

本工程设置的共用支撑最大跨度为4.2m。

#2 管道支吊架简介

用于支撑管道的结构称为管道支吊架。敷设管道时，必须对其进行固定或支撑。固定或支撑管道的部件是支架和吊架。管道支吊架一般由管座、管架立柱或管架吊架（简称立柱或吊架）、管架梁（简称梁）和支撑节点组成。

#3 管架荷载分析

1) 垂直载荷

管道支吊架的竖向荷载按其性质可分为基本竖向荷载和可变竖向荷载。基本竖向荷载是指管道承受的管道重力、介质重力、保温层及其他附件等永久荷载。

变化竖向荷载是指管道在地震时应承受的活荷载、泥沙重力和特殊变化荷载。由于可变竖向荷载无法准确计算，我们将管道支吊架的基本竖向荷载乘以一个经验系数（一般为1.2~1.4）作为管架竖向的计算荷载。本工程综合支吊架计算中，经验系数值为1.35。

计算管道支吊架的基本竖向荷载时，可将复杂管道支撑系统近似视为简支梁。根据受力分析，管架B承受的基本竖向荷载为GB=(GL1+GL2)/2。

由于管道支吊架的种类较多，无法一一计算。为此，我们只需考虑同类型支架最不利的受力条件，根据管道支吊架的最大允许跨度计算最不利的支撑。此时只需计算长度为最大允许跨度L的管道、介质、保温层的重力G即可。

计算重力方向载荷为G=αGB（α=1.35）

2) 水平载荷

管道水平方向的荷载就是作用在管架上的水平推力。按支架类型可分为活动管架上的水平推力和固定管架上的水平推力。

活动管架的水平推力主要来自于管道的摩擦力，臂架的水平推力可以忽略不计；

水平推力即管道摩擦力f=μG（μ为摩擦系数，G为管道垂直载荷）

#4 管道支吊架受力及选型计算

基于上述管架受力分析，对许昌万达广场项目一层13-14/E轴综合支吊架进行分析计算。

如下图所示，目前有3根DN150消防水管，管道为镀锌钢管Φ168.3*4.5； 4根DN100加热管和热风幕管，管道为焊接钢管Φ114.3*4.0； 2 DN200空调水管，管材为无缝钢管Φ219*6。

根据规范，DN100管架最大跨度为5m。本工程设置的共用支架最大跨度为4.2m。因此，按最坏情况支架间距4.2m进行管架受力分析。

4.1管道垂直方向荷载计算的计算。

1）单根DN100管道作用于管架上的计算荷载

DN100单管垂直方向基本荷载（支吊架距离4.2米）

钢管自重=0.0246615×(114.3-4)×4×9.8×4.2×1.1=491.63N≈492N

绝缘重量=45×(0.1143+0.05)×3.14×0.05×9.8×4.2×1.1=52.56N≈53N

介质重量=1000×(0.1143-0.004×2)2×3.14/4×1.1×9.8×4.2=401.6N

单管段计算荷载=（钢管重量+保温重量+介质重量）×1.35（考虑35%变动荷载）

单根DN100热水管计算载荷G100=(492+53+401.6)×1.35=1277N

2）单根DN150管道作用于管架上的计算荷载

DN150单管垂直方向基本荷载（支吊架距离4.2米）

钢管自重=0.0246615×(168.3-4.5)×4.5×9.8×4.2×1.1=821N

介质重量=1000×(0.1683-0.0045×2)2×3.14/4×9.8×4.2×1.1=902N

单管段计算载荷=（钢管重量+介质重量）×1.35（考虑35%变载荷）

单根DN150冷水管的计算载荷G150=（823+902）×1.35=2326N

3）单根DN200管道作用于管架上的计算荷载

单根DN200管道垂直方向基本荷载（支吊架距离4.2米）

钢管自重=0.0246615×(219-6)×6×9.8×4.2×1.1=1425N

绝缘重量=45×(0.219+0.036)×3.14×0.036×9.8×4.2×1.1=59N

介质重量=1000×(0.219-0.006×2)2×3.14/4×1.1×9.8×4.2=1524N

单管段计算荷载=（钢管重量+保温重量+介质重量）×1.35（考虑35%变动荷载）

单根DN200冷水管计算载荷G200=(1427+59+1524)×1.35=4061N

4.2管道水平方向荷载计算的计算。

水平荷载：按垂直荷载的0.3倍计算。

1）单根DN150冷水管水平推力F150=0.3×G150=0.3×2326=698N

2）单根DN100冷水管水平推力F100=0.3×G100=0.3×1277=383N

3）单根DN200冷水管水平推力F200=0.3×G200=0.3×4061=1218N

4.3 管道支吊架选择

根据管架梁的受力分析，当管架梁受到管道重力或管道推力时，可能会出现两种现象。一种是管架梁沿受力方向受剪，另一种是管架梁沿受力方向受剪。在应力方向上发生过度的弯曲变形，可能会发生严重的弯曲和断裂。

因此，合理选用管架梁，就是要保证管架梁正好满足梁的抗弯、抗剪要求。

1）管道支吊架内力分析

假设管架是具有刚性结构的简支梁。根据管架梁的竖向力和水平力，按平面简支梁进行内力分析，根据静力方程得到管架梁的内力，并绘制剪力图梁的受力图和弯矩图，求最大剪力和最大弯矩。

