摘要：本文是筆者結合自身多年工作經驗、查閱相關文件總結，在建造鋼結構管廊中存在的一些問題，提出相對應的解決方案。

　　關鍵詞 ：管廊,結構布置,荷載,存在問題解決方案

　　前言

　　在相近的管架間設置縱向構件,例如縱梁或桁架,所構成的空間體系稱為縱梁式管廊。若結構構件采用型鋼,就是我們通常所說的鋼結構管廊,它是一種廣泛應用于石油化工、冶金等行業的管道支撐結構。由于鋼結構具有易于工廠加工、安裝速度快、構件斷面相對較小等優點,使鋼結構管廊得到越來越廣泛的應用。

　　1結構基本布置、原因分析、解決方法

　　建造管廊經常要跨越鐵路、公路，由于跨度比較大,一般都采用桁架,而管道專業條件中往往只提管道底標高即結構的頂標高,若采用桁架上弦支撐管道,下弦離路面或軌頂的距離可能就滿足不了最小凈空的要求。最小凈空要求見《化工、石油化工管架、管墩設計規定》HG/T 20670-2000 (以下簡稱《設計規定》)。

　　選取上弦支撐管道致使下弦至鐵路或公路中心頂凈空不足時,可采用桁架下弦支撐管道。若凈空仍不滿足,則應要求管道專業修改管底標高。該問題一定要特別注意,否則等鋼結構安裝好之后再修改就會十分困難。

　　2垂直支撐布置、原因分析、解決方法

　　管廊的水平是通過縱梁傳遞到垂直支撐,接著傳到柱和基礎。由于經驗不足，設計人員往往只考慮結構本身來布置垂直支撐。這樣可能會產生很多問題:如水平力傳遞路徑過長、與管道碰撞或產生較大的溫度應力等。

　　垂直支撐點應布置在水平面受力最大處,盡量減短水平力的傳遞路徑;同時要考慮管道和設備的布置等,盡量避免碰撞;另外,垂直支撐應盡量靠近管廊中部對稱布置,以最大程度減小溫度應力。

　　3　荷載 垂直管道荷載

　　若管道條件中只提出了管道縱向1延米的重量或一層橫梁上的均布荷載,設計人往往會根據次梁的布置按面積考慮荷載傳遞,見圖1。而實際上管道的荷載傳遞是與管道的跨度和支撐位置密切相關的。一般管廊的縱向柱距為6~9m,直徑稍大的管道都可以直接跨越而不需要在次梁上再設支撐。如果按主、次梁的跨距均分管道荷載,主框架梁的計算是偏于危險的。由于荷載的傳遞是與管道的支撐位置緊密相關的,所以要求管道條件中要體現出管道、特別是大直徑管道的支撐位置。而當管廊上支撐的小直徑管道較多時,要求管道專業提出每一根管道的支撐位置往往是不現實的,在這種情況下就要

　　圖1　錯誤的管道荷載傳遞

　　讓管道專業提出一個荷載傳遞的原則,如有多少比例的管道需要在次梁上設支撐。如果管道專業提不出,只能按所有的管道在主梁上支撐來計算,這樣對主梁來說是偏于保守的,但用于計算主框架梁柱和基礎還是可行的。

　　荷載分項系數

　　按《建筑結構荷載規范》取值,恒載分項系數取1.35,活載分項系數取1.4。

　　按《設計規定》第7.0.2條取值,恒載分項系數取1.2,活載分項系數取1.3。

　　4　結構構件計算

　　水平摩擦力

　　管廊框架橫梁計算未考慮管道水平摩擦力作用或摩擦力取值錯誤。

　　管廊框架橫梁在管道荷載作用下通常都是雙向受彎構件,少數沒有經驗的設計人員往往不知道要考慮管道對橫梁的摩擦作用,只考慮了垂直力和管道提出的水平外力等,但更常見的是不知道如何計算摩擦力。

　　管道與結構之間的相互作用是一個十分復雜的問題,要精確計算是十分困難甚至不太可行的。對于工程設計來說,可按下式計算管道對橫梁產生的摩擦力:Fm=KjхμхG式中, Fm為管道對橫梁產生的摩擦力;K j為管道牽制系數;μ為管道與鋼梁之間的摩擦系數;G為垂直荷載。算出垂直方向和水平方向的彎矩后按《鋼結構設計規范》GB 50017-2003 (以下簡稱《規范》)中下述公式計算橫梁的整體穩定性。 式中,Mx、My為構件同一截面處繞強弱軸的彎矩; 為繞強軸所確定的梁整體穩定系數; 為截面塑性發展系數。

　　軸向應力

　　管廊縱梁除支撐次梁、管道外,還要將管道或其他作用產生的水平推力傳遞到垂直支撐。當水平力較大時,縱梁的軸力往往是不能忽略的。在用PKPM建模計算時,程序只按下述公式來驗算梁,軸力并沒有體現出來,這樣是偏于危險的。

　　《設計規定》中第8.2.11條中規定縱梁應按拉彎或壓彎構件計算。計算公式按《規范》5.2.1條的下述公式來計算。 式中, N為所計算構件段范圍內的軸心內力;An為構件凈截面面積。

　　固定架處柱的雙向受力

　　有些設計人員認為只要縱橫兩個方向分別用PK計算沒問題就可以了,實際上在固定架處,在縱向最不利荷載組合下,管廊柱在恒載和活載作用下,橫向仍可能存在彎矩和剪力,忽略了橫向的力將導致柱子計算不安全。

