机电安装管道支吊架的设计
时间：2023-02-02 20:25:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
成乾硕 阎 斌 贾 蒙 孙智君 林 勇 朱若柠
中建一局集团第三建筑有限公司 北京 100161
目前，已有的文献资料规定了机电管道支吊架的选型与荷载计算的标准与要求，然而在机电安装施工技术方面，对于大型管道支吊架方面缺少相关计算方法和规范图集的支持。
支吊架在管道正常运行过程中受竖向荷载与水平荷载作用，支吊架所受竖向荷载为管道、管道附件及介质的重力，水平荷载为管道系统运行过程中产生的水平推力。滑动支吊架的水平推力主要为管道摩擦力，固定支吊架的平推力为管道热伸长产生的水平推力或管道运行时因为水压产生的水平力。
在管道支吊架设计过程中还应该重点关注的内容包括：支吊架体系的选择，支吊架综合形式的选择，框架、锚栓、锚板的选型，结构连接的生根方式等[1-5]。
为了明确支吊架深化设计过程中各节点的设计依据，更好地指导施工过程，本文参考钢结构设计有关计算方法与混凝土后锚固技术及机电安装的特点，阐述了机电管线支吊架的设计思路及计算方法，将该方法应用在多个项目，结果显示，该方法具有一定的参考价值和较强的普适性。
目前，机电安装工程中使用的支吊架体系主要包括2种：柔性支吊架体系与刚性支吊架体系。无论机电安装中使用柔性支吊架体系或刚性支吊架体系，均可按照本文提出的设计原则进行设计。
1.1 柔性支吊架体系
该体系中滑动支吊架为柔性支吊架，固定支吊架为刚性支吊架。柔性支吊架与结构之间连接支座为铰接，产生剪力及拉力的作用，不产生弯矩，在管道系统运行过程中柔性支吊架只承受管道竖向荷载，不承受水平荷载。
柔性支吊架体系中，管道系统运行的过程中，假设某一个固定支吊架存在质量问题，对于整个管道系统来说都会出现较严重的破坏，从而导致整个系统被破坏，直接造成严重的损失，甚至是人员的伤亡。
1.2 刚性支吊架体系
该体系中的支吊架均为刚性支吊架，刚性支吊架与结构支架的连接支座为固端，其垂直方向受力为管道的竖向荷载，其水平方向受力为受荷范围内的管道运行时产生的摩擦力与水平荷载。因此，支吊架不仅承受管道的质量，还要承受水平摩擦力的质量，同时立杆承受水平力产生的弯矩影响。体系中的支座为固定支座，产生剪力、拉力及弯矩作用。
刚性支吊架体系中，每个滑动支吊架均承担相应的力，荷载分布均匀，不会出现因为极少数支吊架存在质量问题而导致大面积管道系统支撑体系破坏的情况。
2.1 滑动支吊架设计原则
2.1.1 管道的最大安装间距要求
在给排水、通风空调等施工设计相关规范中均对管道支吊架的最大设置间距进行了规定，本文仅以通风空调专业的钢管道支架举例。
2.1.2 滑动支吊架间距注意事项
1）支吊架间距设计必须遵循最大间距排布要求，排布间距可以小于最大间距要求，但不能超出最大间距要求。
2）不同管径管道布置在同一个支吊架体系内时，支吊架布置间距应按最小管径要求进行布置；
此外，也可为小管径管道单独增设支吊架。
3）结构楼板厚度小于120 mm时，支吊架尽量布置在梁侧。
4）支吊架设置在楼板下，楼板厚度应不小于2倍机械锚栓的有效深度，否则应采用对穿的形式进行连接。
2.2 固定支吊架间距设计原则
2.2.1 固定支吊架间距设计总原则
1）管道变形与管道直径没有关系。
2）由于钢材线膨胀系数为常数，可知管道的热伸长与管道的温差成正相关关系。
2.2.2 温度补偿器处两端固定支吊架设计原则
1）应满足上述固定支吊架间距设计总原则，管道的热补偿量应控制在40 mm以内。
2）为保证管道系统运行安全可靠，在民用与公共房屋建筑中，有分支的长直管道的总长度应控制在50 m左右。
3）补偿器的补偿量应能够满足两固定支吊架之间管道变形量，一般选用的补偿器的额定补偿量为管道计算变形量的1.5倍。
4）固定支吊架与补偿器之间的距离应控制在4倍管道公称直径的范围内。
2.2.3 L形补偿两固定支吊架间距设计原则
1）L形补偿器管道允许最大长度。图1为管道L形补偿器固定支吊架设置示意，图中L1为长臂，L2为短臂。
图1 L形补偿支吊架设置示意
表1为不同管径下的L形补偿器常用的长短臂组合。2）L形补偿器固定支吊架布置要点。
① 在进行支吊架布置时，长臂与短臂的取值可参考表1。此外，长臂与短臂的比值应在现场条件允许的范围内取最小值。
表1 L形补偿器长短臂常用取值（管道温差为60 ℃）
