论工厂室外钢结构综合管廊标准化设计.pdf

第 3 7卷 第1期 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 2 0 1 6年 2 月 论工厂室外钢结构综合管廊标准化设计 黄建兵， 李大浪 中国瑞林工程技术有限公司， 江西南 昌 3 3 0 0 3 1 [ 摘 要] 工厂 室外钢结构综合管廊标准化设计对大型工厂室外综合管廊结构设计工作具有重要 意义。 在圈定标准化设计范围． 进行前期资料收集及标准模块化制定的基础上， 对室外钢结构综合管廊 的桁架截面 及 高度 、 横 梁及水平支撑截面、 支架立柱及支撑截 面的确定过程进行 了详细分析 ， 为后续 同类管廊设计提供 了正确、 有效且合理的设计参考。 [ 关键词 ] 工厂室外钢结构； 综合管廊； 标准化设计 ； 模块化 ； 桁架截面 中图分类号 T U 2 0 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 4 3 4 5 2 0 1 6 0 1 0 0 3 6 0 3 Di s c u s s i o n o n S t a n d a r d i z a t i o n De s i g n o f Co mp r e h e n s i v e Pi p e Ga l l e r y o f Ou t d o o r S t e e l S t r u c t u r e HUANG J i a n b i n g ， L I DMa n g C h i n a N e fi n E n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ． ， N a n c h a n g ， J i a n g x i 3 3 0 0 3 1 ， C h i n a Ab s t r a c t S t a n d a r d i z a t i o n d e s i g n o f c o mp r e h e n s i v e p i p e g a l l e r y o f o u t d o o r s t e e l s t r u c t u r e i s o f g r e a t s i g n i f i c a n c e t o l a r g e p l a n t o u t d o o r c o mp r e h e n s i v e p i p e g a l l e r y s t ruc t u r e d e s i g n ． On t h e b a s i s o f d e f i n i n g s t a n d a r d i z a t i o n d e s i g n s c o p e ， c o l l e c t i n g p r e l i mi n a r y d a t a a n d p r e p a ri n g s t a n d a r d mo d u l a r i z a t i o n ，t h e p a p e r a n a l y z e s t r u s s s e c t i o n a n d h e i g h t ，b e a m a n d h o r i z o n t a l s u p p o r t i n g s e c t i o n ，s u p p o rt v e r t i c a l c o l u mn a n d s u p p o rt s e c t i o n o f o u t d o o r s t e e l s t ru c t u r e c o mp r e h e n s i v e p i p e g a l l e ry，i n o r d e r t o p r o v i d e a c c u r a t e ， e f f e c t i v e a n d r e l i a b l e d e s i g n r e f e r e n c e f o r t h e f o l l o wi n g s i mi l a r p i p e g a l l e r y d e s i g n ． Ke y wo r d s o u t d o o r s t e e l s t r u c t u r e ； c o mp r e h e n s i v e p i p e g a l l e ry； s t a n d a r d i z a t i o n d e s i g n ；mo d u l a r i z a t i o n ； t rus s s e c t i o n 经过改革开放 3 0年的发展 。 