摘　要：結合實際工程，簡化計算時熱力管道固定支架整體受力安全的前提下，應用有限元方法對隧道內水平推力和重力荷載單獨作用及綜合作用下的熱力管道固定支架進行了受力分析研究。在結構方案設計階段，簡化計算是非常必要的；大管徑、大推力的管道固定支架宜采用斜支撐等軸心受力構件支撐體系；鋼結構焊接節點中應避免出現人工縫；不易簡化的復雜結構或不成熟的節點構造，應借助實驗或有限元進行分析。

關鍵詞：熱力管道；  支架設計；  有限元分析；  水平推力；  支撐體系；  隧道

Design Study of Fixed Support for Heating Pipeline with Huge Horizontal Thrust in Tunnel

Abstract：Combined with the practical engineering，under the premise of overall stress safety of fixed support for heating pipeline，the stress analysis of fixed support for heating pipeline under alone horizontal thrust and alone gravity load and their combination in tunnel is performed by finite element method when calculation is simplified．The simplified calculation is very necessary during the design phase of the structure scheme．The fixed support for heating pipeline with large diameter and large horizontal thrust should adopt the supporting system with axial stress components．The artificial seams should be avoided in steel structure welding node．The construction with complex structure or immature node is not easily simplified，and the analysis should be carried out by means of experiment and finite element method．

Keywords：heating pipeline；support design；finite element analysis；horizontal thrust；supporting system：tunnel

1　概述

對熱力管道而言，管道固定支架受力分析與計算是供熱系統安全運行的重要保障。但是，管網在運行過程中，爆管、管道開裂等事故時有發生，其中相當一部分是由管道設計者對管道固定支架的受力分析計算以及強度校核不準確引起的。在工程設計中，管道受力分析主要解決管道的強度、剛度等問題，為管道布置、安裝、配置提供科學依據，但這些都是建立在管道固定支架可靠的基礎上[1]。

熱網中熱力管道的敷設方式有地上敷設、管溝敷設和直埋敷設3種。近幾十年來，直埋敷設因施工速度快、占地少、保溫性好等優點廣泛應用于熱水供熱管網中。因此，對于直埋管道支墩受力分析與計算的研究，國內外已經取得很多的成果[2-5]。對于地上敷設管道固定支架的受力分析與計算，雖然研究得更多、更早，但幾乎都是早期的研究成果，且由于理論相對比較成熟，所以近幾年的發展相對緩慢[6]。

國內已實施的在通行管溝內架空敷設熱力管道工程，其管道公稱直徑不大于1000mm，管道固定支架水平推力不超過2000kN。關于隧道內的大管徑、大推力的管道固定支架的研究尚屬空白。本文結合古交興能電廠至太原供熱主管道及中繼能源站工程，分析研究隧道內巨大水平推力熱力管道固定支架設計方法。該項目中熱力供水管道固定支架承受水平推力達7500kN，管道固定支架的結構形式、管道與支架的連接節點、支架與隧道的連接、支架在隧道內的錨固生根等都是亟待解決的技術難題。在充分保證管道運行安全的基礎上，最大可能地充分利用管道自身的強度特點，采用合理的結構體系和細部構造，減少造價，確保集中供熱安全、經濟、高效，為其他管道固定支架設計提供參考。

2　項目概況

古交興能電廠至太原供熱主管道及中繼能源站工程總造價近40×108元，熱源來自山西省古交興能電廠，受熱地點為太原市，供熱系統設計供熱規模為7600×104m2，供熱管線全長80km。結合該工程的實際情況，主管道敷設方式分別采用直埋敷設、野外架空敷設及隧道內架空敷設，其中隧道內架空敷設約15.4km。隧道熱力管道斷面及管道固定支架結構設計見圖1，共敷設四根DN 1400mm熱力管道，根據隧道的對稱結構特點，兩側管道固定支架也對稱布置，上部兩根供水管，下部兩根回水管，上層供水管的管道固定支架沿管道長度方向推力巨大，達到7500kN，離隧道壁遠，固定困難，是本文研究的重點。

