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【摘 要】 管道支架分为固定管架、单向活动管架、双向活动管架。管道水平推力与管线的牵制作用有关，常用牵制系数表示。正角地分析管架的水平推力，可以帮助我们合理地选用管架结构，减小梁柱的断面。
【关键词】 管架;推力;分析
引言：
在大中型石油化工企业里，管网中的管道敷设于支架（本文简称管架）上，把互不相关的管架连成一个空间体系。由于管道大小及输送介质的温度、压力各不相同，对管架的水平和牵制作用也各不相同，所以管架的设计也就显得较为复杂。笔者根据近年来在大中型化工企业管架设计的实践经验，对管架设计中的若干问题介绍如下。
一、管道支架的分类
按照《管道支架设计规程》的规定，管道支架分为固定管架、单向活动管架、双向活动管架。管架的基本形式一般有“T”、“干”、“ㄇ”、“π”、“开”、“A”以及三角墙架等。按材料区分管架又分为钢筋混凝土结构、钢结构及钢与混凝土的组合结构等三种类型。
二、管道支架设计中对管架的选择要点
管架设计必须根据管道的敷设要求、荷载条件、工程进度、大气腐蚀及防火要求等情况，经综合比较后选择出合理的结构方案钢筋混凝土结构管架;造价较低，耐大气腐蚀，防火能力强;不易改扩建，施工周期长，结构自重大;预埋件繁琐，不宜用于复杂的外形全钢结构管架：适用于复杂的外形，抗震性能较好，施工方便;易改扩建，较巧美观，结构自重轻;造价较高、防腐蚀性能及防火能力较差钢、混凝土组合结构管架：节省钢材，防腐，防火能力增加，结构自重介于前两者之间;柱上埋件较繁琐，施工周期相对较长。
通常工艺布置需要加大管架的间距，因此，管架之间的水平构件须采用跨越结构如纵梁、吊索、悬索、桁架等等。一般采用简易的纵梁构件，当管架间距或荷载较大时，用桁架或空腹桁架代替纵梁。悬索多用于跨越江河的特殊环境中。纵梁上应设置横梁，承托电缆桥架或直径较小的管道。纵梁与柱铰接，管架柱与柱顶横梁宜刚接。
三、管道支架的固定
纵梁式管架的管道固定点均设在管架横梁上，固定管架宜采用四柱式框架，并设柱间支撑，承担管道的水平推力，加强管架的纵向刚度和整体稳定。柱间支撑一般布置在伸缩缝区段的两端。管架横梁按双向受弯兼受扭构件计算，计算单元范围内的管道推力作用于固定点横梁上，该横梁截面宜做成封闭形式，以减少扭矩产生的剪应力。受大气腐蚀比较严重的钢结构管架，设计尚应采取防腐蚀措施，并考虑腐蚀裕度。
此外，纵梁式管架还应满足结构温度伸缩缝的要求，当采用钢结构时，温度缝间距为120m;当为钢筋混凝土结构时为70m。伸缩缝的作法可采用双柱形式，也可以在纵梁与柱的连接节点上采用滑动支座，一般多采用后者。
固定管架在纵向（沿管道方向）和横向（垂直管道主向）均视为管道的不动支点。应有足够的刚度，以保证管道系统的稳定。
1、单向活动管架沿纵向可以任意变位。而横向不能变位，为管道的不动支点。它与旧称单片支架的含意相同。按照管架适应管道变形的方式，单向活动管道支架又分为刚性管架、柔性管架和半铰接管架三种。
2、刚性管架主要是以管道在管架上可滑动或可滚动来适应管道的变形，柔性管架主要是以支柱的弹性位移来适应管道的变形;而半铰接管架主要是以支柱的倾斜来适应管道的变形，但倾斜度不能太大。
3、对柔性管架来说，管道的温度逐渐升高的过程中，由于支柱的柔度大（刚度小），能适应管道的热变形，管道与管架间不产生相对位移，此时管架受力为管道热变形，作为管架位移所求得的位移反弹力，这也就是柔性管架计算中的纵向受力，而且反弹力总是小于至多是等于摩擦力;对刚性管架来说，管架与管托之间可以滑动，支柱的刚度大，适应不了热变形，当温度升高，管道热变形所产生的纵向水平力到达临界摩擦力时，管道就在支柱顶部滑了过去，管道与管架间产生相对位移，此时的摩擦力小于管架的位移反弹力，由于管道已经滑动，所以管架所承受的最大纵向水平力也就是摩擦力。如果用变形量来定义刚性管架与柔性管架，与以上概念也是一致的。
管道水平推力与管线的牵制作用有关，常用牵制系数表示。正角地分析管架的水平推力，可以帮助我们合理地选用管架结构，减小梁柱的断面，使设计的管架不至于太笨重。
四、在计算管道水平推力时不应忽视以下因素：
1、敷设三根以上管线的管架，必须考虑管道的牵制系数。牵制系数与管道数量、敷设的层数、热管与常温管道重量比值以及管道的排列方式有关。