　　柱按雙向受力計算,將縱向最不利荷載組合下產生的應力值與橫向恒載、活載作用下產生的應力值取最不利位置進行疊加。

　　柱的計算長度

　　管廊縱向按無側移框架計算時,柱的計算長度按程序默認值而沒有做必要的修改。

　　PKPM程序默認的柱計算長度都取兩個節點之間的距離,但有時節點的位置并不能成為阻止柱子位移的有效支撐點,見圖2。

　　圖2　管廊縱立面圖

　　按《規范》第5.3.7條規定:框架柱沿房屋長度方向(在框架平面外)的計算長度應取阻止框架柱平面外位移的支承點之間的距離。如圖2中①、②柱的計算長度都應取H而非程序默認的H1和H2。

　　單角鋼受壓構件長細比

　　計算單角鋼受壓構件長細比時,未采用角鋼的最小回轉半徑,而采用了與角鋼肢邊平行軸的回轉半徑。

　　有些設計人員認為角鋼只會在與角鋼軸平行的平面內發生屈曲。

　　按《規范》5.3.8條注2:計算單角鋼受壓構件的長細比時,應采用角鋼的最小回轉半徑,但計算交叉點相互連接的交叉桿件平面外長細比時,可采用與角鋼肢邊平行軸的回轉半徑。

　　鋼梁上翼緣受較大集中荷載

　　當鋼梁上翼緣受較大集中荷載時(如支撐大管徑的液態介質管道)未設置橫向加勁肋,且未進行該處腹板的局部承壓強度驗算。

　　有些設計人員會認為只要程序計算通過就可以了,而忽略了此處的局部承壓驗算,梁可能會因為局部承壓強度不夠而發生破壞。

　　當鋼梁上翼緣受較大集中荷載時,宜在該處按構造設置橫向加勁肋,并按《規范》第4.1.3、4.3.2、4.3.6和4.3.7條要求進行局部承壓驗算。

　　結構構件的撓度超過限值

　　設計經驗不足的設計人員通常只注意結構構件的應力計算,而沒有注意到《設計規定》中對構件撓度的限制。管架的撓度主要應滿足管道要求,防止管道撓度過大發生積液導致流阻加大,工程上已發生過該類事故。

　　除單個構件需滿足《設計規定》中表3.0.9的限值外,裝置內管廊在一個柱距內,管道支點最大撓度之差不大于30mm。管廊縱向構件及其上的鋼次梁撓度疊加為總撓度,支撐在鋼次梁上的小管道的撓度值為該撓度與框架橫梁撓度之差。

　　結構自振周期折減系數

　　PKPM程序默認結構自振周期折減系數為0.8,導致計算出的地震力偏大。

　　對于管廊等空曠結構(無填充墻等),結構自振周期不折減,即結構自振周期折減系數取1.0。

　　4　連接節點計算

　　角焊縫的計算長度

　　角焊縫計算時,焊縫的計算長度取實際長度或取焊縫的實際長度減去10mm。

　　有些設計人員不清楚現行《規范》中對角焊縫計算長度的規定。

　　按《規范》7.1.3條規定,角焊縫的計算長度1w為實際長度減去焊腳尺寸hf的兩倍,即2hf。

　　螺栓的承載力

　　構件采用摩擦型高強螺栓拼接時,拼接接頭的一端螺栓沿受力方向的連接長度L1大于15d0時,螺栓的承載力設計值未予折減。

　　在構件拼接時,高強螺栓的連接長度有時會過大,此時應該考慮螺栓受力的不均勻性。否則往往會導致局部螺栓受力過大而使螺栓各個擊破,從而導致構件破壞。

　　按《規范》7.2.4條規定,當受力方向的連接長度11大于15d0時,應將螺栓的承載力設計值乘以折減系數:1.1-11/(150d0)。

　　荷載較大的梁柱剛性連接節點

　　梁柱剛性連接節點中,當荷載較大時,柱翼緣與橫向加勁肋包圍的柱腹板節點域未進行計算。

　　一般情況下節點域計算是沒有問題的,設計人往往會忽略計算。但是當荷載較大時,節點域的強度或穩定性可能會不滿足。

　　節點板的強度驗算

　　節點板在拉力和剪力共同作用下,未進行節點板的強度驗算。

　　在較大的拉力和剪力共同作用下,節點板可能會發生撕裂破壞。此部分計算為新《規范》增加內容,有些設計人員容易忽略。

　　按《規范》7.5.1條規定對節點板進行強度計算。

　　桁架斜腹桿節點板穩定性計算

　　桁架斜腹桿節點板在壓力作用下未進行穩定性計算。

　　有些設計人員往往只注重桁架桿件本身的強度和穩定性計算,而忽略節點板的計算。此部分計算也為新《規范》增加內容。

　　地腳螺栓的受力

　　地腳螺栓同時考慮了承受拉力和柱腳底部的剪力。

　　有些設計人員往往認為地腳螺栓與普通螺栓一樣能夠承受剪力,但實際上地腳螺栓的設計應盡量避免其受剪,《規范》中也沒有給出地腳螺栓的抗剪強度。

　　一般情況下,柱腳的剪力由柱腳底板與混凝土之間的摩擦力或設置抗剪鍵來承受,見《規范》8.4.13條。抗剪鍵的斷面和焊縫要由計算來確定。

　　5　結語

　　以上內容談到的問題看似并不復雜,但很容易被忽視,若不注意很容易導致結構設計不合理甚至發生工程事故。在很多工程項目中,這些問題都或多或少地出現過,有的甚至已經造成了一定的經濟損失。在今后建造鋼結構管廊的設計工作中,若能時刻注意這些問題,將會使我們的管廊結構更加安全、經濟、合理。