建造钢结构管廊中存在的问题及解决方案
关键词 ：管廊,结构布置,荷载,存在问题解决方案
前言
在相近的管架间设置纵向构件,例如纵梁或桁架,所构成的空间体系称为纵梁式管廊。若结构构件采用型钢,就是我们通常所说的钢结构管廊,它是一种广泛应用于石油化工、冶金等行业的管道支撑结构。由于钢结构具有易于工厂加工、安装速度快、构件断面相对较小等优点,使钢结构管廊得到越来越广泛的应用。
1结构基本布置、原因分析、解决方法
建造管廊经常要跨越铁路、公路，由于跨度比较大,一般都采用桁架,而管道专业条件中往往只提管道底标高即结构的顶标高,若采用桁架上弦支撑管道,下弦离路面或轨顶的距离可能就满足不了最小净空的要求。最小净空要求见《化工、石油化工管架、管墩设计规定》HG/T 20670-2000 (以下简称《设计规定》)。
选取上弦支撑管道致使下弦至铁路或公路中心顶净空不足时,可采用桁架下弦支撑管道。若净空仍不满足,则应要求管道专业修改管底标高。该问题一定要特别注意,否则等钢结构安装好之后再修改就会十分困难。
2垂直支撑布置、原因分析、解决方法
管廊的水平是通过纵梁传递到垂直支撑,接着传到柱和基础。由于经验不足，设计人员往往只考虑结构本身来布置垂直支撑。这样可能会产生很多问题:如水平力传递路径过长、与管道碰撞或产生较大的温度应力等。
垂直支撑点应布置在水平面受力最大处,尽量减短水平力的传递路径;同时要考虑管道和设备的布置等,尽量避免碰撞;另外,垂直支撑应尽量靠近管廊中部对称布置,以最大程度减小温度应力。
3 荷载 垂直管道荷载
若管道条件中只提出了管道纵向1延米的重量或一层横梁上的均布荷载,设计人往往会根据次梁的布置按面积考虑荷载传递,见图1。而实际上管道的荷载传递是与管道的跨度和支撑位置密切相关的。一般管廊的纵向柱距为6~9m,直径稍大的管道都可以直接跨越而不需要在次梁上再设支撑。如果按主、次梁的跨距均分管道荷载,主框架梁的计算是偏于危险的。由于荷载的传递是与管道的支撑位置紧密相关的,所以要求管道条件中要体现出管道、特别是大直径管道的支撑位置。而当管廊上支撑的小直径管道较多时,要求管道专业提出每一根管道的支撑位置往往是不现实的,在这种情况下就要让管道专业提出一个荷载传递的原则,如有多少比例的管道需要在次梁上设支撑。如果管道专业提不出,只能按所有的管道在主梁上支撑来计算,这样对主梁来说是偏于保守的,但用于计算主框架梁柱和基础还是可行的。
荷载分项系数
按《建筑结构荷载规范》取值,恒载分项系数取1.35,活载分项系数取1.4。
按《设计规定》第7.0.2条取值,恒载分项系数取1.2,活载分项系数取1.3。
4 结构构件计算
水平摩擦力
管廊框架横梁计算未考虑管道水平摩擦力作用或摩擦力取值错误。
管廊框架横梁在管道荷载作用下通常都是双向受弯构件,少数没有经验的设计人员往往不知道要考虑管道对横梁的摩擦作用,只考虑了垂直力和管道提出的水平外力等,但更常见的是不知道如何计算摩擦力。
管道与结构之间的相互作用是一个十分复杂的问题,要精确计算是十分困难甚至不太可行的。对于工程设计来说,可按下式计算管道对横梁产生的摩擦力:Fm=KjхμхG式中, Fm为管道对横梁产生的摩擦力;K j为管道牵制系数;μ为管道与钢梁之间的摩擦系数;G为垂直荷载。算出垂直方向和水平方向的弯矩后按《钢结构设计规范》GB 50017-2003 (以下简称《规范》)中下述公式计算横梁的整体稳定性。 式中,Mx、My为构件同一截面处绕强弱轴的弯矩; 为绕强轴所确定的梁整体稳定系数; 为截面塑性发展系数。
轴向应力
管廊纵梁除支撑次梁、管道外,还要将管道或其他作用产生的水平推力传递到垂直支撑。当水平力较大时,纵梁的轴力往往是不能忽略的。在用PKPM建模计算时,程序只按下述公式来验算梁,轴力并没有体现出来,这样是偏于危险的。
《设计规定》中第8.2.11条中规定纵梁应按拉弯或压弯构件计算。计算公式按《规范》5.2.1条的下述公式来计算。 式中, N为所计算构件段范围内的轴心内力;An为构件净截面面积。
固定架处柱的双向受力
有些设计人员认为只要纵横两个方向分别用PK计算没问题就可以了,实际上在固定架处,在纵向最不利荷载组合下,管廊柱在恒载和活载作用下,横向仍可能存在弯矩和剪力,忽略了横向的力将导致柱子计算不安全。
柱按双向受力计算,将纵向最不利荷载组合下产生的应力值与横向恒载、活载作用下产生的应力值取最不利位置进行叠加。
