支吊架计算方案.docx
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支吊架计算方案
支吊架计算方案（总35页）
中国建筑股份有限公司
CHINASTATECONSTRUCTION十里铺城中村二期改造K5地块
机电管道支吊架体系计算方案
编制人：
审核人：
审批人：
中建二局
第三建筑工程有限公司
2019年4月
一、编制目的
K5商业地下室机电管道较多，为达到整体安装效果简洁美观、节省空间，根据设计要求及项目的实际情况选取适当的支吊架形式。
局部位置需要综合支架，为保证系统运行安全可靠，需从管线的具体布置及荷载要求方面进行分析，对机电支吊架的强度进行校核。
二、编制原则
1、适用性：
根据设计要求及工程的实际情况选用适合工程的支吊架形式，地下室商业局部位置需要设置综合支架，BIM图纸中已经有所体现，根据管道规格设计合理支架方案；
2、安全性：
计算选用的支架需合理，现场应严格按照方案实施，支架固定牢固，现场试验数据需准确；若管道型号过大，根据现场情况需请设计对结构承载力进行验证符合并签字；
3、经济型：
在考虑竖向支架时，首先考虑使用圆钢吊杆，在圆钢吊杆不满足承重要求时再考虑使用角钢、槽钢；
4、美观性：
保证所使用的支吊架成排成线，横平竖直，简单明了。
5、适用于综合排布的成排管道支吊架,其它形式支吊架参考图集《室内管道支架及吊架图集》03S402以及各地方标准图集。
机电管道支吊架选用除尊照本计算书外，还应满足国家现行有关规范、标准的规定。
三、编制依据
1、施工图纸
2、《通风与空调工程施工质量验收规范》（GB50243-2016）
3、五金手册（电子版）
4、《热轧型钢》（GB/T706-2008）
5、《室内管道支吊架》（05R417-1）
6、《低压流体输送用焊接钢管》（GB/T3091-2008）
7、《室内管道支架及吊架图集》03S402
8、《动力管道设计手册》（机械工业出版社）
9、《膨胀螺栓规格及性能》（JB-ZQ4763-2006）
四、管道布置分析
对管道进行合理的深化和布置是管道支吊架设计的前提条件。
设计使用安全、经济合理、整洁美观的管道支吊架，首先需对管道进行合理的布置，布置应考虑以下参数：
、管道布置设计应符合各种工艺管道及系统流程的要求；
、管道布置应统筹规划，做到安全可靠、经济合理，满足施工、操作、维修等方面的要求，并力求整齐美观；
、管道宜集中成排布置，成排管道之间的净距（保温管为保温之间净距）不应小于50mm。
、地上的管道宜敷设在管架或管墩上，在管架、管墩上布置管道时，宜使管架或管墩所受的垂直荷载、水平荷载均衡；
、管道布置应使管道系统具有必要的柔性，在保证管道柔性及管道对设备、机泵管口作用力和力矩不超出过允许值的情况下，应使管道最短，组成件最少；
、应在管道规划的同时考虑其支承点设置，并尽量将管道布置在距可靠支撑点最近处，但管道外表面距建筑物的最小净距不应小于100mm，同时应尽量考虑利用管道的自然形状达到自行补偿；
五、管道载荷分析及支架计算
、满水重量计算
管道工程水管介质均为水，按管道满水考虑。
总荷载应为水的重量，加上管道自重，如果有保温管道，需另外加上保温棉重量。
现把各系统每米管道理论重量数据统计如下：
表1热镀锌钢管规格及理论重量表
管道规格
DN15
DN20
DN25
DN32
DN40
DN50
DN65
DN80
DN100
DN125
DN150
公称直径
15
20
25
32
40
50
65
80
100
125
150
外径（mm）
壁厚（mm）
4
4
4
4
内径（mm）
保温重量（Kg/m）
管道理论重量（Kg/m）
水重量（Kg/m）
满水重量（Kg/m）
表2钢管满水规格重量表（kg/m）
管道规格
DN600
DN400
DN350
