摘 要

　　改革开放后我国经济快速发展，随着集中供热事业的扩大，集中供暖越来越受到广大民众的欢迎，居民冬季用热为主的集中供暖面积在连年递增，已经成为主要一种供暖方式。集中供热作为城市公共服务功能中重要的一项工作，对人们的生产生活起着关键的作用，供热管道的受力分析和计算，为管道施工过程中提供技术支撑，保证了管道的安全，也为今后管道系统安全运行奠定了基础。因此，对供热管道系统的受力分析以及相关设计，就成为管道工程中必不可少的环节。本文主要是对供热管道系统的受力进行分析和并探讨，并提出一种设计方法，可用于管道支架、支座的计算与校核。

　　通过对供热管网的自然补偿、方形补偿器以及球型补偿器等多种类型的补偿形式进行了分析、研究，通过对自然补偿 L 型补偿进行受力分析，并且通过工程案例验证了 L形和 Z 形补偿器的短臂计算，方形补偿器和波纹补偿器的弹性力计算。通过计算及分析，对不同补偿器以及系统不同的补偿设计布局，进行了分析探讨。

　　通过对管道荷载进行分类和计算及活动支架在强度和刚度下间距的比较，优化管道支架及基础设计，并对供热管网的管道支架进行分类和受力分析，利用 MIDAS CIVIL 软件对固定支架和活动支架应力分析进行数值模拟，分析比较得出两者在相同荷载作用下其位移和弯矩是不同的。

　　通过对供热管道设计的优化，运用 MATLAB GUI 设计出两个图形用户界面，一个界面是管道补偿器的查询系统，通过在此系统中输入管径和补偿量等一些其他数据就可以得到 L 型补偿器短臂 L1 和单管方形补偿器 L 和 H 的长度及 L 型、Z 型、方形补偿器的弹性力，另一个界面是管道支架选型系统，在此系统中输入横梁长度、基本风压、标志高度等一些其他参数就可以得到管道活动支架、活动支架基础、固定支架和固定支架基础的型号，可供管道工程设计人员参考。

　　关键词: 供热管道；补偿器；支架；受力分析；软件。

　Abstract

　　Rapid economic development of our country after reform and opening-up, with the expanding of central heating, urban residents have few to purchase small heating equipmentheating installation, central heating, more and more get the welcome of the general public,especially in the northern urban residents, the urban central heating has become people's necessary a heating means, give priority to with residents with warm winter of central heating area is increasing in successive years, the central heating as the city's public service function in the important work, play a key role in people's production life, the force analysis and calculation of heating pipeline, provide technical support for pipeline construction process, to ensure the safety of the pipeline, It also lays a foundation for the safe operation of pipeline system in the future. Therefore, the force analysis and related design of the heating pipeline system become an essential part of pipeline engineering. This paper mainly analyzes the force of the heating pipeline system and discusses the optimization of the design scheme, and puts forward a design method for the calculation and verification of pipeline supports and supports.

　　Through natural compensation of heating pipe network, square compensator and spherical compensator, and other types of compensation form has carried on the analysis andstudy, through the stress analysis was carried out on the natural compensation L compensation,and is verified by engineering case L and Z compensator of the short arm calculation, square compensator and elastic force calculation of corrugated compensator. Through calculation and analysis, different compensator and different compensation design layout of the system are analyzed and discussed.

　　Through the pipe load classification and calculation and the legs in the comparison of strength and stiffness under spacing, to optimize the design of the pipe bracket and foundation,and classifying of heating pipe network pipeline stent and force analysis, using MIDAS CIVIL stress analysis software for fixed bracket and the legs are numerically simulated,comparative analysis it is concluded that under the same load both the displacement and bending moment is different.

　　Through the optimization of heat supply pipeline design, using MATLAB GUI to design two graphical user interface, a query interface is pipeline compensator system, through theinput pipe diameter and the amount of compensation in the system, such as some other data can be L compensator short arms L1 and single pipe square compensator and the length of the H and L, L, Z, elastic force of square compensator, another interface is pipe support selection system, the length of the input beam in this system, the basic wind pressure, height of logo can get some other parameters, such as pipeline activities support, support base, fixed bracket and fixed bracket base model, It can be used for reference by pipeline engineering designers.

　　Key words: heating pipes,compensator, bracket, force analysis,software.

