架空压力管道盲板力的处理方案

罗瑞敏 谈祥君（杭州华龙交通勘察设计有限公司，浙江 杭州 310000）

架空压力管道盲板力的处理方案

罗瑞敏 谈祥君
（杭州华龙交通勘察设计有限公司，浙江 杭州 310000）

摘 要：架空压力管道支撑结构是土建工程中一种较特殊的结构物，其特别之处在于：当存在管道弯曲、安装阀门、流通截面发生变化等情况时，在这些特殊节段上管道内部的流体压力不能达到自平衡，这个不平衡的压力就会对管道节段产生一个力的作用。由内部流体压强的作用对管道产生的力叫盲板力。在管道尺寸较大内压较高的场合，这个盲板力大得惊人，往往会成为控制支撑结构物设计的主要因素。在设计中，如何合理有效的处理盲板力是一个十分关键的技术问题。本文结合笔者工作中的一项工程设计实践对盲板力在土建结构中的解决方案进行讨论。

关键词：压力管道；支撑结构；盲板力

由于压力管道的盲板力属于流体力学的范畴，而土建工程师们日常工作中面对的力学问题决大多数属于固体力学的范畴，因此在处理有关压力管道的支架时流体压力引起的盲板力问题容易被忽视，在东北地区热网建设过程中，由于对盲板力这一作用处理不当造成的工程事故时有发生。本文介绍的压力管道支架设计中对盲板力的处理方式，希望能给同行提供一个有益的参考。

1 常见压力管道盲板力作用情况简介

当一段管道其内壁四周承受的压力可以达到平衡时，流体压力对该管道节段的作用仅表现为管道的内力；当一段管道内流体压强作用在管壁上形成的压力不能达到平衡时，此时该管道节段需要在外力的参与下才能够达到平衡状态，此时流体压强对管道形成的合力就叫做“盲板力”。例如对于管道的弯曲节段，由于沿管轴线四周管壁的面积分布不对称，因此流体压强作用在管壁四周的压力就不能平衡。以矩形截面的管道为例，说明管道弯曲段盲板力产生的原因：

图1（a）所示的矩形截面弯头，管道内轮廓尺寸为d×h，内部压强为P，该弯头曲线内侧面（曲面ABCDEK）面积要小于外侧面（曲面A’B’C’D’E’K’）面积，其上、下内壁面积相等，假定弯头是刚性的，流体压强在上、下表面上产生的压力可以相互抵消，而沿曲线半径方向的压力则不能抵消，如果在弯头的弯曲平面内建立如图1（b）所示的坐标系，根据几何关系和力学关系可以得出内部压强在头上产生的合力为：

该合力沿x、y轴的分量分别为：

当α＝90°时：

以上式①～⑤中，An为管道截面流通面积。

以上公式就是作用在压力管道弯曲段上的盲板力表达式。除了在管道弯曲段会出现不平衡的盲板力之外，在管道截面发生变化、安装阀门、管道端部堵头等位置也会出现不平衡的盲板力。例如当管道截面从A1变化至A2时，管道变化段内产生的盲板力为

在安装有调压阀门的位置，若阀门前、后管道流通面积和流体压强分别为A1、A2、P1、P2，则在阀门节点产生的盲板力为：

对于管道端部的情况，流通面积为A、压强为P的管端堵头板上产生的盲板力即为：

2 供热管线支撑结构中盲板力的解决方案

笔者在最近正在施工的东北某电厂热电联产项目中负责热网主干线跨河支撑结构物的设计工作，该项目中热网主干线由4根Φ1220×14mm主管构成，跨河架空段结构立面布置如图2所示：

在供热管道跨越主河槽段，由于航道通航需要主桥标高较高，过河之后，为节省河滩部分支架结构工程费用，供热管道在主桥两端下弯降低标高以减小河滩上支架高度，架空段两端管道再次下弯埋入地下。按管道工艺专业提供给土建结构专业的技术资料，每根管道竖向荷载标准值为17kN/m，弯头处盲板力的水平向分量为2500kN，四根管道累计为10000kN。

图1

图2

图3

对于一般工程结构物来说，10000kN（即1000t）的水平荷载是一个不小的数值，对这一荷载必须引起相当的重视。对于支撑结构来说，承受竖向荷载的结构受力问题较容易解决，而要抵抗很大的水平荷载，在设计难度和经济代价方面都要大得多。

分析该架空热力管道的“盲板力”的作用情况，管道在每次下弯的过程中同时存在两个直角弯头，其受力情况如图3（a）所示：

图3（a）中，上、下两个弯头“盲板力”的竖向分量通过管道竖直段的受拉可以实现自平衡，剩下一高一低两个水平分量需要传递给固定支撑结构。由于上、下两个固定支撑承受的水平力的方向相反，如果在两个固定支撑之间设一组斜向撑杆，通过斜撑的受压抵消两个固定支撑处的水平向荷载，这样上、下两个支架的受力变成了承担斜撑的竖向分量，由此可将固定支架的荷载由水平力转化为竖向力，从而使得支架受力条件得到明显改善。如图3（b）所示。

基于以上分析，在该项目的支架结构设计中，供热管道在钢桁架主桥两端的高、低固定支架之间设置了一组斜向平衡撑杆，平衡撑杆共由5根Φ500×24钢管组成，如图4所示。

经计算分析表明，采用这一构造方式使两个支架间的“盲板力”相互平衡是有效的，通过斜撑的作用高、低支架间水平荷载可抵消90%以上。

在管道架空段起、终点位置，由于该位置管道埋入地下的深度较大（在最大冻土深度以下），若仍采用设置斜撑的处理方式，下端基础开挖较大，而且如果采用与主桥端部相同的钢构件撑杆，其一半埋入地下、一半暴露在外，防腐问题不易解决。考虑到此处管道支架高度不大，设计采用了群桩基础与抗推能力较强的箱形墩身项结合作为管道端部的固定支架，如图5所示。

图4

比较图4与图5两类支架，虽然图4所示的支架高度较大，且较高一侧需要同时承担跨河主桁架的荷载，由于引入斜撑后上、下两个弯头固定位置的水平荷载相互抵消，因此支架构造可以做得较为轻巧，每个基础仅采用了6根1.2m钻孔灌注桩。图5所示的支架由于受条件限制，没有采用使上下弯头的水平向盲板力相互平衡的措施，支架需要抵抗管道上端巨大的水平力，因此支架构造尺寸相对大的多，其基础需要12根1.5m桩方可满足抗推和抗倾覆的受力要求。

图5

结语

总结该项目中架空供热管道支架设计的经验，在管道规模较大、盲板力水平较高的场合，如果遇到管道工艺设计以两个相连的直角弯头改变设计标高的情况，在条件允许时，这一位置的固定支架可以通过在上、下两个支承间设置斜撑，使两个弯头的水平向盲板力形成对顶，引入斜撑后单个支架的受力由水平向的推力转变成为竖向的上拔或下压，大大改善了支架的受力条件。该热电联产项目热网主干线跨河架空段的支撑结构设计中，在高、低固定支架间引入斜撑的处理措施获得了良好的经济效果。

参考文献

[1]刘伟.压力管道安装中存在的问题及处理探析[J].中华民居（下旬刊），2013 （04）.

[2]刘纯.蒸汽管道应力分析和支吊架调整[J].锅炉技术，2006，37（04）：44-46.

中图分类号：TU81

文献标识码：A