综合管廊管架有限元分析

王旭昶 王胜 王春柏

摘 要：本文结合某市综合管廊项目，通过有限元分析软件对比分析了DN500热力管道悬臂管架和简支管架的受力特点。发现当悬臂管架与简支管架刚度控制条件相同时，结构应力均能满足设计要求，同时悬臂管架用钢量更少。

关键词：综合管廊;管架;有限元

中图分类号：U173            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）08-0110-03

在综合管廊工程中，管道支架的应力分析是比较复杂的，其根本原因是管架的荷载工况较为复杂，需要考虑各方向静力、温度作用、地震作用以及防连续破坏。因此，为了得出管架的主控条件，本文结合实际工程对DN500热力固定管架进行了有限元分析。

1项目背景

本文项目所在区域地抗震设防烈度为6度，地震动峰值加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类，反应谱特征周期为0.35s。抗震设防类别为重点设防类（乙类），抗震等级为三级，管廊标准断面如图1所示。

2计算模型

模型考虑焊缝尺寸，通过倒角模拟焊缝，不建立柱脚构造，在计算中通过柱脚的边界条件模拟柱脚构造。计算进行热固耦合分析，采用实体单元，材料选用Q235B，本构关系参考《碳素结构钢》（GB/T 700-2006）第5.4.1条及表2中的数值，当厚度小于16mm时，屈服强度采用235MPa，极限强度采用370MPa;当厚度为16mm～40mm时屈服强度采用225MPa，极限强度采用370MPa。钢材弹性模量采用206×103N/mm2，剪切模量采用79×103N/mm2，线膨胀系数采用12×10-6mm/℃，质量密度采用7850kg/m3。

荷载标准值及介质温度由热力专业提供，如表1所示。由于采用压力平衡型波纹补偿器，在试压工况时，管道不对管架产生作用力。

廊内温度由通风专业提供，安装温度按5℃考虑，廊内允许最高温度40℃。

进行荷载组合后，各工况下荷载沿各坐标轴的分量如表2所示。

在初选截面阶段，可以仅考虑管道轴向力的作用。截面控制因素如表3所示。

根据截面控制因素并參考《热轧H型钢和部分T型钢》（GB/T 11263-2017）中的市场常用规格，对悬臂管架柱选用HN600×200;对简支管架选用HN700×300。管道横担参考《结构用冷弯空心型钢》（GB/T 6728-2017）选用200×100×6方钢管。

仅建立固定管架，简支式固定管架与悬臂式固定管架模型如图2所示。

3计算结果

3.1 运行工况

经过有限元计算，运行工况下的von-Mises等效应力云图如图3所示。

柱脚反力如表4与表5所示。

计算结果显示，除去应力奇异点后，简支式固定管架各项结果均满足运行工况设计要求。

3.2 事故工况

经过有限元计算，运行工况下的von-Mises等效应力云图如图4所示。

柱脚反力如表6与表7所示。

计算结果显示，除去应力奇异点外，简支式固定管架各项结果均满足事故工况设计要求。

4对比分析

从分析的结果来看，固定管架的设计是由变形控制的，当设计的固定管架满足变形设计要求时，其强度和稳定性往往都满足设计要求。因此，固定管架设计的控制因素为刚度条件。

从经济方面考虑，简支管架用钢1730.8kg，悬臂管架用钢561.47kg。按照热力管道60m设置一处固定管架的间距考虑，一公里综合管廊内悬臂式固定管架较简支式固定管架用钢量节约了18709.28kg。按钢材4500元/1000kg计算，每公里综合管廊内固定管架可节约投资84191.76元。

5结论

在一般的综合管廊中，悬臂式管架能更符合管廊内部空间的要求，同时较简支式管架更加节约钢材和施工时长。简支式管架只有在热力舱净高由热力管线控制时更加经济，但是对于实际工程遇到的综合管廊断面而言，简支式管架的经济性不高。

参考文献：

[1]中国电力工程顾问集团华东电力设计院. 发电厂汽水管道支吊架设计手册[M]. 中西书局， 2011.

[2]GB/T 17116.1-1997《管道支吊架 第1部分：技术规范》

[3]GB/T 700-2006《碳素结构钢》

[4]GB/T 11263-2017《热轧H型钢和部分T型钢》

[5]GB/T 6728-2017《结构用冷弯空心型钢》