DN300
DN250
DN200
DN150
DN125
DN100
公称直径（mm）
600
400
350
300
250
200
150
125
100
实际外径（mm）
630
426
377
325
273
219
159
140
114
壁厚（mm）
11
8
8
8
7
5
4
4
保温层厚（mm）
40
40
40
40
40
40
40
40
40
保温材料容重（Kg/m³）
45
45
45
45
45
45
45
45
45
每米管道自重（Kg）
每米满管水重（Kg）
每米保温层体积（mm3）
×107
×107
×107
×107
×107
×107
×107
×107
×107
每米保温层重（Kg）
每米管道总重（Kg）
、支吊架受力分析示意图
图管道支吊架布置图
图支架横担受力分析图
、承重支架横担选型及校核
根据所算的管道满水重量在软件上建模，利用结构力学求解器（软件使用方法见附件3：
结构力学求解器操作手册）计算出支架的剪力图弯矩图和轴力图，得到支吊架最不利构件的最大弯矩、最大剪力和最大轴力大小，通过最大弯矩值选取横担型材大小。
抗弯强度校核公式：
（公式1，来源03S402中）（等边角钢
与
数值一样）
式中：
——所计算截面绕x轴的最大弯矩；
——所计算截面绕y轴的最大弯矩,按照
计算；
——x轴方向截面模量；
——y轴方向截面模量；
f——钢材的抗弯强度设计值N/mm2，取值见下表3，钢结构设计手册表2-3。
表3钢材强度设计值（数据来源钢结构设计手册表2-3）
截面塑性系数取下值：
=；
=（数据来源钢结构设计手册表3-20）
由《钢结构设计手册》表16-5查得各型号槽钢的截面塑性模量
、
。
表4槽钢规格表（数据来源钢结构设计手册表16-5）
将所选型钢大小自重按均匀荷载考虑加入到受力分析中，重新利用结构力学求解器软件进行计算，求出最大剪力、最大弯矩及最大轴力，进行校核。
若满足则进行抗剪强度校核，若不满足则加大一号型钢重新进行校核。
抗剪强度校验公式：
（公式2，来源03S402中）
式中：
V——所计算截面所受的剪力N；
S——半截面面积矩；（所计算轴以上的构件截面面积×截面中心点到中心轴的距离，槽钢可直接在表4中选取，角钢需计算得出，计算实例见附件4）
Ix——毛截面惯性矩；
tw——腹板厚度；
fv——钢材的抗剪强度设计值。
（以上各参数取值于钢结构设计手册表2-3、表16-5。
当所选横担大小的抗弯强度及抗剪强度均满足要求时即为合格。
、承重支架竖向支架选型及校核
当选用吊杆为竖向支架时：
表5吊杆拉力允许值（表格来源于图集03S402）
根据表5以及所计算出的最大轴力选择吊杆直径大小，加上吊杆自重后进行抗拉强度校核。
吊杆净截面面积计算公式：
（公式3，来源于图集03S402）
式中：
An——吊杆净截面面积；
N——吊杆设计拉力值；
f——钢材抗拉强度设计值，取值于钢结构设计手册表2-3。
当选用型钢为竖向支架时：
抗拉强度校验公式：
（公式4，来源钢结构设计手册表3-16）
式中：
A——构建截面面积；
N——轴心拉力；
f——钢材抗拉强度设计值，取值于钢结构设计手册表2-3。
通过计算得出A的值，对照《钢结构设计手册表16-1~5》中型钢截面面积大小，选择竖向型钢支架大小。
加上自重后再次进行校核。
、膨胀螺栓承载力校核
根据上述计算得出的最大轴力以及膨胀螺栓的个数，根据表6《膨胀螺栓受力性能表》选出膨胀螺栓的大小。
（埋板厚度不小于1cm）
表5膨胀螺栓受力性能表（数据来源于JB-ZQ4763-2006膨胀螺栓规格及性能）
、固定支架计算
（1）支架布置情况及受力分析
固定支架承受的荷载有下列力组成：
①垂直荷载，包括管道、管道附件、保温结构、管内输送介质的荷载以及在某些情况下考虑管道水压试验时水重等荷载；
