溶出套管钢结构支架设计方法研究

孙晓明

【摘要】随着我国氧化铝工艺生产技术的进步，溶出技术已发生了巨大变化，尤其是在大型管道化溶出技术的应用上，使得溶出过程的技术经济指标得到了显著提高和改善。在此背景下，套管钢结构支架作为管道化溶出的结构支撑体系，在氧化铝厂中正被广泛应用。本文主要通过对溶出套管钢结构支架的结构组成分析、设计原则确定等方面的论述，提出了氧化铝厂中的溶出套管钢结构支架的设计方法，希望能为结构设计者提供设计参考。

【关键词】氧化铝;溶出套管;钢结构支架;设计方法;特种结构

溶出套管钢结构支架是氧化铝厂中重要的建筑结构，不仅在新建氧化铝厂中被广泛应用，在老旧氧化铝厂的改扩建中也成为首选方案。作为一种特殊的结构，其设计方法在现行标准、技术规程或规范中都很少介绍，缺少一个系统的设计方法。作为结构设计者，将其归为何种结构形式进行分析，如何把握其设计原则，怎样进行荷载计算等一系列过程，均需要从头到尾认真寻求和衡量。

1、溶出套管钢结构支架设计现状介绍

在目前溶出套管钢结构支架的设计过程中，设计者只能依照自己的工作经验，结合以往施工图纸，参考相关规范进行设计。然而，在对规范理解及实际应用上往往会出现不同意见，其设计结果会直接影响到结构的质量和安全。对于经验不足的设计者往往会出现如下设计问题：

（1）对其结构组成不明确，盲目将其结构形式归为钢框架结构进行计算，甚者为了满足变形要求，一味增加水平及竖向支撑，造成材料浪费。

（2）对其受力特点不清晰，没有遵照设计原则，任意增大荷载，放大系数，造成梁柱截面偏大，基础面积变大，使建设成本增加。

（3）对其荷载计算不清楚，荷载输入时丢失荷载，造成构件截面大小不足，节点设计强度不够，存在安全隐患，甚至影响企业生产。

为了避免以上设计问题的出现，使设计者少走弯路，本文通过详细分析溶出套管钢结构支架的结构组成，重点阐述其结构组成、设计原则，为设计者提供了一个完整的设计方法，希望能为设计者提供帮助。

2、溶出套管钢结构支架设计方法

2.1结构组成分析

溶出套管钢结构支架主要承担套管产生的多种作用力，首先就要了解套管与普通管网中管道的区别。套管区别于普通管网中的管道其特征表现是：

（1）套管由一根大直径外管内穿三根小直径内管组成，为内外管共同作用，管道自重大;

（2）套管的内外管中介质不同，内管为矿浆，外管为蒸汽，温度逐级升高，水平推力大;

（3）套管的长度一定，只在中间固定，排列均匀，且每层套管在纵向有一定坡度。

溶出套管钢结构支架结构体系由管座、支架横梁、支架柱、纵向系杆和支撑系统组成，横向一般为多层多跨框架，纵向为系杆链接的多层排架，固定支架设在管道的中部，活动支架在固定支架两侧均匀排列。支架纵向柱距一般为8m，横向跨度需根据工艺布置的套管根数确定，常见为4～6m，支架层高一般为2～2.2m，两端设置的检修平台及楼梯的结构形式为钢框架结构。一般情况无围护结构，仅在极寒地区有设置围护结构的。

2.2设计原则确定

2.2.1共同作用原则

溶出套管钢结构支架作为套管的受力支承结构，而在一定程度上套管也支承着支架，两者之间形成了一个空间体系而共同作用。因此其计算不仅要进行二维平面计算，还要进行三维空间建模计算。

2.2.2牵制作用原则

当支架上敷设多根管道时，在任一瞬间有温度动作的管道力图推动支架位移，而无温度动作的管道，非但不推动支架位移，反而起着阻止支架位移的作用。各管道之间由于不同时工作，对支架的受力和位移就会产生牵制作用。牵制作用的大小与管道在支架上的布置方式有关，支架上管道根数越多，牵制作用越大;介质温度高低和质量大小的管道排列越对称、越均衡，牵制作用越大;高温管道偏设一侧时，牵制作用小;管道同时起动时，牵制作用小。套管在支架上对称均匀的布置方式就是为了尽可能有较大的牵制效果，以减少支架承受的纵向水平推力。常见套管层数均在6～8层，每级支架横梁上布置2～4根套管，且套管质量相同，排列均衡，因此套管对整个钢支架起的牵制作用是有利的。

2.2.3活动及固定支架设计原则

活动支架：纵向为管道的可移动支点，横向为管道的不移动支点。支架承受的水平推力为管道滑动摩擦力，管道采用滑动管座敷设在支架横梁上。活动管架按单片平面支架进行内力分析，梁柱为刚接，柱与基础为固接。对于支架平面内可按平面多层多跨框架进行内力分析，对于支架柱平面外按上端自由、下端固定的受弯构件计算，对于支架梁计算水平推力作用下的平面外弯矩时，按两端简支計算，平面外扭矩时，按两端固定计算。

固定支架：纵向及横向均为管道的不可移动支点。支架具有足够刚度，保证管道系统的稳定，支架承受的水平推力，由工艺专业提供。支架上管道一般均采用固定管座敷设在支架横梁上。套管固定支架形式一般为“A”字架支撑结构和柱间中心支撑结构。

两种固定形式均增加了固定支架的刚度，将固定支架处的水平推力通过“A”字架支撑或柱间中心支撑直接传到柱底，减少支架柱承受的水平力。两种结构形式均受力明确简单，施工方便，在工程项目中均有应用。相比之下“A”字架支撑结构在套管层数少、地震烈度不高的情况下更经济适用，而柱间中心支撑结构在套管层数多、地震烈度较高地区更安全可靠。

2.2.4检修平台设计原则

套管两端检修平台为钢框架结构，受套管竖向布置限制，每层检修平台层高为两米左右，为了增加层间净高，尽量满足人员通行需要，设计时钢梁截面应尽量采用截面高度小的中翼缘或宽翼缘H型钢。为了增加检修通道宽度，端部均设置了约2米宽的悬挑平台。该悬挑平台的支撑体系设计同样需要注意满足人员通行要求，打破常规的做法：仅在首层采用三角支撑，其余每层平台为了避免斜撑阻碍通行，则通过设立短柱支撑上一层悬挑梁的方法进行解决。

结语：

本文提供了溶出套管钢结构支架结构设计的一个完整设计方法和思路。溶出套管钢结构支架作为特种结构，在工业建筑设计中是相对特殊的结构形式。因此，设计人员在设计过程中重视其结构特征和设计原则，并结合实际工程案例吸取经验，不断弥补设计中的缺陷和不足，进一步实现工业建筑设计“技术先进、经济合理、设计快速和安全适用”的目标要求。

参考文献：

[1]GB50191-2012.构筑物抗震设计规范[M].北京：中国计划出版社出版，2012.

[2]中华人民共和国国家发展和改革委员会.SH/T3055-2007.中华人民共和国石油化工行业标准.石油化工管架设计规范.

[3]曲昭嘉.简明管道支架计算机构造手册[M].北京：机械工业出版社，2002.8.