② 当L形补偿器的夹角大于150°时，表1不再适用，长臂与短臂的设计取值应参考《实用供热空调设计手册》。
2.2.4 Z形补偿量固定支吊架间距设计原则
1）设计管道Z形补偿器时，应保证管道的补偿量控制在40 mm以内。
2）管道Z形补偿支吊架的设置如图2所示。其中，L1与L2的取值可参考表2中列出的不同管径下Z形补偿器常用L1＋L2、h的组合。3）当Z形补偿器的夹角大于150°时，表2不再适用，应参考《实用供热空调设计手册》进行设计取值。
图2 Z形补偿支吊架设置示意
表2 Z形补偿器长短臂常用取值（管道温差为60 ℃）
2.2.5 U形补偿量固定支吊架间距设计原则
14K206《金属管道补偿设计与选用》中明确规定了U形补偿器固定支吊架的设计原则，本文不再赘述。
2.3 导向支吊架间距设计原则
机电管道安装过程中，波纹补偿器和U形补偿器的两侧需要安装导向支架，以防止管道的非轴向位移对支吊架系统产生破坏。
2.3.1 波纹补偿器导向支吊架设置
14K206《金属管道补偿设计与选用》第28页明确规定了导向支吊架设置的要求：
1）第1导向支吊架距离波纹补偿器应不大于4倍管道公称直径。
2）第2导向支吊架距离第1导向支吊架应不大于14倍管道公称直径。
3）其他导向支架的安装距离按照图集中给出的表格进行设计。
2.3.2 U形补偿导向支吊架设置
14K206《金属管道补偿设计与选用》第15页明确规定了U形补偿器处导向支吊架设置要求：当管道长度大于给定数值或几根热力管道共架时，应在距外伸臂45倍公称直径处设置导向架，其直径以其中最大管径选取。
3.1 各类型钢特点
支吊架框架选型常用型钢特点及适用范围见表3。
表3 常用型钢特点及适用范围
3.2 截面选型计算依据
柔性支吊架体系中滑动支吊架的吊杆与横担的选型在各专业对应的图集中均有详细的介绍，本文不再赘述。
对于柔性支吊架体系中的固定支吊架与固定支吊架体系设计，钢材强度指标是支吊架截面选型重要依据。
GB 50017—2017《钢结构设计标准》表4.4.1指出，机电管线支吊架的框架钢材受力形式主要是抗拉、抗压、抗弯，在实际工程中机电管线支吊架钢材厚度小于16 mm，在进行框架内力验算后，其最大应力小于215 N/mm2，即满足要求。
无论采取软件计算还是人工计算，其计算结果满足上述结论即可。
对于混凝土结构支吊架生根有2种形式：后置锚栓、结构预埋件。
4.1 后置锚栓
4.1.1 锚栓的设计
机电安装支吊架后置锚栓建议使用膨胀锚栓，且为扭矩控制式锚栓。
锚栓长度选择：锚栓长度＝有效锚固长度＋垫片厚度＋锚栓螺母厚度＋外露2～3个丝扣长度。
4.1.2 锚栓锚固的要求
混凝土基材厚度应不小于2倍有效埋置深度，且混凝土基材厚度应大于100 mm。
4.1.3 锚板设计
1）锚板厚度。厚度取值参考JGJ 145—2013《混凝土结构后锚固技术规程》相关规定与机电管线支吊架锚板的受力特点，锚板厚度按照锚栓间距的1/8取值。
2）锚板孔径。锚板螺栓孔径需要比锚栓直径长1～3 mm，锚板开孔禁止开长圆孔。
3）锚板尺寸设计。锚板设计如图3所示。锚板设计包括对锚板的长度、宽度及厚度进行设计。其中，锚板宽度B＝c＋2d（建议c≥50 mm）；
锚板高度H＝c＋2d；
锚栓间距“b”的取值主要由支吊架框架吊杆的截面积决定；
锚板的厚度取值不宜小于锚栓间距b的1/8。
图3 锚板示意
4.2 结构预埋件
4.2.1 锚筋的设计
1）锚固长度。锚筋的锚固长度按式（2）计算。
2）钢筋锚固形式。如果直锚长度大于现场板厚度，可选择钢筋弯钩与机械锚固，其锚固长度为0.6倍的基本锚固长度，钢筋锚固示意如图4所示。
4.2.2 锚板的设计
1）锚板长、宽。最外层锚筋中心到锚板边缘的距离c
应大于2d（d为锚筋直径）或20 mm；
锚板宽度B≥2c＋横向锚筋总间距；
锚板高度H≥2c＋纵向锚筋总间距。锚板设计如图5所示。
图5 预埋件锚板示意
2）锚板厚度。锚板厚度应不小于锚筋直径的0.6倍，受拉和受弯预埋件的锚板厚度应大于b/8（b为锚筋间距）。
将本文提出的计算方法与设计原则应用于实际工程中，可为支吊架设计、计算及选型提供依据。目前，该技术已在多个项目中进行了实践应用，并已证实在管道运行过程中，支吊架未产生异常，管道系统运行情况良好。因此，本文提出的机电管线支吊架设计方法与原则具有较强的工程实用性，可供业内人士参考，并在相关工程施工时使用。
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