柱的计算长度
管廊纵向按无侧移框架计算时,柱的计算长度按程序默认值而没有做必要的修改。
PKPM程序默认的柱计算长度都取两个节点之间的距离,但有时节点的位置并不能成为阻止柱子位移的有效支撑点。
按《规范》第5.3.7条规定:框架柱沿房屋长度方向(在框架平面外)的计算长度应取阻止框架柱平面外位移的支承点之间的距离。如图2中①、②柱的计算长度都应取H而非程序默认的H1和H2。
单角钢受压构件长细比
计算单角钢受压构件长细比时,未采用角钢的最小回转半径,而采用了与角钢肢边平行轴的回转半径。
有些设计人员认为角钢只会在与角钢轴平行的平面内发生屈曲。
按《规范》5.3.8条注2:计算单角钢受压构件的长细比时,应采用角钢的最小回转半径,但计算交叉点相互连接的交叉杆件平面外长细比时,可采用与角钢肢边平行轴的回转半径。
钢梁上翼缘受较大集中荷载
当钢梁上翼缘受较大集中荷载时(如支撑大管径的液态介质管道)未设置横向加劲肋,且未进行该处腹板的局部承压强度验算。
有些设计人员会认为只要程序计算通过就可以了,而忽略了此处的局部承压验算,梁可能会因为局部承压强度不够而发生破坏。
当钢梁上翼缘受较大集中荷载时,宜在该处按构造设置横向加劲肋,并按《规范》第4.1.3、4.3.2、4.3.6和4.3.7条要求进行局部承压验算。
结构构件的挠度超过限值
设计经验不足的设计人员通常只注意结构构件的应力计算,而没有注意到《设计规定》中对构件挠度的限制。管架的挠度主要应满足管道要求,防止管道挠度过大发生积液导致流阻加大,工程上已发生过该类事故。
除单个构件需满足《设计规定》中表3.0.9的限值外,装置内管廊在一个柱距内,管道支点最大挠度之差不大于30mm。管廊纵向构件及其上的钢次梁挠度叠加为总挠度,支撑在钢次梁上的小管道的挠度值为该挠度与框架横梁挠度之差。
结构自振周期折减系数
PKPM程序默认结构自振周期折减系数为0.8,导致计算出的地震力偏大。
对于管廊等空旷结构(无填充墙等),结构自振周期不折减,即结构自振周期折减系数取1.0。
4 连接节点计算
角焊缝的计算长度
角焊缝计算时,焊缝的计算长度取实际长度或取焊缝的实际长度减去10mm。
有些设计人员不清楚现行《规范》中对角焊缝计算长度的规定。
按《规范》7.1.3条规定,角焊缝的计算长度1w为实际长度减去焊脚尺寸hf的两倍,即2hf。
螺栓的承载力
构件采用摩擦型高强螺栓拼接时,拼接接头的一端螺栓沿受力方向的连接长度L1大于15d0时,螺栓的承载力设计值未予折减。
在构件拼接时,高强螺栓的连接长度有时会过大,此时应该考虑螺栓受力的不均匀性。否则往往会导致局部螺栓受力过大而使螺栓各个击破,从而导致构件破坏。
按《规范》7.2.4条规定,当受力方向的连接长度11大于15d0时,应将螺栓的承载力设计值乘以折减系数:1.1-11/(150d0)。
荷载较大的梁柱刚性连接节点
梁柱刚性连接节点中,当荷载较大时,柱翼缘与横向加劲肋包围的柱腹板节点域未进行计算。
一般情况下节点域计算是没有问题的,设计人往往会忽略计算。但是当荷载较大时,节点域的强度或稳定性可能会不满足。
节点板的强度验算
节点板在拉力和剪力共同作用下,未进行节点板的强度验算。
在较大的拉力和剪力共同作用下,节点板可能会发生撕裂破坏。此部分计算为新《规范》增加内容,有些设计人员容易忽略。
按《规范》7.5.1条规定对节点板进行强度计算。
桁架斜腹杆节点板稳定性计算
桁架斜腹杆节点板在压力作用下未进行稳定性计算。
有些设计人员往往只注重桁架杆件本身的强度和稳定性计算,而忽略节点板的计算。此部分计算也为新《规范》增加内容。
地脚螺栓的受力
地脚螺栓同时考虑了承受拉力和柱脚底部的剪力。
有些设计人员往往认为地脚螺栓与普通螺栓一样能够承受剪力,但实际上地脚螺栓的设计应尽量避免其受剪,《规范》中也没有给出地脚螺栓的抗剪强度。
一般情况下,柱脚的剪力由柱脚底板与混凝土之间的摩擦力或设置抗剪键来承受,见《规范》8.4.13条。抗剪键的断面和焊缝要由计算来确定。
5 结语
以上内容谈到的问题看似并不复杂,但很容易被忽视,若不注意很容易导致结构设计不合理甚至发生工程事故。在很多工程项目中,这些问题都或多或少地出现过,有的甚至已经造成了一定的经济损失。在今后建造钢结构管廊的设计工作中,若能时刻注意这些问题,将会使我们的管廊结构更加安全、经济、合理。