3　管道固定支架設計方案研究

隧道內支架間距25m，供水管道的折算重力荷載為34.8kN／m。考慮到隧道內施工空間狹小，隧道長度超過10km，為方便施工安裝，管道固定支架采用鋼結構，隧道外制作，運輸就位焊接安裝。為了保證管道固定支架的安全，必須采用受力清晰、傳力路徑明確的設計方案。在設計方案階段，對復雜結構的簡化是非常重要的，經過理論分析和初步研究，設計管道固定支架上、下、側面固定于隧道二襯上，與預埋件焊接，連接節點及預埋件按固結計算及構造。隧道一襯二襯局部環狀加厚，與巖體形成環狀頂推面，以承受管道縱向推力。由于水平推力巨大，如果僅采用主立柱受彎來承受水平推力，一方面該立柱截面太大，另一方面材料強度得不到充分利用，浪費材料。立柱設計方案中加入支撐體系。在立柱沿管道縱向設米字形支撐，形成軸心受力體系。支撐按軸心受力構件設計，為了安全起見，支架與隧道連接節點分別按鉸接和剛接計算兩次，取不利結果設計構件和焊縫。斜支撐主要承受水平推力，立柱主要承受重力荷載。管道與支架連接采用環狀加勁肋板底板構造，保證沿管道周長均衡傳遞水平推力。經過簡化計算分析，構件的設計數據見圖1(單位mm)。加勁肋板及其底板初步選16mm厚鋼板，鋼材支架選用Q345B，DN 1400mm熱力管道鋼材為L290。

4　有限元分析

采用有限元分析的方法對管道固定支架工作性能進行分析研究，主要側重管道固定支架在均布重力荷載作用下和水平推力作用下各部分的受力情況。有限元分析采用ANSYS軟件，有限元模型選用Shell181單元進行網格劃分，網格劃分盡可能采用矩形單元，角部、受力較大部位的網格進行細化。鋼材的本構關系采用理想的雙線性模型，用以反映鋼材屈服、構件變形等非線性特性。鋼材的屈服強度根據材料實驗或鋼材標號進行選取。泊松比根據規范取0.3。有限元模型考慮加勁肋板底板和橫梁立柱之間的接觸，采用目標單元TARGE170和接觸單元CONTA173模擬，摩擦系數取0.4。受力分析時的計算單元將管道從兩支架中間截斷，立柱和橫梁與隧道的連接均設為固定連接，由于計算單元管道兩端的約束與等跨連續梁跨中情況類似，可以沿管道長度方向移動，可以垂直管道豎向移動，不能沿水平方向移動，不能轉動。重力荷載均勻加到管道劃分的網格節點上，水平推力均勻施加在管道的右端。有限元模型見圖2。

①重力荷載作用

重力荷載作用下管道受力模型是多跨連續梁，這一點有限元分析結果與簡化計算時的分析一致，管道應力云圖見圖3(數據軸的單位均為Pa，數據中的．表示小數點，每種顏色均表示一個數據范圍，以下各圖情況均與此相同)，最大應力出現在支座上部，約32.9MPa，遠小于設計強度290MPa，滿足GB 50017—2003《鋼結構設計規范》(以下簡稱GB 50017—2003)的要求。立柱和橫梁為H型鋼弱軸受彎，最大應力在上部橫梁中部，Mises應力為38.0MPa，見圖4。斜支撐受力很小，見圖5，與之前的分析結果一致，這是由于重力主要由立柱承擔。加勁肋板及底板簡化計算比較困難，有限元分析結果見圖6，重力荷載作用下加勁肋板及底板應力不大，應力集中加勁肋板尖端為306MPa(由于極少量網格數據能呈現該值，在圖中無法顯示)。

②水平推力作用

水平推力作用下管道受力模型是軸心受壓構件，與簡化計算方式的分析一致，管道應力云圖見圖7。水平推力作用部分管道，應力大部分在100MPa左右，在與加勁肋板和底板連接的部位由于局部彎曲的作用，應力突然增大，最大值約217MPa，滿足GB 50017—2003的要求。對受拉側，立柱和橫梁為H型鋼強軸受彎，在整體彎矩作用下立柱和橫梁應力并不大，約100MPa。受拉側翼緣Mises應力見圖8，由于加勁肋板邊緣與立柱和橫梁翼緣焊接，局部彎矩作用下等效應力會達到314MPa，略超出了設計強度上限。受壓側翼緣Mises應力見圖9，在整體彎矩作用下立柱和橫梁應力也不大，約100Mpa，但在局部彎矩作用下，等效應力會達到350MPa，超出了設計強度上限。斜支撐Mises應力見圖10，有限元結果與設計簡化分析結果基本一致，大部分小于50MPa，但與立柱連接處有應力集中，應注意加強焊縫的延性處理。加勁肋板及底板有限元分析結果見圖11，可以看出在局部荷載作用下，底板等效應力會達到350MPa，超出了設計強度上限，應加厚。

