摘　要：结合实际工程，简化计算时热力管道固定支架整体受力安全的前提下，应用有限元方法对隧道内水平推力和重力荷载单独作用及综合作用下的热力管道固定支架进行了受力分析研究。在结构方案设计阶段，简化计算是非常必要的；大管径、大推力的管道固定支架宜采用斜支撑等轴心受力构件支撑体系；钢结构焊接节点中应避免出现人工缝；不易简化的复杂结构或不成熟的节点构造，应借助实验或有限元进行分析。

关键词：热力管道；  支架设计；  有限元分析；  水平推力；  支撑体系；  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

对热力管道而言，管道固定支架受力分析与计算是供热系统安全运行的重要保障。但是，管网在运行过程中，爆管、管道开裂等事故时有发生，其中相当一部分是由管道设计者对管道固定支架的受力分析计算以及强度校核不准确引起的。在工程设计中，管道受力分析主要解决管道的强度、刚度等问题，为管道布置、安装、配置提供科学依据，但这些都是建立在管道固定支架可靠的基础上[1]。

热网中热力管道的敷设方式有地上敷设、管沟敷设和直埋敷设3种。近几十年来，直埋敷设因施工速度快、占地少、保温性好等优点广泛应用于热水供热管网中。因此，对于直埋管道支墩受力分析与计算的研究，国内外已经取得很多的成果[2-5]。对于地上敷设管道固定支架的受力分析与计算，虽然研究得更多、更早，但几乎都是早期的研究成果，且由于理论相对比较成熟，所以近几年的发展相对缓慢[6]。

国内已实施的在通行管沟内架空敷设热力管道工程，其管道公称直径不大于1000mm，管道固定支架水平推力不超过2000kN。关于隧道内的大管径、大推力的管道固定支架的研究尚属空白。本文结合古交兴能电厂至太原供热主管道及中继能源站工程，分析研究隧道内巨大水平推力热力管道固定支架设计方法。该项目中热力供水管道固定支架承受水平推力达7500kN，管道固定支架的结构形式、管道与支架的连接节点、支架与隧道的连接、支架在隧道内的锚固生根等都是亟待解决的技术难题。在充分保证管道运行安全的基础上，最大可能地充分利用管道自身的强度特点，采用合理的结构体系和细部构造，减少造价，确保集中供热安全、经济、高效，为其他管道固定支架设计提供参考。

2　项目概况

古交兴能电厂至太原供热主管道及中继能源站工程总造价近40×108元，热源来自山西省古交兴能电厂，受热地点为太原市，供热系统设计供热规模为7600×104m2，供热管线全长80km。结合该工程的实际情况，主管道敷设方式分别采用直埋敷设、野外架空敷设及隧道内架空敷设，其中隧道内架空敷设约15.4km。隧道热力管道断面及管道固定支架结构设计见图1，共敷设四根DN 1400mm热力管道，根据隧道的对称结构特点，两侧管道固定支架也对称布置，上部两根供水管，下部两根回水管，上层供水管的管道固定支架沿管道长度方向推力巨大，达到7500kN，离隧道壁远，固定困难，是本文研究的重点。

3　管道固定支架设计方案研究

隧道内支架间距25m，供水管道的折算重力荷载为34.8kN／m。考虑到隧道内施工空间狭小，隧道长度超过10km，为方便施工安装，管道固定支架采用钢结构，隧道外制作，运输就位焊接安装。为了保证管道固定支架的安全，必须采用受力清晰、传力路径明确的设计方案。在设计方案阶段，对复杂结构的简化是非常重要的，经过理论分析和初步研究，设计管道固定支架上、下、侧面固定于隧道二衬上，与预埋件焊接，连接节点及预埋件按固结计算及构造。隧道一衬二衬局部环状加厚，与岩体形成环状顶推面，以承受管道纵向推力。由于水平推力巨大，如果仅采用主立柱受弯来承受水平推力，一方面该立柱截面太大，另一方面材料强度得不到充分利用，浪费材料。立柱设计方案中加入支撑体系。在立柱沿管道纵向设米字形支撑，形成轴心受力体系。支撑按轴心受力构件设计，为了安全起见，支架与隧道连接节点分别按铰接和刚接计算两次，取不利结果设计构件和焊缝。斜支撑主要承受水平推力，立柱主要承受重力荷载。管道与支架连接采用环状加劲肋板底板构造，保证沿管道周长均衡传递水平推力。经过简化计算分析，构件的设计数据见图1(单位mm)。加劲肋板及其底板初步选16mm厚钢板，钢材支架选用Q345B，DN 1400mm热力管道钢材为L290。

4　有限元分析

采用有限元分析的方法对管道固定支架工作性能进行分析研究，主要侧重管道固定支架在均布重力荷载作用下和水平推力作用下各部分的受力情况。有限元分析采用ANSYS软件，有限元模型选用Shell181单元进行网格划分，网格划分尽可能采用矩形单元，角部、受力较大部位的网格进行细化。钢材的本构关系采用理想的双线性模型，用以反映钢材屈服、构件变形等非线性特性。钢材的屈服强度根据材料实验或钢材标号进行选取。泊松比根据规范取0.3。有限元模型考虑加劲肋板底板和横梁立柱之间的接触，采用目标单元TARGE170和接触单元CONTA173模拟，摩擦系数取0.4。受力分析时的计算单元将管道从两支架中间截断，立柱和横梁与隧道的连接均设为固定连接，由于计算单元管道两端的约束与等跨连续梁跨中情况类似，可以沿管道长度方向移动，可以垂直管道竖向移动，不能沿水平方向移动，不能转动。重力荷载均匀加到管道划分的网格节点上，水平推力均匀施加在管道的右端。有限元模型见图2。