我 国工业发展 迅 速 ， 工厂建设大幅增加 ， 规模也不断在扩张改造 。工 厂建设离不开室外综合管廊【 1 的敷设 ． 考虑到钢结构 施工、 安装及技术改造方便可靠 ， 因此室外钢结构综 合管廊 的敷设被广泛应用。 目前 ， 工厂室外综合管廊 的敷设多种多样 ， 结构形式也五花八 门， 设计单位每 个工程均需单独设计 ， 浪费人力物力。 为了减轻结构 设计人员工作负荷 ， 提高工作效率 ， 缩短设计周期 ， 对工厂室外钢结构综合管廊进行标准化设计具有重 要 意 义 1 标准化设计制定 的范围 本次标准化设计考虑的是工厂室外管道钢结构 管廊设计与安装 。综合管廊上可敷设具有给水 、 供 收稿 日期 2 0 1 6 0 1 1 2 作者简介 黄建兵 1 9 8 2 一 ， 男 ， 高级工程师 ， 主要从事结构设计工作 。 热 、 电力、 通信 、 工艺等管线 ， 管径 2 5 ≤D N46 0 0 m m 主要是风 、 雪、 积灰及裹冰荷载计算 。设计依据为 现行国家相关规程规范 。 2 前期 考察 2 ． 1 资料收 集 通过总结本单位设计工程及相关行业工程 ． 分 别从管廊结构形式 、 支架形式 、 管廊宽度 、 桁架跨度 及形式、 桁架高度、 层数及桁架支座形式逐一研究分 析 ， 并结合标准化设计制定的范 围而得出管廊外形。 有色冶金行业 中， 管廊结构形式以钢管结构圈 管 廊为主 ， 局部工程采用钢筋混凝土结构 ； 支架采用钢 管活动支架_3 l 、 固定支架 ． 局部工程采用钢筋混凝土 柱支架 ； 管 廊宽度 以 2 ． 0 ～ 4 ． 0 m宽度最适宜 ； 桁架跨 第 1 期 论工厂室外钢结构综合管廊标准化设计 3 7 度对于钢结构而言以 1 5 ～ 2 1 m 为主 ， 桁架形式采用 钢管平行桁架[4 1 。 桁架高度 约 2 ． 0 m， 层 数以 2 3层 为主 ； 1 2 m 以内跨度 以单钢梁铰支于支 架上 为主 ， 层数采用 1 2层 。 对钢筋混凝土结构 ， 以 1 2 m、 1 5 m 标准跨为主 ， 桁架形式采用预制平行下承式桁架 ， 层 数以 2 ～ 3层为主 ， 桁架高度约 2 ． 5 m； 1 2 m 以内跨度 以现浇砼结构为主， 层数采用 1 ～ 2层。 其他行业工程 中， 管廊整体结构也有类 同本单位设计工程 中结构 形式 ， 也有采用钢筋混凝土支架 、 H型钢柱支架[5 1 、 H 型钢下承式平面桁架形式； 桁架跨度也均在 l 5 ～ 2 1 m 之间较多。 2 ． 2 标 准模 块化 制定 通过 以上资料收集 ， 管廊标准化设计采用形式 简洁 ， 外形美观 ， 施工 、 防腐可靠 ， 运用最广泛的圆钢 管形式 ， 桁架采用下承式平行桁架 ， 局部根据需要设 置下吊层。 管廊宽度采用 2 ． 0 m、 2 ． 5 m、 3 ． 0 m、 3 ． 5 m、 4 ． 0 m 5种 管廊桁架宽度采用 1 2 m、 1 5 m、 1 8 m、 2 1 m、 2 4 m 5种 ； 管廊层数 采用 2层 、 3层 ； 管廊底层净高 不小于 5 ． 0 m。管廊 桁架式管架 示意图见图 1 。 管廊 高度 图 1 管廊 桁架式 管架 示意 3 结构设计 3 ． 1 桁架截面及高度确定 管廊体系中桁架主要承受管道传来的竖向荷载 ， 其次应考虑自然条件作用下的竖向及平面外荷载。因 此 ， 本次标准化设计 中桁架截面及高度的确定 ， 关键 是要首先划定管道传来的竖向荷载。笔者通过总结有 色冶炼行业中管道设计荷载资料， 并 由工艺专业根据 管廊宽度 ， 管径的大小 2 5 ≤D N≤6 0 0 mm ， 对荷载进 行复核 ， 可划定管廊上竖向荷载分 3 个等级 表 1 。 表 1 管廊垂直均布 荷载标准值 g 等级 k N ／ m 通过表 1 所列荷载等级． 将均布荷载转化为点荷 载 。 