1

水管的垂直荷载

水管的垂直荷载为水管的自重及满水状态下水管内水的重量，由此可计算：

G=(Gm+Gw)×1.2=ρmg(So-Si)ΔL+ρwgSiΔL=πgΔL[ρmRo2-(ρm-ρw) Ri2]               (式1.1)

式中：ρm为管道材质密度；

ρw为水的密度，1.0×103kg/m3;

So为管道外径；

Si为管道内径；

ΔL为支架承担管段长度。

2

风管的垂直荷载

风管的垂直荷载主要为风管的铁皮、法兰及保温等附件重量

3

4

桥架的垂直荷载

桥架的垂直荷载为桥架自身重量与桥架内承担电缆、电线的重量。

ΔL的确定

根据各项目管道支架间距的不同，ΔL的取值也不同，一般为两个管道固定支架的间距，不得大于规范限定的最大值。

图1.4 ΔL的取值示意

1

普通固定支架水平推力计算

普通固定支架水平推力主要来自管道摩擦力，吊杆水平推力可忽略：

水平推力=管道摩擦力F=μG   (式1.2)

式中：μ为摩擦系数，钢材与钢材摩擦取0.3，钢材与混凝土摩擦取0.6；

G为管道垂直荷载。

2

设置补偿器的管道水平推力计算

采用补偿器补偿的管道，其作用在固定管架上的水平推力为补偿器被压缩或拉伸所产生的反弹力。

水平推力=补偿器反弹力T=ηΔL (式1.3)

式中：η为补偿器的弹性模量；

ΔL为补偿器发生的变形长度。

采用自然补偿的管道，是利用管道的自然弯曲形状所具有的柔性以补偿管道的热胀和冷缩位移，如图1.5所示：

图1.5管道补偿器及自动补偿工作示意

固定支架变形管道长度为L，补偿臂管道长为Lb

管道安装温度按t1℃考虑，管道工作温度为t2℃，故钢管材质的管道会在温度变化下缩短：

ΔL=α×ΔT×L                      (式1.4)

式中：α为钢管的线膨胀系数；

ΔT 为温差；

L为固定支架变形管道长度。

故作用在管道补偿上的推力为：

T=3ΔLEI/Lb3                    (式1.5)

式中：E为管道的弹性模量；

I为管道的惯性矩；

Lb为补偿臂管道长。

1

水管荷载计算

●垂直荷载

根据式1.1用excel制作满水水管质量计算表格，可以方便快速的计算管道满水重量，从而得出水管垂直计算荷载G=2600N，如图2.3所示：

图2.3 水管垂直计算荷载表格计算结果

●水平荷载

由于该管道为消防喷淋管道，根据式1.2计算可得管道水平荷载为：

F=μG=0.3×2600=780N

2

桥架荷载计算

由于该处界面主要为弱电桥架，与弱电专业沟通桥架内敷设线缆较少，暂按桥架重量的1.2倍估算桥架及线缆整体重量，算的荷载分别为560N、680N、450N。其他类型桥架重量计算需和专业电气工长沟通配合确保准确。

3

风管荷载计算

根据五金手册查得数据计算风管重量得风管垂直荷载为1020N。

图2.4 五金手册查询板材数据

根据《JGJ141-2004通风管道技术规程》，风管吊架荷载受力如图2.5所示：

图2.5 《JGJ141-2004通风管道技术规程》中风管吊架荷载分布图

图中：y—吊架挠度(mm)；

P—风管、保温及附件总重 ( kg)；

P1—保温材料及附件重量 ( kg)；

a—吊架与风管壁间距(mm)；

L—吊架有效长度(mm)；

最终得到联合支架受力图如下：

图2.6 联合支架受力分析图

各荷载与联合支架的相对位置如下图所示：

图2.7 垂直荷载与联合支架相对位置示意图

1

横担计算

根据力系简化结果，采用Msteel工具箱中的“连续梁计算”进行计算。由于综合支架是通过膨胀螺栓固定在梁上，所以梁两端采用铰支。首先计算上面横担受力情况：

图2.8 Msteel连续梁计算界面

●梁跨输入跨度：0.97m。梁跨即支架横担长度，设计长度为0.97m。

图2.9 梁跨输入界面

●选取截面：选择40X4等肢角钢，先以40×4等肢角钢进行受力分析。

图2.10 截面选取界面

如图2.10所示，能清晰看见40X4等肢角钢的截面参数。

●计算整体稳定系数

Msteel插件对工字形截面、槽钢可自动计算稳定系数，对闭合截面(圆管、方管、箱形截面)稳定系数按规范取为1.0(对话框内不再输入)，其余截面稳定系数自行输入；等肢角钢的整体稳定系数的计算过程示例如下：

①根据《钢结构设计规范》GB50017-2014，确定等肢角钢为b类截面轴心受压构件:

图2.11 钢结构规范中对截面轴心受压构件分类

②根据附表《钢结构--截面形心受压稳定系数》，查询b类截面轴心受压构件整体稳定系数:

图2.12 钢结构设计规范中b类截面轴心受压构件稳定系数表

其中通过

的计算值查表得到整体稳定系数φ：

λ ：构件在弯矩作用平面内的长细比

fy：钢材抗弯强度设计值

φ：轴心受压构件稳定系数

(注：第一列代表十位及百位数字，第一行代表各位数字。比如长细比如果是23，那就对应第三行，第四列的数，即0.938。)

