供熱管道超大鋼桁架變形分析

劉世宇

(中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司第六設(shè)計研究院，天津300381)

1 工程概況

供熱管道穿越地形復(fù)雜地區(qū)，有時需借助鋼結(jié)構(gòu)桁架，完成供熱管道的敷設(shè)。在供暖、非供暖期，溫度差會使鋼桁架產(chǎn)生變形。此外，供熱管道于固定節(jié)處對桁架的推力也會使桁架產(chǎn)生變形。本文以太原古交長距離輸送供熱管道中采用的超大鋼桁架為例，分析鋼桁架變形。供熱管道全長37.8 km，由中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司設(shè)計，已投入使用約2 a，運行正常。

太原古交長距離輸送供熱管道，敷設(shè)4根DN1 400 mm管道，其中2#泵站出口至1#隧道西口段，多次穿越汾河，1次穿越高速公路，地形復(fù)雜，不利于開挖直埋，宜按架空桁架設(shè)計。該桁架具有以下特點：

① 距離長：總體長約1.3 km，中間局部地勢較高處設(shè)有混凝土低支架，長約100 m，其余部分為鋼結(jié)構(gòu)桁架。

② 截面大：桁架設(shè)計需要保證供熱管道從隧道內(nèi)到架空處平穩(wěn)過渡，同時做到從隧道到鋼桁架通車無阻礙，桁架需與隧道等寬，高度允許檢修車輛通過。桁架斷面寬×高為12 m×5.8 m，中間4 m寬行車道，兩側(cè)各敷設(shè)1根供水管和1根回水管。

③ 荷載大：桁架上敷設(shè)4根DN 1 400 mm供熱管道(2根供水管、2根回水管)，同時允許檢修車輛通過，則桁架需承受管道荷載(重力、推力)、車輛荷載(重力、沖擊力、制動力)等。本文僅分析固定節(jié)處推力。

大管徑供熱管道其固定節(jié)推力一般較大，推力傳遞至桁架，桁架再傳遞至下方混凝土支架。如果推力僅依靠混凝土支架來承擔(dān)，高架空的桁架會對支架產(chǎn)生很大彎矩，支架就會非常笨重。本項目利用山體做桁架固定端，鋼桁架與混凝土支架之間允許滑動，將桁架水平受力引向山體，有效抵抗了水平方向的大推力。

2 桁架變形分析與計算

2.1 鋼桁架變形分析的重要性

鋼桁架允許在混凝土支架上滑動，桁架連接山體的固定端不動，則另一自由端可發(fā)生變形移動。鋼桁架各種原因形成的變形會直接影響到各榀桁架是否碰撞、擠壓。因此，詳細計算變形量，分析變形結(jié)果，對保證供熱安全尤為重要。

2.2 影響桁架變形的因素

① 管道于固定節(jié)處對桁架產(chǎn)生推力，使桁架發(fā)生變形。 供暖季節(jié)，管道溫度升高，內(nèi)外溫差使管道產(chǎn)生變形，對桁架產(chǎn)生推力。固定節(jié)推力數(shù)據(jù)由供熱工藝專業(yè)根據(jù)管道模型計算結(jié)果提供。

② 季節(jié)溫度變化引起的桁架變形。太原市最高氣溫為34 ℃，冬季室外最低氣溫-16 ℃，桁架施工期溫度以20 ℃為宜?？紤]施工季節(jié)不確定性，以及近年溫度極限變化影響，本文取35 ℃溫差計算。

2.3 鋼桁架布置形式

對于1.3 km長的鋼桁架，考慮鋼材易變形的特性，本設(shè)計將其分段，每段長約100 m，各分段間留有100 mm長伸縮縫。桁架下方支撐為混凝土支架，桁架可在支架處滑動。考慮到桁架承受重載及豎向變形限制，支架間距約25 m。

為便于說明，本文只取鋼桁架HJ-1、HJ-2、HJ-3為例進行變形分析(其長度分別為100 m、60 m、105 m)，桁架平面圖見圖1，圖1中的尺寸單位為m。

圖1 桁架平面圖

2.4 鋼桁架變形計算

在供暖季節(jié)，鋼桁架遇冷收縮變形，供回水管道升溫膨脹變形。由于回水管道設(shè)計溫度為30 ℃，對桁架水平變形影響不大，本文僅分析供水管道。

桁架、管道立面對應(yīng)關(guān)系見圖2，圖2中的尺寸單位為m。

圖2 桁架、管道立面對應(yīng)關(guān)系

桁架上D、G點為管道固定節(jié)，在此處管道與桁架剛性連接，無相對位移，其余管道與桁架連接部分均為滑動支座，圖2中未表示。桁架可在下方混凝土支架沿管道方向滑動，圖2中支架用△表示。固定節(jié)D、G處，供熱工藝專業(yè)提供的推力數(shù)據(jù)分別為1 500 kN、-900 kN 。推力方向的規(guī)定為：向西為“-”，向東為“+”。對于桁架變形方向，本文規(guī)定為：向西為“-”，向東為“+”。

2.4.1 桁架HJ-1變形計算

桁架HJ-1長度為100 m，西側(cè)為隧道固定端，東側(cè)為滑動端，只能向東側(cè)變形。

由季節(jié)溫差產(chǎn)生的變形量按式(1)計算。

ΔlT=αlΔtl

(1)

