管道支吊架设计的前提条件及下载方式

下载方法附在文末

1、管道布置

管道的合理加深和布置是管道支吊架设计的前提。 为了设计出安全、经济、合理、整洁、美观的管道支吊架，首先必须合理布置管道，布置时必须考虑以下参数：

1、管道布置设计应符合各种工艺管道和系统流程的要求；

2、管道布置应整体规划，做到安全可靠、经济合理，满足施工、运行、维护等要求，力求整齐、美观；

3、确定进出装置（单元）的管道位置和敷设方式时，应做到内外协调；

4、管道应成排布置，排管之间的净距（保温管之间的净距）不应小于50mm。

5、对距离、角度、高差等有特殊要求的管道以及输送介质的大口径管道的布置应符合设备布置设计的要求，应短而直，不得交叉；

6、地面管道应敷设在管架或管墩上。 在管架或管墩上布置管道时，应平衡管架或管墩上的垂直载荷和水平载荷；

7、管道布置应保证管道系统具有必要的灵活性。 管道应最短、部件最少，同时保证管道的柔性以及管道对设备和泵嘴施加的力和力矩不超过允许值；

8、规划管道时应考虑支撑点设置，管道应尽可能靠近可靠支撑点布置。 但管道外表面与建筑物的最小净距不应小于100mm。 同时，应尽可能考虑管道的使用。 自然形状可以自我补偿；

9、管道布置应“逐级”或“逐级低”，减少气囊或液袋。 不可避免时，应根据运行和维护要求设置通风和吹扫。

2、管架跨度

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、管材其他荷载及允许挠度等影响，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。 管架的最大允许跨度应根据强度和刚度两个条件计算。 应使用较小的值作为推荐的最大允许跨度。

1、根据强度条件管架最大跨度计算公式：

Lmax——管架最大允许跨度（m）

q——管道长度的计算载荷（N/m），q=管道重量+保温层重量+附加重量

W——管段弯曲系数（cm3）

Φ——管道横向焊缝系数，取0.7

[δ]t钢管许用应力-钢管许用应力（N/mm2）

2、按刚度条件计算的管架最大跨度计算公式：

Lmax——管架最大允许跨度（m）

q——管道长度的计算载荷（N/m），q=管道重量+保温层重量+附加重量

Et——刚性弹性模量（N/mm2）

I——管材截面惯性矩（cm4）

i0——管道排放斜率，取0.002

3、举例：冷冻水管采用48K离心玻璃棉保温，保温厚度为50mm。 管材规格为φ325×8无缝钢管。 允许的最大管道间距是多少？

管长荷载

q=7850×3.14×0.008×(0.325-0.008)+1000×3.14×(0.325-0.008×2)2/4+48×3.14×0.05×(0.325+0.05)=140.29kg/m=1402.90 N/m

查看相关信息：

管材截面弯曲系数W=616 cm3

钢管许用应力[δ]t=112

管材截面惯性矩I=10016 cm4

刚性弹性模量Et=2.1×105N/mm2

根据以上公式计算出强度条件下Lmax1=13.14m。

根据上述公式计算出刚度条件下Lmax2=27.40m。

取最小值，故该管道最大允许管间距为13.14m

4、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

表9.3.8 钢管支吊架最大间距

公称直径（毫米）

15

20

25

32

40

50

70

80

100

125

150

200

250

300

支架最大间距(m)

L1

1.5

2.0

2.5

2.5

3.0

3.5

4.0

5.0

5.0

5.5

6.5

7.5

8.5

9.5

L2

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

6.0

6.5

6.5

7.5

7.5

9.0

9.5

10.5

大于300(mm)的管道，请参考300(mm)管道

注：1 适用于工作压力不大于2.0MPA且不带保温层或保温材料密度不大于200kg/m3的管道系统。

2 L1用于保温管道，L2用于非保温管道。

3、管架分析

1、管道支吊架介绍

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。

2.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支吊架承受的管道重力、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）作为管架竖向方向的计算荷载。

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+GL1)/2

由于一个工程中管道支吊架的种类较多，不可能一一计算。 为此，我们只需考虑同类型支架最不利的受力条件，并根据管道支吊架的最大允许跨度计算最不利的受力条件即可。 此时，只需计算最大允许跨度L长度的管道、介质、保温层的重力GB即可。

重力方向计算载荷为G=αGB（α=1.2~1.4）

(2)水平荷载

管道水平方向的荷载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。

A。 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）

b. 固定支架的水平​​推力主要来自补偿器的弹性变形力。

对于用补偿器补偿的管道，作用在固定管架上的水平推力是补偿器压缩或拉伸产生的回弹力。

水平推力=补偿器回弹力T=ηΔL（eta为补偿器弹性模量，ΔL为补偿器变形长度）

采用自然补偿的管道利用管道自然弯曲形状的灵活性来补偿管道的热胀冷缩位移，如图所示。

固定支架变形管长度为L，补偿臂管长度为Lb。

管道安装温度按t1℃考虑，管道工作温度按t2℃考虑。 因此，钢管制成的管子在温度变化下会缩短ΔL=α×ΔT×L（其中α为钢管的线膨胀系数，ΔT为温差，L为固定支架变形管长度）