叠加 自然条件下雪 、 积灰及裹冰竖 向荷载 ， 计算 后施加于桁架上 、 下弦节点上 ， 对桁架进行计算分析。 桁架计算简图 采用平行二层桁架模 型 ‘高度通 过多次调整试算 ， 确定为 2 ． 2 m ， 两端分别铰接于钢 立柱上 ， 弦杆与腹杆均采用铰节点 ， 平面内、 外计算 长度系数均根据 钢结构设计规范 同 表 5 ． 3 ． 1取值 ， 钢材均采用 Q 3 4 5 B， 用 S A P 2 0 0 0 V1 5 ． 0版本软件进行 计算。 分析验算各构件强度、 稳定及桁架的竖向位移。 由于管廊宽度 为 5种 ． 管道竖 向荷载等级为 3 种 ， 得 出 1 5种点荷载， 分别作用于每种跨度桁架上 ， 可以得出上下弦杆拉压力 N 1 0 0 ～ 8 0 0 k N， 主要受力 腹杆拉压力 N 1 0 0 ～ 3 0 0 k N。 根据 钢结构设计规范 式 5 ． 1 ． 1 1 ， 采用轴心受力 杆件强度计算 ， 进行初选 桁 架弦杆 及主要腹 杆杆件 截面 ， 故对 弦杆截 面取 1 0 2 、 1 2 1 、 1 4 0、 1 5 9 、 中1 8 0、 中2 0 3 。 根据 以上截面形式 ， 在确定上 、 下弦杆后 ， 根据 受力及 比例协调 ， 相应确定主要腹杆及其他腹杆截 面。 腹杆取 7 6 、 8 9 、 1 0 2 、 中1 2 1 、 1 4 0 。 确定各杆 件件截面后 ， 可将各跨度桁架分别划分 出 5 ～ 7种类 型 ． 再通过桁架跨度 、 节点荷 载 、 风荷载[ 7 1 选定桁架 类 型 。 通过计算分析 与总结 ， 得 出桁 架高度取 2 ． 2 m 经济适用 ， 即可满足 2 4 m跨度计算要求 ， 又可满足 管道安装检修要求。 桁架杆件均采用常用截面， 截面 种类也合理 ， 桁架外观宜适 中。 3 ． 2横梁及水平支撑截面的确定 连接前后两榀桁架 的横梁主要承受管道传来 的 竖向荷载， 构件计算时假定两端简支于桁架弦杆上 ， 按简支单跨钢梁进行计算。截面均采用 H型钢 ， 荷 载按线荷载考虑。 根据 钢结构设计规范 式 4 ． 1 ． 1 ， 计算杆件主平面 内抗弯强度 ； 式 4 ． 1 ． 2计算杆件 主 平面 内抗剪强度 ； 式 4 ． 2 ． 2计算杆件主平面 内整体 稳定性 根据第 4 ． 3条设 置横 向加劲 肋 ， 考虑局部 稳定 ， 并应满足附录 A中受弯构件 的扰度容许值 。 横梁 载 面取 B H1 0 0 1 0 0 、 B H1 5 0 1 5 0、 B H 2 0 0 x 2 0 0 三种类型 。 连接前后两榀桁架的水平支撑主要承受平面外 风荷 载作用 ， 构件计算 时采用水平平行桁架进行验 算 。 根据 建筑结构荷载规范 式 8 ． 1 ． 1 1 计算风荷载 ． 3 8． 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 第 3 7卷 标准值 ， 其 中体型系数 s 取值采用第 3 8项中 c 项 。 将线荷载转化为节点荷载 ， 作用 于节点上 ， 钢材均采 用 Q 3 4 5 B， 用 S A P 2 0 0 0 V1 5 ． 0版本软件进行计算。 分 析验算各构件强度 、 稳定及桁架的水平位移。 水平支 撑截面取 7 6 、 8 9两种。 通过 以上计算内容归并 ， 仅通过管廊上均布竖 向荷载及管廊宽度即可选定横梁及水平支撑。 3 ． 3 支架立柱及支撑截面的确定 3 ． 3 ． 1 活动支架截面及计算确定 活动支架主要承受桁架传来 的支座反力 ， 包括 竖 向桁架传来 的竖向荷载及水平桁架传来的横 向水 平风荷载， 再将水平地震【 刚 作用于模 型中进行分析计 算 。考虑综合管廊整体外观协调及满足构件计算要 求 ， 支架圆钢管立柱截面不宜小于桁架弦杆截面且 应满 足 钢结构设计规范 第 5 ． 1 、 5 ． 2章节计算及第 5 ． 3 ． 8 条受压构件长细比、 5 ． 4条局部稳定的要求 。则 支架 圆钢管 立柱截面取 c b 1 8 0 、 02 0 3 、 c b 2 1 9三种类 型 ， 立柱间支撑相应取 8 9 、 1 0 2 、 1 2 1三种类型 ， 横梁均取 B H 2 0 0 x 2 0 0 。 活动支架计算简图 采用两层或三层平面钢框 支撑结构 ， 柱脚铰接 ， 横梁与立柱刚接 ， 支撑与立柱 均铰接 。 