第一章 绪 论

　　1.1、研究背景与研究目的和意义。

　　1.1.1、研究背景。

　　为节约能源，保护环境，促进生产，改善人民生活[1]，发展我国城镇集中供热事业，城市集中供热是国家节能减排战略的主要组成部分之一，并且集中供热有很多优势，城市集中供热管网系统[2]，将供热各环节有机结合在一起，实行统筹化管理，实现了热量利用率的最大化，以往很多地区到冬季采暖时都是通过燃烧煤炭获得热量，这种方式不但污染环境，而且对热能造成了很大的浪费，集中供热管网系统上线后，以往的用于排放废气费烟的大烟囱已被拆除，提升了环境质量，热量利用率也得到大幅提升，保障了小区 24 小时供暖水平，另外对供热管道系统的受力分析便于对供热质量进行管控提高集中供热工程设计水平，做到技术先进，经济合理，安全适用。

　　供热管网的建设、安全运行及维护都很重要。首先，管网是连接热源和热用户的唯一介质传媒通道，起着输送热量的作用。常规的热力管道敷设可分为有地上架空和地下直埋和地沟敷设。各自敷设方式的优缺点和受力特点如下：

　　架空敷设按照高度的不同，分为高管架敷设、中管架敷设和低管架敷设，多数用于城市边缘和地形复杂的工业厂区，优点是无需大面积开挖沟槽，施工周期短，不受地下水和湿陷性土层的影响，缺点是受风、雪荷载影响，支架承受的荷载分为垂直荷载、轴向水平荷载和横向水平荷载，垂直荷载包括管道、管道介质自重、冰雪和积灰荷载等，轴向水平荷载包括补偿器的反弹力、不平衡内压力和管道移动的摩擦反力，横向水平荷载主要是风荷载；地沟敷设按照地沟内人行通道的设置情况可分为通行地沟、半通行地沟和不通行地沟，一般用于不允许开挖、检修的路段，城市街道和居住区内，优点是能满足规划的要求，不影响城市美观，缺点是地沟内容易进水，成本高，维护量大；直埋敷设是将供热管道直接敷设于土壤中，也是目前最为常用的一种方式，优点是工程造价低，使用寿命长，施工周期短，维护量小，缺点是检修比较麻烦，管道对固定点的作用力包括管道热胀冷缩受约束产生的力、内压产生的不平衡力和活动端位移产生的力。

　　地上架空铺设，系统构造简单明了，出现故障时便于检修和维护，安全性良好。其管道的固定方式多采用固定支座或支架。补偿器依据管径及伸长量情况，可采用：自然补偿和方形补偿器，其特点为：自然补偿方式可以利用自身的弯曲管段来补偿管段的热伸长，方形补偿器由 4 个 90°的弯头构成，依靠弯管的变形补偿管段的热伸长。

　　地下管沟敷设的技术成熟，适应管道较多的场合，其管道的固定方式多采用固定支架，补偿器通常采用套筒补偿器、波纹补偿器，其特点为：套筒补偿器的补偿能力大，占地小，造价低，波纹补偿器按补偿方式分为横向、轴向和铰接等形式。

　　地下直埋敷设是近年大量采用的一种敷设技术，适合于管道较少的情况，其敷设方式又可分为有补偿敷设和无补偿敷设，其特点：无补偿系统要设计部分自然补偿器，以及要进行预热后埋设，有补偿系统也要尽量利用自然补偿，再加上不同类型的补偿器。

　　有补偿直埋敷设常采用直埋型固定支座，也是我们研究的重点，采用补偿器时要保证管道在最高温度下，补偿器留有不小于 20mm 的补偿余量，轴向补偿器和管道轴线要在一条水平线上，距离补偿器 12m 内的管道不应有变坡和转角。

　　直埋敷设保温层采用聚氨酯硬质泡沫塑料，这类的材料吸水率低、传热系数等特点，减少了管道整体的热损失，直埋管道使用寿命要比地沟敷设长很多，地沟敷设管沟一旦积水，整个管道系统很容易收到很大破坏，并且附加很多工程量，因此从经济效益和社会效益上来说，直埋敷设都会快速发展起来。

1.1.2、研究目的和意义。

　　住房和城乡建设部办公厅于 2013 年选取了我国北方的 15 个省市最为研究对象，对集中供热的情况展开了全面的调查和分析，针对调查结果进行统计分析能够发现，当前各个地方对供热的需求越来越大，由国家统计局数据显示，2014 年全国集中供热面积61.12 亿平方米，蒸汽管道长度 1.25 万公里，热水管道长度 17.47 万公里，到 2016 年全国集中供热面积 73.87 亿平方米，蒸汽管道长度 1.22 万公里，热水管道长度 20.14万公里，截止目前到 2018 年，供热面积达 87.80 亿平方米。