因此，作用在管道补偿上的推力为T=3ΔLEI/Lb3（E为管道弹性模量，I为管道转动惯量）

4.管架应力计算示例

基于上述管架受力分析，现利用上海环球金融中心下部区域空调给水主管进行分析计算。

如下图所示，目前有两条DN400冷水管，管材为无缝钢管φ426×9，工作温度为7-14℃； DN200热水管2根，管道材质为无缝钢管φ219×6，工作温度50 -55℃，DN100蒸汽管1根，管道材质为无缝钢管φ108×5，工作温度108℃ ，请对管组防摇支架进行受力分析。

根据规范，由于DN100管架最大跨度为5m，因此该管组中设置的普通支架最大跨度为5m。 因此，按支架间距5m最坏情况分析管架受力情况。

1、管道垂直方向荷载计算

(1) 单根DN400管道作用于管架上的计算荷载

DN400单管垂直方向基本荷载（支吊架距离5米）

钢管重量=7850×(0.426-0.008)×0.008×5×3.14×9.8=4039N

绝缘重量=48×(0.426+0.05)×0.05×5×3.14×9.8=176N

介质重量=1000×(0.426-0.008×2)2×5×3.14×9.8/4=6466N

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

单根DN400冷水管的计算载荷G400=（4039+176+6466）×1.35=14420N

(2) 单根DN200管道作用于管架上的计算荷载

DN200单管垂直方向基本荷载（支吊架距离5米）

钢管重量=7850×(0.219-0.006)×0.006×5×3.14×9.8=1544N

绝缘重量=48×(0.219+0.05)×0.05×5×3.14×9.8=100N

介质重量=1000×(0.219-0.006×2)2×5×3.14×9.8/4=1649N

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

单根DN200热水管的计算载荷G200=（1544+100+1649）×1.35=4446N

(3) 单根DN100管道作用于管架上的计算荷载

单根DN100管道垂直方向基本荷载（支吊架距离5米）

钢管重量=7850×(0.108-0.005)×0.005×5×3.14×9.8=623N

绝缘重量=48×(0.108+0.05)×0.05×5×3.14×9.8=59N

介质重量=1000×(0.108-0.005×2)2×5×3.14×9.8/4=370N（考虑蒸汽管道水压试验时管道内介质的重量。）

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

单根DN100蒸汽管的计算载荷G100=(623+59+370)×1.35=1421N

2、计算管道水平方向荷载

由于管架是活动支架，管架水平方向的力就是管道在管架上的滑动摩擦力。

DN400管道水平推力T400=f400=μG400=0.3×14420=4326N

DN200管道水平推力T200=f200=μG200=0.3×4446=1334N

DN400管道水平推力T100=0

3、管架受力平面图

5、管架梁的选择

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 管架梁内力分析

假设管架是具有刚性结构的简支梁。 根据管架梁的竖向和水平受力情况，将其作为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。 画出梁的剪力图和弯矩图，求最大剪力和最大弯矩。

根据上例中管架的受力分析，可得

管架梁垂直方向最大弯矩为17715N·m，最大剪力为24843N。

管架梁水平方向最大弯矩为3155N·m，最大剪力为5521N

2.管架梁的选择

(1)管架梁抗弯强度计算

计算出管架梁的最大弯矩后，按以下公式选择管架梁的材料规格和型号：

式中：rx、ry——型材塑性发展系数，一般型钢取1.05。

Mx、My——计算梁截面绕X轴和绕Y轴的最大弯矩（N·m）

Wnx、Wny——计算梁截面在X轴和Y轴上的截面系数（cm3）

σ——钢材的抗拉强度，一般型钢为210MPa

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中进行验证。 满足该方程的型钢可作为管架梁的替代材料。 现在我们仍以上面的管架为例。 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

从管架梁选型计算表看，背面装配角钢200×18、槽钢280c、工字钢25a、H型钢150×150×7×10或两根角钢160×14，两根背面装配20a槽钢，装配满足弯矩承重要求。 由于H型钢150×150×7×10比重最小，从经济角度考虑，我们暂选用H型钢150×150×7×10作为管架梁。

(2)管架梁抗剪强度校核

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

式中：τ——剪切强度

Vx、Vy——梁承受的X轴、Y轴方向最大剪力（N）

S——梁截面积（m2）

σv——钢材的抗拉强度，一般型钢为160MPa

参考上例对选定的管架梁进行剪力验证。

因此，改性后的钢材满足剪力要求，因此管架梁采用H型钢150×150×7×10。

6、管架立柱选择

根据管架梁受力分析，为满足管道重力与管架梁水平推力的平衡，管架立柱（或吊杆）给予管架梁支撑反力维护管架梁及梁上的各个位置。 管道平衡。 我们根据该梁的支撑反力来选择管架柱（或吊杆）。 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为管架柱的最小截面积，R为管架柱垂直方向的拉力或压力，σ为管架柱的抗拉强度型钢，一般型钢钢材为210MPa

所以上例中管架柱的最小截面积为

S=1.5×21843/(0.85×210)=184mm2

2、管架立柱弯曲计算

在公式：

r——型材塑性展开系数，一般型钢取1.05

F——管架梁对管架柱施加的水平支撑反力N

h——管架梁距支撑点的高度

W——管架柱最小截面系数（cm3）

σ——钢材的抗拉强度，一般型钢为210MPa

因此，上例中管架柱的最小截面系数为

宽=1.5×5521×1/(0.85×1.05×210)=44立方厘米

检查型钢规格表，确保所选型钢的截面积大于184mm²，其截面系数必须大于44cm³。 为了协调管道支撑的整体协调，管架柱和管架梁也采用相同的H型钢150×150×7×10。

数据下载方式

管道门形支吊架设计计算资料下载方法