②沿管道轴向的推力，包括各补偿器的反弹力之和FS，不平衡内压力（波纹补偿器或管道阀门或堵板上的流体静压力）FN，管道移动时的摩擦反力或管架变位弹力FM等；
（2）竖向支架中垂直方向的力（垂直荷载）及支架型钢选择同承重支架，此时需着重计算水平方向的力（沿管道轴向的推力）及其斜支撑的选型；
（3）固定支架沿轴向的推力计算
由于环境空气的温度及管内介质温度对管壁的影响，造成管道本身的伸缩其伸缩量为△L，管道的热胀与冷缩在受到两个固定点的限制而不能实现时所产生应力为
，其计算公式如下：
（公式5）
（公式6）
式中：
△L——管道伸缩量（mm）；
L——计算管长（两固定点间的直线长度）（m）；
——管道的线膨胀系数
，取值于《动力管道设计手册》中表6-1；
t2——管道内介质最高温度（℃）；
t1——管道设计安装温度（℃）。
可取0-20℃。
——管材的弯曲应力（MPa）；
E——管材的弹性模量（MPa），在常温状态下对碳素钢、不锈钢取
；
通过△L以及
计算固定支架沿管道轴向的水平推力，即：
波纹补偿器的弹力FS、不平衡内压力FN以及支架的摩擦力FM，其计算公式如下：
（公式7）
式中：
FS——波纹补偿器的弹性力（N）；
KX——每个波的单位压缩力的弹力，即波纹补偿器的轴向刚度（N/mm）。
补偿器一般为选定产品，可由厂家直接提供。
若计算时没选定补偿器厂家，波纹补偿器的此参数也可以参考附表1（即《实用供热空调设计手册》第二版中表~11）；
（公式8）
式中：
FN——内压不平衡力（N）；
P——管道内介质工作压力（MPa），取设计给定的工作压力；
Ai——轴向波纹补偿器的有效截面积（mm2），此值由生产厂家提供。
若计算时没选定补偿器厂家，波纹补偿器的此参数也可以参考附表1（即《实用供热空调设计手册》第二版中表~11）
（公式9）
式中：
FM——摩擦力（N）；
q——管道单位长度计算荷载（N/m）；
L——两固定支架间的管段长度（M）；
μ——摩擦系数，取；
根据附件2（波纹补偿器固定支架推理计算公式）选取与支架布置形式相对应的计算公式，根据公式计算每个固定支架所受到的水平推力；
（4）根据水平推力大小计算固定支架每个斜支撑所受拉力的大小，通过抗拉强度校验公式选出固定支架斜支撑的大小；
（5）膨胀螺栓承载力校核，根据上述计算得出的最大轴力以及膨胀螺栓的个数，根据表6《膨胀螺栓受力性能表》选出膨胀螺栓的大小。
六、管道承重支架受力分析及计算实例
、支架布置图
现场超出图集03S402支吊架设置共计两种支吊架类型，对应支吊架正视图如下：
支架一：
图支架正视图
支架二：
图支架正视图
、支架设置说明
典型支架设置情况：
支架一：
地下室4根DN250空调水和2根DN80空调冷冻水管道共用支架,承重支架间距为，固定支架横担长，竖向支架长度为。
查表2（钢管满水规格重量表）可得，考虑管道制作以及安装等部分因素，取综合系数K1＝（数据来源03S402中），每组支架承受载荷计算如下：
*4***+*2***=
支架二：
地下室2根DN250空调冷热水管道共用支架,承重支架间距为，固定支架横担长，竖向支架长度为。
查表2（钢管满水规格重量表）可得，考虑管道制作以及安装等部分因素，取综合系数K1＝（数据来源03S402中），每组支架承受载荷计算如下：
**2**=
、横担荷载分析、选型及校核
、垂直荷载
管道支吊架垂直荷载根据性质可分为基本垂直荷载和可变垂直荷载，其中基本垂直荷载指管道支吊架所承受的管道重力、介质重力和附件的重力等永久性荷载。
可变垂直荷载指管道所承受的活荷载、沉积物重力和发生地震时所应该承受的特殊变化的荷载。
由于可变垂直荷载难以准确计算,本计算书按静荷载的（数据来源03S402中）考虑。
、水平荷载
管道水平方向的荷载是作用在支架上的水平推力，根据支架类型可分为活动支架上的水平推力和固定支架上的水平推力。