经受力分析发现，管架梁垂直方向最大弯矩为2671.6N·m，最大剪力为6976N。管架梁水平方向最大弯矩为607N·m，最大剪力为1382N

4.4 管道支吊架选型计算

1）管道支吊架抗弯强度计算

计算出管道支吊架的最大弯矩后，按下列公式选择管道支吊架的材料规格和型号：

采用验证方法将初步估算的型钢规格对应的截面系数代入上式进行验证。满足该方程的型钢可用作管道支架和吊架的替代材料。根据管架梁的最大弯矩，选择管架梁的材料：

管架梁选型计算表

根据管道支吊架选型计算表，均满足弯矩承载要求。由于12#槽钢所占比例最小，从经济角度考虑，暂定采用12#槽钢制作管道支吊架。

2）管道支吊架剪切强度验证

所选支架是根据管道支吊架的抗弯强度进行计算的，同时还要校核其是否满足剪力要求。管道承受的剪力可按下式计算。

因此，槽钢满足抗剪要求，故管道支吊架采用10#槽钢。

4.5 管道支吊架选型计算

根据管架受力分析，为了满足管道重力与管架施加的水平推力的平衡，管架立柱给予管架梁支撑反力，以维持管道的平衡机架及其上的管道。根据管道支架的支撑反力来选择管架立柱。据分析，管架立柱上受两种力，一是竖向拉力（或压力），二是水平推力。

1）管架柱截面计算公式

S≥1.5R/(0.85σ)

式中，S为管架柱最小截面积，R为管架柱垂直方向拉力或压力，σ为钢材的抗拉强度，一般钢截面钢为210MPa。

所以上例中管架立柱的最小截面积为：

S=1.5×6976/(0.85×210)=58.6mm2≤15.69cm2

2）管架立柱弯曲计算

因此，上例中管架柱的最小截面系数为

宽=1.5×1382×1.08/(0.85×1.05×210)=12cm3≤62.1cm3

检查型钢规格表，确保所选型钢的截面积大于58.6mm2，其截面系数必须大于12cm3。为了协调管道支撑的整体配合，管架柱和管架梁也采用相同规格的槽钢12#。

4.6 地脚螺栓强度校核

1）锚栓应力分析

管道支吊架自重：(3.15*12.318+3*1.08*12.318)*9.8=771.4N

管道支吊架垂直方向最大剪力为6976N。

2）地脚螺栓直径相同，假设每个地脚螺栓所受的力相等，则单个地脚螺栓所受的力为P/4。

3）地脚螺栓规格及极限载荷表

4）膨胀螺栓受力性能表

核对化学锚栓规格及极限荷载表，选用4根M10高强化学锚栓。

本工程采用4个M14高强化学锚栓或4个M14膨胀螺栓。

4.7

根据膨胀螺栓的检测报告，每支14#膨胀螺栓的抗拉强度为33.5KN，因此14#膨胀螺栓符合要求。

#5 大口径管道支架应力计算

根据规范，DN600管架最大跨度为10.5m。本工程设置管支架最大跨度为8.4m。因此，根据最坏情况下支架间距8.4m来分析管道支架上的应力。

5.1 管道垂直方向荷载计算

单根DN600冷却水管垂直方向基本荷载（支吊架距离8.4米）

钢管自重=0.0246615×(630-10)×10×9.8×8.4×1.1=13817.45N≈13820N

介质重量=1000×(0.63-0.010×2)2×3.14/4×1.1×9.8×8.4=26450N

单管段计算载荷=（钢管重量+介质重量）×1.35（考虑35%变载荷）

单根DN600冷却水管计算载荷G600=（13820+26450）×1.35=54362N

5.2 管道水平方向荷载计算

水平荷载：按垂直荷载的0.3倍计算。单根DN600冷却水管水平推力G=0.3×G600=0.3×54362=16310N

5.3 管道支吊架选择

根据管架梁的受力分析，当管架梁受到管道重力或管道推力时，可能会出现两种现象。一种是管架梁沿受力方向剪切，另一种是管架梁沿受力方向剪切。在应力方向上发生过度的弯曲变形，可能会发生严重的弯曲和断裂。因此，合理选用管架梁，就是要保证管架梁正好满足梁的抗弯、抗剪要求。

1）管道支吊架内力分析

假设管架是具有刚性结构的简支梁。根据管架梁的竖向力和水平力，按平面简支梁进行内力分析，根据静力方程得到管架梁的内力，并绘制剪力图梁的受力图和弯矩图，求最大剪力和最大弯矩。

经受力分析发现，管架梁垂直方向最大弯矩为27181N·m，最大剪力为54362N。管架梁水平方向最大弯矩为8155N·m，最大剪力为8584N

本工程中两根DN600冷却水管的支吊架均采用16#槽钢，每侧使用6根16#膨胀螺栓。

2）管道支吊架自重：（1.95*19.752+2*1.85*19.752）*10=1116N

3）膨胀螺栓直径相同。假设每个膨胀螺栓的受力相等，因此单个膨胀螺栓的受力为P/6。

则：Q= P/6 =(1116+54326)/6=9240N=9.24KN＜19.4KN

根据膨胀螺栓应力性能表，16#膨胀螺栓符合要求。

#6 综合支吊架设计图纸

其他同类型的综合支吊架按照上述相同的计算步骤进行计算后，最终确定综合支吊架选用的钢材型号和膨胀螺栓规格符合要求。具体规格尺寸请参阅综合支吊架图纸。

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