2、对于中间管架（不包括支承有振动管线的管架和跨越式管架）当所支撑的管线符合下列条件之一时，其水平推力可以忽略不计。
（1）常温管线
（2）管线根数在10根以上，管线最高温度Qmax≤130℃
（3）主要热管重量与全部管线重量的比值α≤0.15
3、刚性管架所受水平推力大，柱断面也大，必要时可以采用“A”型、“”型双柱管架。而铰接管架能有一定的变位，所受的水平推力小，柱断面也可相应减小。
五、管道水平推力的计算
固定管架上各管道的水平推力系由工艺专业向土建专业提交，单向活动管架与双向活动管架的水平推力则由土建专业计算。但在许多设计工作中，如前所述，常常由工艺专业提供单向、双向活动管架的类型与推力，其推力值大小即摩擦力。而单向活动管道支架的给向水平推力，刚性管架是按摩擦力计算，柔性管架按是反弹力计算的。而且刚性管架与柔性管架的判断又与管架的刚度EJ有关，在决定管架支柱截面尺寸之前，是无法确定管架属于刚性还是属于柔性的，因而工艺专业把摩擦力当作纵向推力提交是不适当的。所以，对活动管架而言，工艺专业只应向土建专业提交管道、介质、事故介质及其它荷载的重量，管道壁的最高、最低温度（或者最大变形值），以及拐弯处采用自然补偿时由于温度变形对拐弯处活动支架所产生的水平推力，对于其它推力值应由土建专业按支架柱刚度值进行计算。固定管架的水平推力计划，也与中间活动管架的类型有关。在固定管架的推力计算中，直线管内无补偿器的自然补偿管段，管道可视为刚体，内压作用于管端（或盲板）的力，使管道的纵向变形很小，与固定管架的变位相比，可以忽略不计，因而此力不会向固定管架传递。
故纵向水平推力的计算，当中间活动管架为半铰接管架时，固定管架所受推力与该区段管道的补偿量有关;与该区段补偿器的压缩力、波壁力、盲板力和补偿器的级数、冷紧系有关;而且与管道的EJ值和反弹力系数有关。
六、结束语
管架的设计非常繁琐复杂，设计中既要保证结构安全，又要适当考虑整齐美观。要做好一个设计，还有很多地方需要研究。由于水平有限，本文不足之处请读者予以指教。
参考文献：
[1]任晓雯.石油化工装置管道支架设计《今日科苑》2012年第18期
[2]何建峰.浅谈典型化工管道管架设计注意事项.江苏商报·建筑界，2012年第11期
[3]梁爱姣，冯晓领.化工生产装置工艺外管架的设计.辽宁化工，2006（6）：361-362
【关键词】 管架;推力;分析
引言：
在大中型石油化工企业里，管网中的管道敷设于支架（本文简称管架）上，把互不相关的管架连成一个空间体系。由于管道大小及输送介质的温度、压力各不相同，对管架的水平和牵制作用也各不相同，所以管架的设计也就显得较为复杂。笔者根据近年来在大中型化工企业管架设计的实践经验，对管架设计中的若干问题介绍如下。
一、管道支架的分类
按照《管道支架设计规程》的规定，管道支架分为固定管架、单向活动管架、双向活动管架。管架的基本形式一般有“T”、“干”、“ㄇ”、“π”、“开”、“A”以及三角墙架等。按材料区分管架又分为钢筋混凝土结构、钢结构及钢与混凝土的组合结构等三种类型。
二、管道支架设计中对管架的选择要点
管架设计必须根据管道的敷设要求、荷载条件、工程进度、大气腐蚀及防火要求等情况，经综合比较后选择出合理的结构方案钢筋混凝土结构管架;造价较低，耐大气腐蚀，防火能力强;不易改扩建，施工周期长，结构自重大;预埋件繁琐，不宜用于复杂的外形全钢结构管架：适用于复杂的外形，抗震性能较好，施工方便;易改扩建，较巧美观，结构自重轻;造价较高、防腐蚀性能及防火能力较差钢、混凝土组合结构管架：节省钢材，防腐，防火能力增加，结构自重介于前两者之间;柱上埋件较繁琐，施工周期相对较长。
通常工艺布置需要加大管架的间距，因此，管架之间的水平构件须采用跨越结构如纵梁、吊索、悬索、桁架等等。一般采用简易的纵梁构件，当管架间距或荷载较大时，用桁架或空腹桁架代替纵梁。悬索多用于跨越江河的特殊环境中。纵梁上应设置横梁，承托电缆桥架或直径较小的管道。纵梁与柱铰接，管架柱与柱顶横梁宜刚接。
三、管道支架的固定
纵梁式管架的管道固定点均设在管架横梁上，固定管架宜采用四柱式框架，并设柱间支撑，承担管道的水平推力，加强管架的纵向刚度和整体稳定。柱间支撑一般布置在伸缩缝区段的两端。管架横梁按双向受弯兼受扭构件计算，计算单元范围内的管道推力作用于固定点横梁上，该横梁截面宜做成封闭形式，以减少扭矩产生的剪应力。受大气腐蚀比较严重的钢结构管架，设计尚应采取防腐蚀措施，并考虑腐蚀裕度。