(i)计算构件长细比：

长细比是指杆件的计算长度与杆件截面的回转半径之比，杆件的计算长度即是计算横担长度，回转半径是个材料力学概念，可根据Msteel插件中材料界面力学属性获知。

λ=L/ix                     (式2.1)

查得40X4等肢角钢的回转半径是：

ix=iy=12.2

横担计算长度L=0.97m=970mm(即支架计算横担长度)

算的40X4等肢角钢长细比=970/12.2≈80

(ii)计算钢材抗弯强度设计值：

根据《钢结构设计规范》查得40X4等肢角钢的抗弯强度设计值为215N/mm2

图2.13 钢结构设计规范中钢材强度设计值

(注：尺寸越小，强度越大。这和加工工艺有关，一般来讲，尺寸越小的钢带或钢丝，其工艺也复杂，需要加工次数越多，碾压次数越多，表现出来的刚度就越大，及弹性模量越大、抗拉强度也越大。)

由此，代入钢结构--截面形心受压稳定系数附表计算式：

故查询上表得到整体稳定系数φ=0.688

●在Msteel软件中输入稳定系数值

图2.14 稳定系数输入界面

●荷载输入及计算

根据横担上的受力位置添加荷载：

图2.15 荷载输入界面

为提高上限，受压横担自重放大系数1.2，最后点击计算，点击计算书得到弯矩、剪力、挠度、支座反力和验算结果。

图2.16 全部参数输入完成界面

图2.17 Msteel自动导出计算书

由计算书可得结论：使用40×4等肢角钢时正应力超限，稳定应力超限，不满足要求。重新选取5#槽钢，重复以上步骤。

图2.18 重新选取5#槽钢

其中5#槽钢能自动计算稳定系数，所以只需要填写受压翼缘自由长度：0.97m。受压翼缘自由长度是指侧向约束点之间的距离。计算结论如下：

满足条件，所以横担选择采用5#槽钢。

同理得到支撑风管的横担采用40X4等肢角钢。

2

立杆强度验算

●立杆垂直荷载计算校核

根据图2.12钢材强度设计值，乘以钢材截面积计算可得：

30X3等肢角钢的抗弯、抗拉和抗压强度值约为36000N；

40X4等肢角钢的抗弯、抗拉和抗压强度值约为65000N；

50X5等肢角钢的抗弯、抗拉和抗压强度值约为102000N；

且根据正应力计算公式：

σ=G/A                         (式2.2)

式中：G为拉杆所承担最大重力；

A为拉杆的截面积。

可得：

30X3等肢角钢：σ=(2600+560+680+450+510+510)/175 =30.3MPa<210MPa

40 X4等肢角钢：σ=(2600+560+680+450+510+510)/309=17.2 MPa<210MPa

50X5等肢角钢：σ=(2600+560+680+450+510+510)/480=11.1 MPa<210MPa

均符合抗拉强度设计。

为使提高焊接质量，同时有效降低蠕变，立杆选取50X5等肢角钢，完全符合要求。(蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。它与塑性变形不同，塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限施加的力时也能出现。)

●立杆水平荷载计算校核

由受力模型简化可得，立杆水平荷载计算可按照一端固定的杆件弯曲计算。采用Msteel工具箱连续梁工具按照一端固定支座，一端自由的悬臂梁进行计算校核。

由式1.2水平推力计算式得：

联合支架受到的水平推力：F=μG=2600X0.3=780N

由式2.1长细比λ计算式得：

长细比=470/15.3≈31

查图2.12 钢结构设计规范中b类截面轴心受压构件稳定系数表得稳定系数φ=0.961。然后在MSteel上输入参数，进行计算。

图2.20 参数设定完成界面

图2.21 单元验算结果

由计算书可得，50X5等肢角钢满足校核要求。

3

选取膨胀螺栓

由于该联合支架承担管线不多，重量不重，每根立杆采用2颗螺栓进行梁上固定。其中各螺栓所受剪力为：G/4=(2600+560+680+450+510+510)/4=1327.5N。根据《2016年最新国标膨胀螺栓规格表》可知，M8及以上型号螺栓即可满足条件。

图2.22 螺栓选取表

4

绘制综合支架剖面图

根据以上计算和校核结果，按照实际选用型钢实际长度和宽度绘制联合支架加工图，与结构复核后，交由现场加工及安装。

图2.23 联合支架加工图

1

质量保障措施

a)  所有进场材料全部进行验收，从材料源头开始控制质量，杜绝使用不合格产品；

b)  所有焊工实名制管理，确保每道焊缝合格，对于焊缝全数检查；

c)  支架所有焊缝采用专职焊工焊接，对于焊缝进行防腐处理。

2

成品保护措施

所有材料堆放于干燥、干净的场地，防止腐蚀。

3

安全保障措施

a) 现场必须正确佩戴安全帽，高空作业必须正确佩带安全带，脚手架、施工吊架搭设验收合格，严禁酒后进入施工现场作业，施工负责人对施工人员做好相关应急工作。

b) 管道吊装所用绳索、葫芦及其他工具，在使用前一定检查合格，存在安全隐患的禁止使用。

c) 在梁上部临时设置的吊装点一定要焊接牢固，吊装前要有专人检查，才能使用。

d)  吊装管道时要有足够的人手，不能盲目施工，现场要有专人负责指挥，起吊速度不宜过快，确保吊装安全顺利进行。

e)  特殊工种必须有操作证件，当现场进行电气焊作业时，操作人员必须对现场周围进行检查是否存在易燃易爆物品，如果存在不安全因素，应采取相应的保护措施，移动可燃物品隔离，设专业人员携带干粉灭火器监护。