管道在熱態下工作時,由于熱脹的作用,管系中各承重點的基本荷載不僅會發生再分配,同時還將使約束位移的支承點遭受位移荷載,即對管系重直位移有阻礙的支承點將承受重直位移荷載,對管道水平位移有陽礙的支承點(如固定支架、止推支架、導向支架等)和端點(如與設備的連接點等),將承受水平位移荷載,在各滑動支架處,由于管道與支架之間存在相對運動,因此還會產生摩擦力,也就是說,此類支架還將承受摩擦力,除此之外,對某些形式的支架和邊界條件,它還將承受彎矩荷載。
1. 位移荷載的計算
工程上常見的一些形狀簡單的管系,如II形補償器、L形管道等,一些手冊或專著中給出了簡單的近似計算公式,或列成了圖表形式,設計人員可視管系的具體情況,或采取簡單計算法,或采取查閱圖表法,或采用計算機詳細分析法去求解管系對支承點或端點的位移荷載。
2. 摩擦力的計算
對于管系中的滑動承重支架,當管子在此處有位移時,其摩擦力是客觀存在的。管系中由于各承重點的摩擦力存在可使管系對固定端的水平位移荷載減少,但卻給本來不承受水平荷載的滑動承重支架添加了一個附加力。一般情況下,管系中的摩擦力要比水平位移荷載小得多,故在靜應力分析中,一般不計入摩擦力對水平位移荷載的影響,這樣得到的位移荷載偏大,使支承設計偏于保守。但在有些情況下,摩擦力給滑動承重支架添加的附加力是不可忽略的。例如,基本荷載較大的管道,或者多根管道集中并排布置時,都會對滑動承重支承件產生較大的附加力,此時在進行支吊架強度設計時應予考慮。
管道在滑動承重支架處的摩擦力與該點所承受的垂直荷載的大小成正比,力的方向與管道在該點的位移方向相反,即摩擦力可以用下式表示:
當管廊上某支承面同時支承數根管道時,熱管道因產生的摩擦力會推動支承梁沿管道的位移方向發生變形,而冷管道或位移量較小的管道會趨于阻止支承梁的這種變形,從而抵消了一部分熱管道的摩擦力。這種由于同一支承面上相鄰冷管道對熱管道的位移阻礙而使熱管道摩擦力減小的現象稱為管道的牽制。由于牽制作用而使摩擦力減小的幅度用牽制系數K表示。牽制系數的選取應符合下列原則:當某承重支承面并排敷設1~2根管道時,取;當某承重支承面并排敷設3根管道時,應按表9-10選取;當某承重支承面并排敷設4根及4根以上的管道時,牽制系數K應按圖9-63選取。
3. 短時作用荷載的計算
短時作用荷載包括風荷載、雪荷載、地震荷載、安全閥排放反力等。這些荷載雖然作用時間短,但有時可能產生較大的荷載值,故在支承件強度設計時應計入。考慮這些荷載同時出現的可能性很小,故工程上一般不同時計入,而是根據具體情況,計入其中的較大值。
a. 風荷載和雪荷載的計算 一般情況下,對于較大直徑的管道或并排多根敷設的管道才考慮風荷載和雪荷載的影響。風荷載及雪荷載可按GBJ9《建筑結構荷載規范》進行計算。
b. 地震荷載的計算 一般情況下,對于有地震設防要求的管道,才考慮地震荷載的作用。地震荷載可按SH3039《石油化工企業非埋地管道抗震設計通則》進行計算。
c. 安全閥排放反力的計算 對于裝有安全閥的管道支承點,才考慮安全閥排放反力的作用。安全閥排放反力可按SH 3037《石油化工企業管道支吊架設計規范》進行計算。