竖向桁架、 水平桁架传来的荷载作用于节点 上 ， 钢材均采用 Q 3 4 5 B， 用 S A P 2 0 0 0 V1 5 ． 0版本软件 进行计算。 分析验算各构件强度、 稳定及框架的水平 位 移 。 制定活动支架类型 ， 可通过管廊度 、 活动支架两 侧桁架跨度、 竖 向荷载等级 、 风荷载等级进行选定 。 3 ． 3 ． 2 固定支架截面及计算确定 固定支架主要承受桁架传来 的支座反力及管道 固定支座传来 的纵 向水平力 ， 其 中桁架传来支座反 力包括竖 向荷载及横 向水平风荷载 ， 再将水平地震 作用于模型中进行分析计算。 固定 支架根据其所在管廊 中的位置分 为直线 型 、 L型、 T型及十字型 4种。根据管道的敷设及受 力分析 ， 纵向水平力 由直线型固定支架承担 ， 因此在 管廊敷设转角处 。 均应设置直线型 固定支架承受管 道纵 向产生 的大部分水平力 ， 转角处 固定支架仅承 受布置 固定支架间距间的管道产生的摩擦力 。 根据以上分析 ， 将 直线型 固定管架处管道产生 纵向水平荷载划分 3个等级 ， 见表 2 。 表 2 直线型 固定支架荷载等级 k N 将 L型 、 T型及十字型固定管架处管道产 生纵 向水平荷载划分 3个等级 ， 见表 3 。 表 3 L型、 T型及十 字型型 固定支架荷载等级 k N 考虑到综合管廊整体外观协调 ， 且满 足构件计 算要求 ， 支架圆钢管立柱截面不宜小 于桁架弦杆截 面 、 配合活动支架立柱截面 ， 并应满足 钢结构设计 规范 第 5 ． 1 、 5 ． 2章节计算及第 5 ． 3 ． 8 条受压构件长细 比、 5 ． 4条局部稳定的要求 。则支架圆钢管立柱截面 取 1 8 0 、 q b 2 0 3 、 d P 2 1 9三种类型 ， 立柱间支撑相应取 中8 9 、 1 0 2 、 1 2 1三种类型 ， 横梁均取 B H 2 0 0 x 2 0 0 。 固定支架计算 简图 采用 2层或 3层空间钢框 支撑结构 ， 柱脚铰接 ， 横梁与立柱 刚接 ， 支撑与立柱 均铰接。 竖向桁架 、 水平桁架传来 的荷载作用于节点 上 ， 钢材 均采用 Q 3 4 5 B， 用 S A P 2 0 0 0 V1 5 ． 0版 本软 件进行计算 ， 分析验算 各构件 强度 、 稳定及 框架 的 水平位移 。 制定 固定支架类型， 可通过管廊度、 固定支架两 侧桁架跨度最大跨度 、 纵向水向荷载等级进行选型。 3 ． 4牛腿计算 桁架与支架 间采用设置牛腿形式连接 ， 牛腿焊 接于支架立柱上 。 承受桁架竖 向支座反力。 桁架弦杆 截面大小反应牛腿所承受支座反力 ， 根据 钢结构设 计规范 式 7 ． 1 ． 3 ， 对牛腿节点直 角角焊缝进行强 度 计算 ， 以确定牛腿高度。将牛腿高度分为两档 ， 分别 为 2 5 0 mm、 3 5 0 mm。 4 结束语 综合管廊图集编制 内容较多 ， 参考资料较少 ， 工 程设计范围广 ， 牵涉行业多 ， 管道敷设 、 自然条件也 复杂 ， 笔者通过对工厂室外管道钢结构管廊标准化 设计编制过程的详细分析 ， 可为 同类管廊设计提供 了更为正确 、 有效及合理的设计参考。 参 考文 献 [ 1 ] 国振喜， 曲昭嘉． 管道支架设计 手册[ M】 ． 中 国建筑 工业 出版 社出 版． 1 9 9 8 ． [ 2 ] C E C S 2 8 0 2 0 1 0 ， 钢管结构技术规程『 S 1． [ 3 ] G B 5 0 7 0 9 2 0 1 1 ， 钢铁企业管道支架设计规范【 S ] ． [ 4] 建筑结构构 造资料集编辑委员会．建筑结构 构造资料 集 上 f M1 ．2版． 北京 中国建筑 工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 5 ] H G T 2 1 6 4 0 ． 2 2 0 0 0 ， H型钢钢结构管 架通用图集『 s 1 ． [ 6 ] G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 ， 钢结构设计 规范[ S 】 ． [ 7 ] G B 5 0 0 0 9 2 0 1 2 ， 建筑 结构荷 载规范【 S J _ [ 8 ] G B 5 0 0 1 1 - 2 0 1 0 ， 建筑抗震设计规范【 S 】 ．