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管道支架受力分析 ——曹伟 选取购物中心地下室某段压力排水管道进行受力分析: 系统:压力排水 材质:镀锌钢管 管径:DN100 管道数量:两根 相邻两支架间距:6米 一、管道重量由三部分组成:按设计管架间距内的管道自重、满管水重及以上两项之合10%的附加重量计算(管架间距管重均未计入阀门重量,当管架中有阀门时,在阀门段应采取加强措施)。 管道自重: 由管道重量表可查得,镀锌钢管 DN100:21.64Kg/m ,支架间距按6米/个考虑,计算所得管重为: f1=21.64*6kg=129.84kg*10=1298.4N 2.管道中水重 f2=πr2ρ介质l=3.14*0.1062*1000*6kg=211.688kg=2116.88N 管道重量 f=f1+f2+(f1+f2)*10%=3756.81N 受力分析 根据支架详图,考虑制造、安装等因素,系数按1.35考虑,每个支架受力为: F=3756.81*1.35/2=2535.85N 假设选取50*5等边角钢(材质为Q235)做受力分析试验 1)应力应变关系如下: 绘制成应力应变曲线图如下: 从图中可以看出,应力/应变曲率变化平缓,处于弹性应力应变行为阶段,各部位均没有发生屈服现象。 由相关资料可查的50*5等边角钢的抗拉强度σb=423MPa,抗剪强度σr=σb*0.8=338.4MPa,型钢吊杆拉伸强度小于它的抗拉强度,型钢横担小于它的抗剪强度,所以50*5等边角钢可以满足使用要求。 危险部位应力分析 图中的蓝色区域为支架应变最大的地方,也即该处最容易发生变形与开裂,在设计中应对有较大变形的地方,解决办法有两个:1、加固:可以通过增加肋板来加固,在型钢焊接的地方更应该满焊以此增大接触面,从而减小开裂的可能;2、通过选择更大规格的型钢来试验,直到满足设计要求为止。 通过上述例子,我们选择40*4的等边角钢来试验,通过计算和分析校核,发现可以满足使用要求,从而更加节省了型钢的用量。 以上分析只考虑了垂直方向的载荷,实际上对于有压管道,同时存在水平方向的受力,所以我们分开单独分析一下 二、支架水平方向受力 1)补偿器的弹性反力Pk 当管道膨胀时,补偿器被压缩变形,由于补偿器的刚度(对于套筒式补偿器,则由于填料的摩擦力作用),将产生一个抵抗压缩的力量,这个力是通过管道反作用于固定支架,这就是补偿器的弹性反力,轴向型波纹补偿器的弹性反力Pk: Pk=ΔX·Kx·10-1(kg) 式中 ΔX—管道压缩变形量(即管道的热伸长量)(mm) Kx—补偿器轴向整体刚度)(N/mm) 其他各类补偿器可通过不同公式计算得出。 2)不平衡内压力Pn 当在两个固定支架间设置套筒式及波纹补偿器时,而在其中某一固定支架的另一侧装有阀门、堵板或有弯头时,且当阀门关闭时,由于内压力的作用,将有使补偿器脱开、失效或损坏的趋势。为了保护补偿器,要求固定支架有足够的刚度和强度,这个力就是管道的不平衡内压力。 Pn=P0·A(kg) 式中 P0—热介质的工作压力(kg/cm2) A—按套筒式及波纹式补偿器外径计算的横截面积(cm2) 当支架布置在两不同管径之间时: Pn=P0·(A1-A2)(kg) 式中A1— 直径较大者补偿器横截面积(cm2) A2— 直径较小者补偿器横截面积(cm2) 3)管道移动的摩擦力:Pm Pm=μqL 式中 μ—管道与支撑间的摩擦系数 μ 的取值一般为:钢与钢滑动接触取0.3 钢与钢滚动接触取0.1 管道与土壤接触取0.4~0.6 q—计算管段单位长度的结构荷重,N/m L—管段计算长度,m 当水平管道位移方向与原管道轴线方向成斜角时,摩擦力可分解为由轴向力Pm0及横向力Pmh;且可近似取Pm0=Pmh=0.7Pm。 其他影响因素 5.1 管道上带有阀门的管道固定支架受力分析 ⑴作用于90°弯管的内压轴向推力计算 在流体力学中, 对于解决流体与管壁之间的作用力时, 应用动量方程。如图1 所示, 对于一个水平放置的90°弯管而言, 流体作用于弯管的合力R 可由Rx 与Ry 合成, 当弯管的流动截面不变, 并不计阻力损失时, 则 Rx =Ry =P·f +ρ·Q·V 合力R=(P·f +ρ·Q·V)·cos45° 作用于90°弯管的分角线上。Rx 与Ry 正是作用于延伸两方固定支架上的内压轴向推力。 式中:P —弯管内介质的工作压力, Pa ; f —弯管的截面积,m2 ; ρ—弯管内介质的容重, kg/m3 ; Q —弯管内介质的流量, m3/s ; V —弯管内介质的流速, m/s ⑵方形补偿器的内压轴向推力计算: 根据图2 所示, 方形补偿器可看成是由4个9

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