①重力荷载作用

重力荷载作用下管道受力模型是多跨连续梁，这一点有限元分析结果与简化计算时的分析一致，管道应力云图见图3(数据轴的单位均为Pa，数据中的．表示小数点，每种颜色均表示一个数据范围，以下各图情况均与此相同)，最大应力出现在支座上部，约32.9MPa，远小于设计强度290MPa，满足GB 50017—2003《钢结构设计规范》(以下简称GB 50017—2003)的要求。立柱和横梁为H型钢弱轴受弯，最大应力在上部横梁中部，Mises应力为38.0MPa，见图4。斜支撑受力很小，见图5，与之前的分析结果一致，这是由于重力主要由立柱承担。加劲肋板及底板简化计算比较困难，有限元分析结果见图6，重力荷载作用下加劲肋板及底板应力不大，应力集中加劲肋板尖端为306MPa(由于极少量网格数据能呈现该值，在图中无法显示)。

②水平推力作用

水平推力作用下管道受力模型是轴心受压构件，与简化计算方式的分析一致，管道应力云图见图7。水平推力作用部分管道，应力大部分在100MPa左右，在与加劲肋板和底板连接的部位由于局部弯曲的作用，应力突然增大，最大值约217MPa，满足GB 50017—2003的要求。对受拉侧，立柱和横梁为H型钢强轴受弯，在整体弯矩作用下立柱和横梁应力并不大，约100MPa。受拉侧翼缘Mises应力见图8，由于加劲肋板边缘与立柱和横梁翼缘焊接，局部弯矩作用下等效应力会达到314MPa，略超出了设计强度上限。受压侧翼缘Mises应力见图9，在整体弯矩作用下立柱和横梁应力也不大，约100Mpa，但在局部弯矩作用下，等效应力会达到350MPa，超出了设计强度上限。斜支撑Mises应力见图10，有限元结果与设计简化分析结果基本一致，大部分小于50MPa，但与立柱连接处有应力集中，应注意加强焊缝的延性处理。加劲肋板及底板有限元分析结果见图11，可以看出在局部荷载作用下，底板等效应力会达到350MPa，超出了设计强度上限，应加厚。

③综合受力分析

重力载荷和水平推力共同作用下管道受力模型是压弯构件，管道应力云图见图12。水平推力作用部分管道，应力大部分在100MPa左右，在与加劲肋板和底板连接的部位由于局部弯曲的作用，应力突然增大，最大值213MPa，满足GB 50017—2003的要求。对受拉侧，在整体弯矩作用下立柱和横梁应力并不大，约100MPa。受拉侧翼缘Mises应力见图13，由于加劲肋板边缘与立柱和横梁翼缘焊接，局部弯矩作用下等效应力会达到350MPa，略超出了设计强度上限。受压侧翼缘Mises应力见图14，在整体弯矩作用下立柱和横梁应力也不大，约100MPa，但在局部荷载作用下，等效应力会达到350MPa，超出了设计强度上限。斜支撑受力见图15，有限元结果与设计简化分析结果基本一致，大部分小于50MPa，但与立柱连接处有应力集中，应注意加强焊缝的延性处理。加劲肋板及底板有限元分析结果见图16，可以看出在局部荷载作用下，底板等效应力会达到350MPa，超出了设计强度上限，应加厚。

5　设计方案改进

①去掉焊缝加承托角钢

有限元研究结果发现，受拉侧加劲肋板底板与立柱横梁翼缘焊接容易造成局部弯矩作用下破坏。而且这种情况也会形成人工缝，见图17a。从断裂力学角度看，如果焊接材料塑性较差，在拉力作用下，在人工缝处产生应力集中，会使该裂缝扩大，极易造成脆性破坏。可采取去掉焊缝，沿加肋底板边缘加承托角钢的措施，见图17b，受压侧也做类似修改。

②底板加厚

加劲肋板部分简化计算比较困难，有限元研究发现，在水平推力单独作用及重力与水平推力共同作用时，16mm厚底板不能满足强度要求。经进一步有限元分析，底板厚度增加到22mm。底板加厚，刚度提高，会减小立柱横梁翼缘局部应力。

③立柱和横梁翼缘加厚

由文中分析可以看出，右侧立柱和上部横梁翼缘厚度不足，经有限元分析后，由16mm加厚到20mm。

6　结论

①在结构方案的设计阶段，简化计算仍然具有不可替代的意义。设计者应具备比较清楚的受力概念。

②大管径、大推力的管道固定支架的设计方案应避免采用大跨度受弯构件来抵抗水平推力，宜采用桁架或支撑等轴心受力构件，这样既能提高强度和刚度，也能节约材料。

③钢结构焊接节点中应避免出现人工缝。

④不易简化复杂结构或不成熟的节点构造，应借助实验或有限元进行分析，确保结构整体安全。

参考文献：

[1]姜方．大管径直埋热力管道在实际工程中应力分析(顶士学位论文)[D]．西安：长安大学，2014：1-5．

[2]刘伟．直埋敷设热力管道应力分析与受力计算(硕士学位论文)[D]．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007：3-5．

[3]高强．供热直埋管道固定墩受力分析(硕士学位论文)[D]．太原：太原理工大学，2011：1-13．

[4]刘敏．热力管道固定支墩的设计[J]．煤气与热力，2004，24(2)：91-93．

[5]郭瑞平，陈枪李，广信．直埋热力管道固定支墩的受力优化研究[J]．土木工程学报，l996，29(3)：73-79．

[6]王秀全．地上和管沟敷设热力管道的受力分析与计算(硕士学位论文)[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007：2-105．

本文作者：白旭峰  孟昭辉  刘洪波  苏晓果

作者单位：中国市政工程华北设计研究总院有限公司

  黑龙江大学建筑工程学院