摘要:本文在研究中以热力工程固定支架受力情况为核心,介绍固定支架受力分析,明确不同固定支架的受力情况,列举工程案例,根据受力参数调整热工工程管道的布置方式,提高热力工程的经济性和安全性,并为相关研究人员提供一定的借鉴和帮助。
关键词:热力工程;水平荷载;受力分析
固定支架中的管道和支撑结构不会发生相对位移,应用中可以保护弯头和三通支管不会由于应力过大而造成损坏,可以将热力管道划分成多个补偿段,实现分别补偿,进而保证热力管道的稳定性和安全性,使得补偿器稳定运行,保证热力工程效益的最大化。对此,在热力工程设计施工中,要优化固定支架布局,对固定支架受力情况进行分析,了解固定支架所受荷载是否超过承受极限值,适当调整固定支架位置,合理使用固定支架,发挥出固定支架的作用,进而提高热力工程的安全性、经济性和合理性。在这样的环境背景下,探究热力工程中固定支架的受力情况具有非常重要的现实意义。
一、热力工程中固定支架受力分析
固定支架受到荷载大小和支架管道受力状态相关,针对直埋供热管道而言,以轴向力为主要受力,具体包括水平荷载、垂直荷载等。
(一)水平荷载
水平荷载主要是限制直埋管道朝着固定支架方向进行热伸长,使得固定支架承受管道水平荷载,具体包括管道轴向力、不平衡内压力、土压力、固定支架与回填土的摩擦力;
1.管道轴向力
根据管道热伸长的具体受限情况,针对锚固段的固定支架而言,管道热伸长被完全限制,其轴向力公式为:,
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其中,代表锚固段轴向力;代表钢材线膨胀系数;E代表钢材弹性模量;、分别代表管最高温度和安装温度;v是泊桑系数,取值为0.3;代表管道内部环向应力;A代表管道环形管壁的横截面积;代表管道压力;Di代表管道内径;代表钢管公称壁厚。而针对过渡段固定支架而言,管道热伸长未被完全限制,
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,其中,其中F代表管道和土壤间的摩擦力;l代表固定支与自由端间距;代表土壤密度;g代表重力加速度;代表摩擦系数;代表管道顶部覆土深度;代表管道保护壳外径。
2.不平衡内压力
不平衡内压力主要是管道内部由于带压流体的影响,直接作用在阀门、盲板或是补偿器等部位,在截面变化的情况下,形成管道内部不平衡内压力,当固定支架安装位置在阀门、盲板或是弯头等位置时,内压力为:;当固定支架安装在补偿器位置时,内压力为:,并和管道工作压力有关,管道工作压力越大,其不平衡内压力就会越大。
3.土压力
由于固定支架深埋在土壤中,会受到土壤垂直土压力,使得固定支架对土壤形成水平推力,而土壤对固定支架形成水平反力,这种受力根据固定支架位移方向而分为主动土压力和被动土压力,主动土压力为,
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而被动土压力为:
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,本文主要考虑无粘性土情况。
4.固定支架与回填土的摩擦力
受到轴向力的影响,固定支架会产生轴向位移,即为固定支架与回填土的摩擦力,计算公式为:,其中,为底面摩擦力,公式为:;为侧面摩擦力,公式为:;。
(二)垂直荷载
基于刚性条件,固定支架的垂直荷载包括回填土重力和地面交通荷载,其中回填土重力静压力值为:
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;根据《公路桥涵设计规范》,以汽车车轮接触面积0.2*0.5m2,轴重10t为标准,其地面交通荷载压力值为:。
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二、热力工程施工中的固定支架受力影响分析
(一)固定支架受力影响分析原理
热力工程施工中,会受到资金限制、拆迁困难或是规划变化等因素的影响,必须进行分阶段施工,这种分段分工方式会对固定支架受力产生一定的影响,造成推力变化。如图1所示,为热力管道分段施工布局。
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图1 热力管道分段施工布局
在原有的施工方案设计中,计划管线布设由①至③,但由于施工原因,使得②段后的管道暂时停止施工,②段a位置加设堵板进行封堵,使得②位置形成固定支架推力,原设计固定支架压力值为:
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,而改动后固定支架压力值为
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:,其中P0A的值要超过P2,可见固定支架受力变动较大,施工中需要具体分析。
(二)工程案例分析
某DN500管线施工中,管道总长为540m,以地沟敷设为主,结构以钢筋混凝土结构为主,基地埋深为16m。本工程的固定支架位置处于隧道范围以内,为了让固定支架布设前后,其混凝土不受较大推力的影响,在固定支架周围尽量不布设伸缩缝,在固定支架施工后,在二衬结构布设纵向钢筋,供水管道固定支架和回水管道固定支架错开布置,施工布局为图2所示。
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图2 热力管道固定支架施工布局
管道线路中设置②、③、⑤等管路分支,而③段固定支架受力为:(其中)==1725kg,
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其中代表管道补偿器轴向刚度,取值为230N/mm,代表管线热膨胀量,取值为250mm。对此,在实际施工中,③段固定支架推力可取近视值1.8t。
施工中由于拆迁问题,在③段施工时停止施工,该管线实行分期施工、分段供热的运行策略,以②、③段用户供热,这种分段施工方式,使得③段固定支架受力情况发生变化,如图3所示,为改变后的施工布局情况,则③段固定支架受力为:
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,其中P0代表管线设计压力,取值为1.6MPa,A代表管道补偿器有效面积,取值为3167cm2。
图3 改变后的热力管道固定支架施工布局情况
对此,在改变施工方式后,③段固定支架所受荷载和原设计方案中的受力情况差很多,实际施工中若选择一般支撑方式或是固定支架加固方式,一般无法满足施工质量要求,需要根据施工变动对固定支架受力情况进行重新分析和计算,制定有效的支护措施,避免③断固定支架由于受力过大而发生损坏或是变形,进而影响其他管道设备的运行。
(三)不同管网布置下的固定支架受力情况
主要有两种情况,第一,在管道施工中,选择轴向补偿器进行热伸长吸收和消耗的情况下,安装在阀门、弯头或是堵板等位置的固定支架会受到不平衡内压力的作用,即为P0A,这种不平衡内压力会随着管径增加而增加,远远大于管线上的弹性力与摩擦力,而在③段施工变化后,该段固定支架位置会接近堵板,其所受推力会明显增加;
第二,在管道施工中,选择自然补偿的方式进行热伸长吸收与消耗的情况下,③段固定支架的两侧不平衡力和内压力相互抵消,使得固定支架的受力主要是管线弹性力PK、管线与支架的摩擦力Pm。
结束语:
综上所述,在热力工程施工中,为了保证施工质量,在设计阶段要对固定支架受力情况进行分析和计算,优化施工方案,一旦施工中发生施工变动情况,势必会改变固定支架受力情况,需要协同设计人员重新分析和计算,发挥出固定支架的作用,提高热力工程的综合质量。
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