a.活动支架水平推力主要来自管道摩擦力，吊杆水平推力可忽略；
水平推力即为管道摩擦力T=μG（μ为摩擦系数，G为管道垂直静荷载）
b.固定支架的水平推力主要来自补偿器的弹性变形力。
采用补偿器补偿的管道，其作用在固定支架上的水平推力为补偿器被压缩或拉伸所产生的反弹力。
、横担受力情况分析
根据支架的受力情况，支架在管道重力下或在管道推力作用下，有可能出现一下几种现象：
a：
槽钢会沿着受力方向被剪断；
b：
槽钢会沿着受力方向发生过大弯曲变形，严重的会发生弯曲折断；
所以合理的选择支架就是使槽钢的抗弯和抗剪满足要求。
、软件建模及计算
支架静荷载主要为管道自重、满水重量及保温重量，动荷载主要考虑水流冲击时管道与支架之间的摩擦力。
在章中对其分别进行受力分析。
将支架建立为如下图所示的模型，利用结构力学求解器软件可绘制支架的剪力图、弯矩图及轴力图，并求出最大剪力、最大弯矩及最大轴力，如下图所示。
（以下受力图使用结构力学求解器绘制）
支架一：
图综合支架建模
图综合支架弯矩图
图综合支架剪力图
图综合支架轴力图
由图、图可知，抗弯、抗拉最不利构件，最大弯矩为2674N·m，最大剪力为6078N。
由图可知，抗压最不利构件，最大轴力为6078N。
由于该支架为活动支架，所以支架水平方向的受力为管道在支架上滑动摩擦力。
水平推力
=G*（公式来自于图集03S402中）
支架二：
由图得知，抗弯、抗拉最不利构件，最大弯矩为5640N·m，最大剪力为18222N。
由图可知，抗压最不利构件，最大轴力为18222N。
由于该支架为活动支架，所以支架水平方向的受力为管道在支架上滑动摩擦力。
水平推力
=G*（公式来自于图集03S402中）
槽钢大小选型以及抗弯强度校核
抗弯强度校核公式：
（公式来源03S402中，
——所计算截面绕x轴的最大弯矩，
——所计算截面绕y轴的最大弯矩，按照
计算，
——x轴方向截面模量，
——y轴方向截面模量，f——钢材的抗弯强度设计值N/mm2，取值215，钢结构设计手册表2-3）
截面塑性系数取下值：
=；
=（数据来源钢结构设计手册表3-20）
由《钢结构设计手册》表16-5查得各型号槽钢的截面塑性模量
、
通过上公式可得：
表槽钢x、y轴最大弯矩极限值
槽钢型号
X轴方向截面模量Wnx（cm³）
Y轴方向截面模量Wny（cm³）
所计算X轴最大弯矩
（N·m）
所计算y轴最大弯矩
（N·m）
6
1080
324
8
1508
452
10
2174
652
12
3068
920
14
4250
1275
16
5449
1634
18
6811
2043
20
8328
2498
22
9841
2952
25
11143
3343
由上表得知：
支架一支架最大弯矩,选择12#槽钢
所以选用12#槽钢。
12#槽钢支架自重：
F=MG=**=342N。
支架二最大弯矩为，参照表格选用18#槽钢，加入自重F=**=297
将槽钢支架自重按均匀荷载考虑加入到受力分析中，重新利用结构力学求解器软件进行计算，求出最大剪力、最大弯矩及最大轴力，如下图所示。
支架一：
图综合支架建模
综合支架弯矩图
综合支架剪力图
综合支架轴力图
支架二：
由上图可知，在加入支架自重后，抗弯、抗拉最不利构件，最大弯矩为2827N·m，最大剪力为6248N，最大轴力为6248N。
当最大弯矩为2807N·m时，对照表可知12#槽钢仍满足要求。
对于支架二最大弯矩5719N*M,参照表格参数依旧满足要求。
抗剪强度校验
抗剪强度校验公式：
（公式来源03S402中；V——所计算截面所受的剪力N；S——计算剪力处以上毛截面对中和轴的面积矩；Ix——毛截面惯性矩；tw——腹板厚度；fv——钢材的抗剪强度设计值）
支架一：
V=6248N；S=36400mm3；
=3885000