　　改革开放四十多年以来，我国集中供热已经具有相当大的规模，随着集中供热规模的逐渐扩大，供热管网的敷设遍布了全国多数个城市，管道的敷设方式有地上和地下之分，管网的管径大小和压力也每年都在改变，为了保证管网能常年安全的运行，我们的工程设计人员在设计管道的时候就要选择合适的补偿器满足管道中的补偿量，和选用合适的管道支架去支撑管道以及配件的重量，很多供热管道工程因为对补偿量计算的不够和对管道支架受力分析不是很准确，导致管道部分管段出现损坏，严重影响了管道的正常运行和居民的冬季取暖，因此管道的运行安全成为了管道设计专业重要关心的问题。

　　在管道工程设计中，需要配置各种管道固定或支撑装置，为方便设计环节，提高工作效率，本研究运用matlab软件的 GUI 制作出一个补偿器、管道支架选型的用户界面，方便设计人员及施工人员，根据工程设计需要来选用合适管道补偿器和管道支架。

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　　1.2、国内外研究现状

　　1.2.1、国内研究现状

　　1.2.2、国外研究现状

　　1.3、本文主要研究内容

第2章 管道补偿量及管道补偿方式的选用与计算

　　2.1、供热管道补偿量的计算.

　　2.2、供热管道补偿方式的选用与计算

　　2.2.1、自然补偿.

　　2.2.2、方形补偿器

　　2.2.3、波纹补偿器.

　　2.2.4、套筒补偿器

　　2.2.5、球形补偿器

　　2.3、本章小结.

　　第3章 管道支架的受力计算与分析.

　　3.1、荷载的分类及计算.

　　3.1.1、 垂直荷载

　　3.1.2、水平荷载.

　　3.2、管道支架允许跨距的计算

　　3.2.1、强度条件下管道支架的允许跨距.

　　3.2.2、刚度条件下管道支架的允许跨距.

　　3.3、管道支架结构抗震设计.

　　3.3.1、地震影响系数

　　3.3.2、管道支架结构基本周期

　　3.3.3、管道支架刚度计算.

　　3.3.4、截面抗震验算

　　3.4、管道支架基础设计

　　3.4.1、基础类型

　　3.4.2、基础埋深

　　3.4.3、基础的偏心距

　　3.4.4、基础底面的压力计算

　　3.4.5、管墩设计.

　　3.5、管道支架分类及设计计算.

　　3.5.1 、支架的分类

　　3.5.2、支架的设计计算

　　3.6、本章小结

第4章 管道补偿器和支架选型系统的GUI界面设计

　　4.1、 MATLAB软件介绍.

　　4.2、M ATLAB/GUI界面.

　　4.2.1、设计原则

　　4.2.2、设计步骤

　　4.2.3、图形界面

　　4.3、管道补偿器查询系统.

　　4.3.1、主界面

　　4.3.2、L型补偿器的选用界面

　　4.3.3、L型补偿器弹性力计算界面

　　4.3.4、Z型补偿器弹性力计算界面.

　　4.3.5、单管方形补偿器的选用界面

　　4.3.6、单管方形补偿器弹性力计算界面

　　4.4、管道支架选型系统.

　　4.4.1、活动管架选用界面

　　4.4.2、活动管架基础选用界面

　　4.4.3、固定管架选用界面

　　4.4.4、固定管架基础选用界面

　　4.5、本章小结

　结 论

　　随着我国集中供热事业在飞速发展，保证管道系统正常和安全的运行成为了重中之重，我们就要对供热管道系统进行受力分析及优化设计，本文主要是从管道补偿和管道支架两个方面来进行研究，通过对这两方面的研究得出一下结论：

　　（1）管道在进行热补偿的时候，要正确的合理的选择补偿方式和补偿器，根据具体的工程实际情况选取，尤其是对L型补偿的短臂的计算和各个补偿器的弹性力的计算，计算稍有差错就会导致整个管道系统的损坏，总结了各类补偿器的选用与计算方法，在以后的工程补偿器设计中可以更好的选择最合理补偿方式。

　　（2）管道在进行受力分析时，要注意固定支架的受力分析，管道荷载进行分类和计算、管道间距的计算、管架在抗震中的设计、管架基础的计算也是保证管道系统正常运行的关键，确保整个管道系统的受力安全可靠。

　　（3）利用计算机软件MIDAS CIVIL可以对管道支架进行应力分析和数值模拟，方便快捷的分析管架内力的具体情况，利用计算机软件提前模拟支架的受力情况，防患于未然。

　　（4）将管道补偿器的选用计算和管道支架的受力计算方法结合计算机软 件MATLAB，做出图形用户界面，通过此界面可以对管道补偿进行查询和对管道支架进行选型，可供工程设计人员设计参考。参考文献