式中 ΔlT——由環(huán)境溫度變化引起的桁架變形量,mm

αl——鋼材線膨脹系數(shù)，K-1,為12×10-6K-1

Δt——季節(jié)溫差，℃，取35 ℃

l——每1榀桁架的長度，mm，對于桁架HJ-1，為100×103mm

由公式(1)計算得到,再考慮變形方向后，由環(huán)境溫度變化引起的桁架HJ-1的變形量為-42 mm，即桁架HJ-1的東端向西移動42 mm。

由固定節(jié)推力產(chǎn)生的桁架變形量按式(2)計算。

(2)

式中 ΔlF——由固定節(jié)推力產(chǎn)生的桁架變形量，mm

F——桁架于固定節(jié)處受到的推力，N，對于桁架HJ-1為1 500×103N

L——桁架受固定節(jié)推力影響范圍的長度，為管道固定節(jié)到桁架固定端的長度，mm，對于桁架HJ-1為95×103mm

E——鋼材彈性模量，N/mm2,為206×103N/mm2

A——桁架橫斷面主受力構(gòu)件面積之和，mm2

本工程的桁架主要由6根H型鋼構(gòu)成，型號為HW 300×300和 HW 500×300。對于桁架HJ-1，其橫斷面主受力構(gòu)件面積之和A為0.08×106mm2。

由公式(2)計算得到，由固定節(jié)推力產(chǎn)生的桁架HJ-1的變形量為8.6 mm。

以上兩個因素綜合作用的結(jié)果是，D點向西移動，桁架HJ-1收縮變形，考慮到D點距桁架西端95 m，D點變形量為-31.3 mm。

2.4.2 桁架HJ-2變形計算

桁架HJ-2為兩端滑動桁架，無固定點，兩端可自由變形。該桁架長度為60 m，僅產(chǎn)生季節(jié)溫差變形，由公式(1)計算得到其變形量為25 mm。 單側(cè)變形量僅為12.5 mm。

2.4.3 桁架HJ-3變形計算

桁架HJ-3長度為105 m，西側(cè)為滑動端，東側(cè)連接混凝土低支架，為固定端，該桁架只能在西側(cè)變形。由公式(1)計算得到,由環(huán)境溫度變化引起的桁架HJ-3的變形量為44 mm。

固定節(jié)推力為-900 ×103N，在該桁架作用范圍長度為65 m，由公式(2)計算得到，由固定節(jié)推力產(chǎn)生的桁架HJ-3的變形量為-3.5 mm。

以上兩個因素綜合作用的結(jié)果是，E點向東移動，桁架HJ-3收縮變形，E點變形量為40.5 mm。

2.4.4 桁架變形數(shù)據(jù)匯總

桁架變形數(shù)據(jù)匯總見表1。

表1 桁架變形數(shù)據(jù)匯總

由表1可得，桁架HJ-1活動端向西移動，桁架HJ-2兩端均向其中點移動，桁架HJ-3活動端向東移動，桁架之間不會碰撞、擠壓?？梢姡旒茏冃瘟吭诎踩秶鷥?nèi)。

比較推力產(chǎn)生的變形、季節(jié)溫差產(chǎn)生的變形可知，后者偏大，說明供熱管道產(chǎn)生的推力對桁架變形影響比較小，桁架變形是以季節(jié)溫度變化影響為主的。

2.5 利用邁達斯軟件計算鋼桁架變形量

2.5.1 模型建立

不考慮管道固定節(jié)推力，而是將管道與桁架作為整體建立模型，定義工況的溫度變化，僅分析桁架HJ-1、HJ-3(HJ-2無固定節(jié)，不做分析)，桁架、管道整體簡圖見圖3。模型建立初始溫度設(shè)置為20 ℃。

圖3 桁架、管道整體模型簡圖(軟件截圖)

①B、F點為補償器，管道在此處斷開，端頭節(jié)點定義彈性連接，輸入彈性剛度3 121 N/mm。

②D、G點為管道固定節(jié)，采用增加斜支撐方式，保證桁架與管道的剛性連接。

③C、H點為桁架固定端，定義此處無位移。

④ 在靜力荷載工況中，只定義了單元溫度荷載，桁架工作溫度為-15 ℃，供水管工作溫度為130 ℃。

⑤ 管道尺寸、重量、桁架型鋼材料、節(jié)點等內(nèi)容，均與設(shè)計一致。

2.5.2 軟件計算結(jié)果

采用上述桁架、管道整體模型計算得到桁架的變形結(jié)果，見圖4。

圖4 桁架、管道變形圖(軟件截圖)

在每個節(jié)點處，取桁架橫截面6根主梁單元的變形量平均值，作為該節(jié)點變形量，見表2。

2.6 兩種方法計算結(jié)果分析

與第2.4節(jié)的計算結(jié)果相比，邁達斯軟件建立的整體模型所計算出的節(jié)點變形量更小，變形方向一致。

表2 整體模型變形量

3 結(jié)語

供熱管道的推力對桁架變形影響較小，桁架變形以季節(jié)溫差產(chǎn)生的熱脹冷縮變形為主；力學(xué)公式、邁達斯軟件兩種方法得出的變形方向一致，邁達斯軟件方法的變形量較小。