；
=，
=125（数据来源钢结构设计手册表2-3、表16-5）
经计算得：
≤
=<102，满足要求。
由上可知14#槽钢抗弯强度校核与抗剪强度校核均满足要求，所以本综合管道支吊架选用14#槽钢做为横担。
因此现场采用14#槽钢作为支架横担可满足要求；
支架二：
V=18370N；S=91600mm3；
=
；
=，
=125（数据来源钢结构设计手册表2-3、表16-5）
经计算得：
≤
=<102，满足要求。
由上可知14#槽钢抗弯强度校核与抗剪强度校核均满足要求，所以本综合管道支吊架选用14#槽钢做为横担满足要求。
因为现场采用14#槽钢作为支架横担，且支架跨距越大，所承受的轴力越大，因此要对现场支架距离进行重新排布；排布如下：
地下室2根DN250空调冷热水管道共用支架,承重支架间距为，固定支架横担长，竖向支架长度为，其余条件不变，则每根管道荷载为：
DN250:
**3*=3978N,利用力学求解助力器重新进行计算求出最大剪力、最大弯矩及最大轴力，如下图所示；
综合支架弯矩图
综合支架剪力图
综合支架轴力图；
由图可得知：
支架二最大弯矩,查表得出，选择14#槽钢。
所以选用14#槽钢。
14#槽钢支架自重：
F=MG=**=245N。
将槽钢支架自重按均匀荷载考虑加入到受力分析中，重新利用结构力学求解器软件进行计算，求出最大剪力、最大弯矩及最大轴力，如下图所示。
综合支架弯矩图
综合支架剪力图
综合支架轴力图；
由上图可知，在加入支架自重后，抗弯、抗拉最不利构件，最大弯矩为4063N·m，最大剪力为13137N，最大轴力为13137N。
当最大弯矩为4063N·m时，对照表可知14#槽钢仍满足要求。
抗剪强度校验公式：
（公式来源03S402中；V——所计算截面所受的剪力N；S——计算剪力处以上毛截面对中和轴的面积矩；Ix——毛截面惯性矩；tw——腹板厚度；fv——钢材的抗剪强度设计值）
支架二：
V=13137N；S=52400mm3；
=6094000
；
=，
=125（数据来源钢结构设计手册表2-3、表16-5）
经计算得：
≤
=<102，满足要求。
由上可知14#槽钢抗弯强度校核与抗剪强度校核均满足要求，所以本综合管道支吊架选用14#槽钢做为横担。
因此现场采用14#槽钢作为支架横担可满足要求；
竖向支架（吊杆/型钢）荷载分析、选型及校核
当选择型钢受拉时
抗拉强度校验公式：
（公式来源钢结构设计手册表3-16；A——构建截面面积；N——轴心拉力；f——钢材抗拉强度设计值，取值于钢结构设计手册表2-3）
所以，立柱选用5#槽钢
5#槽钢支架自重F=MG=**=
加上槽钢自重后的最大轴力为6248+192=6440N。
查钢结构设计手册表16-5可得，立柱选用5#槽钢满足要求。
对于支架二同样计算得出可知竖向吊架采用10#槽钢满足要求
竖向支架选型的最终确定
综合以上分析，考虑项目实际情况，支架一立柱选用2根5#槽钢；支架二选用两根10#槽钢。
、膨胀螺栓承载力校核
由可知，最不利支架立柱受力为6440N，考虑管内水的波动性，粘滞阻力，压力传递不均匀性对膨胀螺栓的综合影响，取综合系数冷却水管K＝，冷冻水管K=；此支架选用每处埋板设置4根膨胀螺栓（根据项目实际情况定）。
F=6440*4==246公斤
根据上表选用M8的膨胀螺栓，所以此支架选用每处埋板设置4根M12的膨胀螺栓。
综上所读，支架一承重支架横担选用12#槽钢，竖向支架选用5#槽钢，每个埋板处设置4个M12的膨胀螺栓。
现场实际情况为支架一横担采用14#槽钢，吊杆采用12#槽钢，4个M16膨胀螺栓，支架二选用14#槽钢，吊杆选用14#槽钢，间距3米布置一处支架，使用M16膨胀螺栓满足受力要求。
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