③綜合受力分析

重力載荷和水平推力共同作用下管道受力模型是壓彎構件，管道應力云圖見圖12。水平推力作用部分管道，應力大部分在100MPa左右，在與加勁肋板和底板連接的部位由于局部彎曲的作用，應力突然增大，最大值213MPa，滿足GB 50017—2003的要求。對受拉側，在整體彎矩作用下立柱和橫梁應力并不大，約100MPa。受拉側翼緣Mises應力見圖13，由于加勁肋板邊緣與立柱和橫梁翼緣焊接，局部彎矩作用下等效應力會達到350MPa，略超出了設計強度上限。受壓側翼緣Mises應力見圖14，在整體彎矩作用下立柱和橫梁應力也不大，約100MPa，但在局部荷載作用下，等效應力會達到350MPa，超出了設計強度上限。斜支撐受力見圖15，有限元結果與設計簡化分析結果基本一致，大部分小于50MPa，但與立柱連接處有應力集中，應注意加強焊縫的延性處理。加勁肋板及底板有限元分析結果見圖16，可以看出在局部荷載作用下，底板等效應力會達到350MPa，超出了設計強度上限，應加厚。

5　設計方案改進

①去掉焊縫加承托角鋼

有限元研究結果發現，受拉側加勁肋板底板與立柱橫梁翼緣焊接容易造成局部彎矩作用下破壞。而且這種情況也會形成人工縫，見圖17a。從斷裂力學角度看，如果焊接材料塑性較差，在拉力作用下，在人工縫處產生應力集中，會使該裂縫擴大，極易造成脆性破壞。可采取去掉焊縫，沿加肋底板邊緣加承托角鋼的措施，見圖17b，受壓側也做類似修改。

②底板加厚

加勁肋板部分簡化計算比較困難，有限元研究發現，在水平推力單獨作用及重力與水平推力共同作用時，16mm厚底板不能滿足強度要求。經進一步有限元分析，底板厚度增加到22mm。底板加厚，剛度提高，會減小立柱橫梁翼緣局部應力。

③立柱和橫梁翼緣加厚

由文中分析可以看出，右側立柱和上部橫梁翼緣厚度不足，經有限元分析后，由16mm加厚到20mm。

6　結論

①在結構方案的設計階段，簡化計算仍然具有不可替代的意義。設計者應具備比較清楚的受力概念。

②大管徑、大推力的管道固定支架的設計方案應避免采用大跨度受彎構件來抵抗水平推力，宜采用桁架或支撐等軸心受力構件，這樣既能提高強度和剛度，也能節約材料。

③鋼結構焊接節點中應避免出現人工縫。

④不易簡化復雜結構或不成熟的節點構造，應借助實驗或有限元進行分析，確保結構整體安全。

參考文獻：

[1]姜方．大管徑直埋熱力管道在實際工程中應力分析(頂士學位論文)[D]．西安：長安大學，2014：1-5．

[2]劉偉．直埋敷設熱力管道應力分析與受力計算(碩士學位論文)[D]．哈爾濱：哈爾濱工程大學，2007：3-5．

[3]高強．供熱直埋管道固定墩受力分析(碩士學位論文)[D]．太原：太原理工大學，2011：1-13．

[4]劉敏．熱力管道固定支墩的設計[J]．煤氣與熱力，2004，24(2)：91-93．

[5]郭瑞平，陳槍李，廣信．直埋熱力管道固定支墩的受力優化研究[J]．土木工程學報，l996，29(3)：73-79．

[6]王秀全．地上和管溝敷設熱力管道的受力分析與計算(碩士學位論文)[D]．哈爾濱：哈爾濱工業大學，2007：2-105．

本文作者：白旭峰  孟昭輝  劉洪波  蘇曉果

作者單位：中國市政工程華北設計研究總院有限公司

  黑龍江大學建筑工程學院