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浅谈工业设计中常用管架结构形式

浅谈工业设计中常用管架结构形式

  管架是工业厂房中支撑管道的主要结构,量大面广,它分布并联系着整个厂区的各个装置。所以,对管架结构的设计应该从“技术先进、经济合理、安全可靠、美观实用”的原则出发,力求减少重复劳动量,优先采用标准化设计或现有通用图集。同时,设计管架时,应与工艺与管道等专业共同商讨,合理确定管架的平面布置、立面高度和跨度。力争达到较好的经济、实用和美观的效果。
  一、管架的选型
   管架的选型应根据所设计厂房的规模、建设周期、甲方可控的工程造价、当地现有施工条件,并结合设计中管道布置、不同形式管架结构的受力特点等综合比较后确定。一般管廊式管架有三种结构形式:钢结构管架、混凝土结构管架、混凝土结构与钢结构混合式管架。
  1、钢结构管架:材料多采用h型钢、无缝圆钢管等钢结构。结构形式多为桁架式、纵梁式。由于支撑管道、管线较多,并适应改建、扩建的需要,且钢结构管架建设周期短、外观轻巧美观,所以近年来应用广泛。钢结构管架的缺点是:后期防火、防腐等维护的费用较高,所以造价高;横向刚度较小,需要设置横向支撑,在固定管架处,若横向推力较大,道路或工艺不容许设置横向支撑,则管架柱的截面比较大。
  2、混凝土结构管架:混凝土结构管架整体造价比较低,建成后几乎无维护费用。横向框架为整体现浇式,则横向刚度大,且混凝土材料本省耐腐蚀性能好。缺点是:施工、建设周期长,且改、扩建能力差。所以全混凝土管廊式管架现在应用不多。WWW.11665.COm
  3、混凝土结构与钢结构混合式管架:即横向采用混凝土结构、纵向联系构件采用钢梁或钢桁架的结构形式。此种结构形式的优点为:横向刚度大、管架柱耐腐蚀性能好;且一定的钢结构施工便捷、建设周期短,整体造价介于钢结构域混凝土结构之间。此种形式的管架目前应用比较广泛。缺点是:由于大中型厂区内管线较多、管架较高。多为2层,甚至3或4层。此种管架形式横向混凝土结构施工时现浇需要高支模,施工较为不便,且混凝土柱侧面预留用于纵向联系构件及柱间支撑的埋件较多,埋件的制作及施工,容易造成遗漏。
  目前结构设计中还有一种混合结构形式:即横向框架下部采用现浇混凝土框架结构,上部采用钢框架结构,纵向采用空腹桁架代替钢纵梁。此种结构形式下部为混凝土结构,防火防腐维护费用低,且横向刚度大;由于混凝土柱高度有限,不用高支模,且上部为钢结构,直接与纵向联系构件相连,柱侧无埋件;纵向空腹桁架为工厂预制,施工安装方便;另外纵向联系构件采用空腹桁架代替钢纵梁,截面更加经济合理,进一步降低造价,且外形轻巧简洁、美观大方。
  二、管架的受力特征
  下面对全钢结构管架,即横向钢框架,纵向钢梁的管架(简称ⅰ型)、横向混凝土框架,纵向钢梁的管架(简称ⅱ型)、横向下部混凝土框架,上部钢框架,纵向空腹桁架的管架(简称ⅲ型)三种管架在结构形式、结构受力及施工安装上进行详细比较。
  三种管架均按相同横向及纵向进行布置,按项目中最普遍的布置,取横向跨度5米,纵向柱距9米,每3米布置一个中间横梁,并设置水平支撑。由于纵向温度区段、固定管架布置、柱间支撑布置均相同,在此只取一个柱距为计算单元。结构形式如下图:
  
  
  
  2.1、结构受力特性对比
  表-1 三种形式管架力学特性对比
  
  
  2.1.1、横向受力特点
  横向管架受侧向荷载后,其弯矩图如图-6。从图中可以看出,下层柱和第一层梁所受弯矩较大,而上层柱和上层梁弯矩很小。三种管架横向抗侧移刚度见表-1,从表中可以看出,ⅲ型管架横向抗侧移刚度最大,ⅱ型其次,ⅰ型最小,仅为ⅱ型的1/3 ,ⅲ型的1/4。ⅱ型、ⅲ型采用混凝土现浇框架抵抗侧向荷载,整体性好,侧向刚度大,而ⅰ型横向采用钢结构抵抗侧向荷载,同ⅱ型、ⅲ型比较,侧向刚度小很多。ⅰ型管架下部刚度不足,ⅱ型管架上部刚度过度,而ⅲ型管架横向下部为刚度较大的混凝土框架,上部为刚度较小的钢框架,与弯矩图分布一致,符合这一受力特点。
  
  
   图-6 管架横向受力特点
  2.1.2、 纵向受力特点
  纵向联系梁为拉弯或压弯构件,其跨度一般较大,因而其截面一般不由强度控制,而由竖向挠度控制(1/400),为了将挠度控制在1/400以内,通常其截面会比较大。采用空腹桁架这种结构形式后,改变了其传力路径,上弦为小偏心压弯构件,计算长度为3米,腹杆及下弦杆均为轴心受力构件,截面利用率更高,受力更合理。从表-1中可以看出,ⅰ型、ⅱ型纵向联系构件均为钢纵梁,其竖向刚度相同,ⅲ型纵向联系构件采用空腹桁架,其竖向刚度大幅增加,是前者的5.6倍之多,此时挠度不起控制作用,将由截面材料强度起控制作用,达到了充分利用材料强度的目的。
  
  
  2.2、施工安装对比
  三种管架形式的施工、制做、安装方式如表-3。从表中可以看出,ⅰ型无混凝土工程(由于三种结构形式基础是一样的,在此只讨论上部结构),钢柱钢梁工厂预制,现场只需完成横向纵向钢柱钢梁的组装,施工速度快,周期短。ⅱ型纵向钢梁在工厂预制,横向混凝土框架需现场浇筑,由于混凝土柱比较高,属高支模,需要方案审批。纵向联系钢梁待混凝土达到强度后方可安装,施工速度较慢. ⅲ型横向下部混凝土框架需现场浇筑,高度较低,不需高支模。横向钢框架、纵向空腹桁架均作为一个标准构件在工厂预制,大量的构件制作工作在工厂完成。上部钢柱与下部混凝土柱采用2颗螺栓铰接链接,纵向空腹桁架与横向钢框架采用普通焊接连接,没有梁柱连接节点,施工较为方便,其施工速度介于ⅰ型、ⅱ型之间
  
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  3、结论
  本文介绍了管架的选型原则,论述了工业建筑中管廊式管架三种结构形式的适用范围和优缺点。在此基础上,结合实际工程经验,提出了一种更为优化的钢与混凝土组合的结构形式,并在结构形式、受力特性、材料用量及施工安装各方面进行了对比,结论如下:ⅱ型管架其受力特性还要优于ⅰ型,缺点是柱侧埋件比较多,施工安装周期较ⅰ型长;ⅲ型管架横向刚度、纵梁竖向刚度均优于ⅱ型,建设周期也比ⅱ型短;ⅲ型管架建设周期略长于ⅰ型。ⅲ管架达到了受力合理,安全可靠,安装方便快捷,外形简洁美观的目的,是一种值得推广的结构形式。

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  •  更新时间:2013-05-26 12:47:22  作者:苗新奇 [标签: 结构形式 演唱形式 演唱形式 ]
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