此外，纵梁式管架还应满足结构温度伸缩缝的要求，当采用钢结构时，温度缝间距为120m;当为钢筋混凝土结构时为70m。伸缩缝的作法可采用双柱形式，也可以在纵梁与柱的连接节点上采用滑动支座，一般多采用后者。
固定管架在纵向（沿管道方向）和横向（垂直管道主向）均视为管道的不动支点。应有足够的刚度，以保证管道系统的稳定。
1、单向活动管架沿纵向可以任意变位。而横向不能变位，为管道的不动支点。它与旧称单片支架的含意相同。按照管架适应管道变形的方式，单向活动管道支架又分为刚性管架、柔性管架和半铰接管架三种。
2、刚性管架主要是以管道在管架上可滑动或可滚动来适应管道的变形，柔性管架主要是以支柱的弹性位移来适应管道的变形;而半铰接管架主要是以支柱的倾斜来适应管道的变形，但倾斜度不能太大。
3、对柔性管架来说，管道的温度逐渐升高的过程中，由于支柱的柔度大（刚度小），能适应管道的热变形，管道与管架间不产生相对位移，此时管架受力为管道热变形，作为管架位移所求得的位移反弹力，这也就是柔性管架计算中的纵向受力，而且反弹力总是小于至多是等于摩擦力;对刚性管架来说，管架与管托之间可以滑动，支柱的刚度大，适应不了热变形，当温度升高，管道热变形所产生的纵向水平力到达临界摩擦力时，管道就在支柱顶部滑了过去，管道与管架间产生相对位移，此时的摩擦力小于管架的位移反弹力，由于管道已经滑动，所以管架所承受的最大纵向水平力也就是摩擦力。如果用变形量来定义刚性管架与柔性管架，与以上概念也是一致的。
管道水平推力与管线的牵制作用有关，常用牵制系数表示。正角地分析管架的水平推力，可以帮助我们合理地选用管架结构，减小梁柱的断面，使设计的管架不至于太笨重。
四、在计算管道水平推力时不应忽视以下因素：
1、敷设三根以上管线的管架，必须考虑管道的牵制系数。牵制系数与管道数量、敷设的层数、热管与常温管道重量比值以及管道的排列方式有关。
2、对于中间管架（不包括支承有振动管线的管架和跨越式管架）当所支撑的管线符合下列条件之一时，其水平推力可以忽略不计。
（1）常温管线
（2）管线根数在10根以上，管线最高温度Qmax≤130℃
（3）主要热管重量与全部管线重量的比值α≤0.15
3、刚性管架所受水平推力大，柱断面也大，必要时可以采用“A”型、“”型双柱管架。而铰接管架能有一定的变位，所受的水平推力小，柱断面也可相应减小。
五、管道水平推力的计算
固定管架上各管道的水平推力系由工艺专业向土建专业提交，单向活动管架与双向活动管架的水平推力则由土建专业计算。但在许多设计工作中，如前所述，常常由工艺专业提供单向、双向活动管架的类型与推力，其推力值大小即摩擦力。而单向活动管道支架的给向水平推力，刚性管架是按摩擦力计算，柔性管架按是反弹力计算的。而且刚性管架与柔性管架的判断又与管架的刚度EJ有关，在决定管架支柱截面尺寸之前，是无法确定管架属于刚性还是属于柔性的，因而工艺专业把摩擦力当作纵向推力提交是不适当的。所以，对活动管架而言，工艺专业只应向土建专业提交管道、介质、事故介质及其它荷载的重量，管道壁的最高、最低温度（或者最大变形值），以及拐弯处采用自然补偿时由于温度变形对拐弯处活动支架所产生的水平推力，对于其它推力值应由土建专业按支架柱刚度值进行计算。固定管架的水平推力计划，也与中间活动管架的类型有关。在固定管架的推力计算中，直线管内无补偿器的自然补偿管段，管道可视为刚体，内压作用于管端（或盲板）的力，使管道的纵向变形很小，与固定管架的变位相比，可以忽略不计，因而此力不会向固定管架传递。
故纵向水平推力的计算，当中间活动管架为半铰接管架时，固定管架所受推力与该区段管道的补偿量有关;与该区段补偿器的压缩力、波壁力、盲板力和补偿器的级数、冷紧系有关;而且与管道的EJ值和反弹力系数有关。
六、结束语
管架的设计非常繁琐复杂，设计中既要保证结构安全，又要适当考虑整齐美观。要做好一个设计，还有很多地方需要研究。由于水平有限，本文不足之处请读者予以指教。
参考文献：
[1]任晓雯.石油化工装置管道支架设计《今日科苑》2012年第18期
[2]何建峰.浅谈典型化工管道管架设计注意事项.江苏商报·建筑界，2012年第11期
[3]梁爱姣，冯晓领.化工生产装置工艺外管架的设计.辽宁化工，2006（6）：361-362