1

水管的垂直荷載

水管的垂直荷載為水管的自重及滿水狀態下水管內水的重量，由此可計算：

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

式中：ρm為管道材質密度；

? ? ? ? ? ?ρw為水的密度，1.0×103kg/m3;

? ? ? ? ? ?So為管道外徑；

? ? ? ? ? ?Si為管道內徑；

? ? ? ? ? ?ΔL為支架承擔管段長度。

2

風管的垂直荷載

風管的垂直荷載主要為風管的鐵皮、法蘭及保溫等附件重量

3

4

橋架的垂直荷載

橋架的垂直荷載為橋架自身重量與橋架內承擔電纜、電線的重量。

ΔL的確定

根據各項目管道支架間距的不同，ΔL的取值也不同，一般為兩個管道固定支架的間距，不得大于規范限定的最大值。

圖1.4 ΔL的取值示意

1

普通固定支架水平推力計算

普通固定支架水平推力主要來自管道摩擦力，吊桿水平推力可忽略：

水平推力=管道摩擦力F=μG? ?(式1.2)

式中：μ為摩擦系數，鋼材與鋼材摩擦取0.3，鋼材與混凝土摩擦取0.6；

G為管道垂直荷載。

2

設置補償器的管道水平推力計算

采用補償器補償的管道，其作用在固定管架上的水平推力為補償器被壓縮或拉伸所產生的反彈力。

水平推力=補償器反彈力T=ηΔL (式1.3)

式中：η為補償器的彈性模量；

ΔL為補償器發生的變形長度。

采用自然補償的管道，是利用管道的自然彎曲形狀所具有的柔性以補償管道的熱脹和冷縮位移，如圖1.5所示：

圖1.5管道補償器及自動補償工作示意

固定支架變形管道長度為L，補償臂管道長為Lb

管道安裝溫度按t1℃考慮，管道工作溫度為t2℃，故鋼管材質的管道會在溫度變化下縮短：

ΔL=α×ΔT×L?????????????????? ???(式1.4)

式中：α為鋼管的線膨脹系數；

ΔT 為溫差；

L為固定支架變形管道長度。

故作用在管道補償上的推力為：

T=3ΔLEI/Lb3 ???????????????????(式1.5)?

式中：E為管道的彈性模量；

I為管道的慣性矩；

Lb為補償臂管道長。

1

水管荷載計算

●垂直荷載

根據式1.1用excel制作滿水水管質量計算表格，可以方便快速的計算管道滿水重量，從而得出水管垂直計算荷載G=2600N，如圖2.3所示：

圖2.3 水管垂直計算荷載表格計算結果

●水平荷載

由于該管道為消防噴淋管道，根據式1.2計算可得管道水平荷載為：

F=μG=0.3×2600=780N

2

橋架荷載計算

由于該處界面主要為弱電橋架，與弱電專業溝通橋架內敷設線纜較少，暫按橋架重量的1.2倍估算橋架及線纜整體重量，算的荷載分別為560N、680N、450N。其他類型橋架重量計算需和專業電氣工長溝通配合確保準確。

3

風管荷載計算

根據五金手冊查得數據計算風管重量得風管垂直荷載為1020N。

圖2.4 五金手冊查詢板材數據

根據《JGJ141-2004通風管道技術規程》，風管吊架荷載受力如圖2.5所示：

圖2.5 《JGJ141-2004通風管道技術規程》中風管吊架荷載分布圖

圖中：y—吊架撓度(mm)；

? ? ? ? ? P—風管、保溫及附件總重 ( kg)；

? ? ? ? ? P1—保溫材料及附件重量 ( kg)；

? ? ? ? ? a—吊架與風管壁間距(mm)；

? ? ? ? ? L—吊架有效長度(mm)；

最終得到聯合支架受力圖如下：

圖2.6 聯合支架受力分析圖

各荷載與聯合支架的相對位置如下圖所示：

圖2.7 垂直荷載與聯合支架相對位置示意圖

1

橫擔計算

根據力系簡化結果，采用Msteel工具箱中的“連續梁計算”進行計算。由于綜合支架是通過膨脹螺栓固定在梁上，所以梁兩端采用鉸支。首先計算上面橫擔受力情況：

圖2.8 Msteel連續梁計算界面

●梁跨輸入跨度：0.97m。梁跨即支架橫擔長度，設計長度為0.97m。

圖2.9 梁跨輸入界面

●選取截面：選擇40X4等肢角鋼，先以40×4等肢角鋼進行受力分析。

圖2.10 截面選取界面

如圖2.10所示，能清晰看見40X4等肢角鋼的截面參數。

●計算整體穩定系數

Msteel插件對工字形截面、槽鋼可自動計算穩定系數，對閉合截面(圓管、方管、箱形截面)穩定系數按規范取為1.0(對話框內不再輸入)，其余截面穩定系數自行輸入；等肢角鋼的整體穩定系數的計算過程示例如下：

①根據《鋼結構設計規范》GB50017-2014，確定等肢角鋼為b類截面軸心受壓構件:

圖2.11 鋼結構規范中對截面軸心受壓構件分類

②根據附表《鋼結構--截面形心受壓穩定系數》，查詢b類截面軸心受壓構件整體穩定系數:

圖2.12 鋼結構設計規范中b類截面軸心受壓構件穩定系數表

其中通過

的計算值查表得到整體穩定系數φ：

λ?：構件在彎矩作用平面內的長細比

fy：鋼材抗彎強度設計值

φ：軸心受壓構件穩定系數

(注：第一列代表十位及百位數字，第一行代表各位數字。比如長細比如果是23，那就對應第三行，第四列的數，即0.938。)

(i)計算構件長細比：

長細比是指桿件的計算長度與桿件截面的回轉半徑之比，桿件的計算長度即是計算橫擔長度，回轉半徑是個材料力學概念，可根據Msteel插件中材料界面力學屬性獲知。

?λ=L/ix???????????????????? (式2.1)

查得40X4等肢角鋼的回轉半徑是：

ix=iy=12.2

橫擔計算長度L=0.97m=970mm(即支架計算橫擔長度)

算的40X4等肢角鋼長細比=970/12.2≈80

(ii)計算鋼材抗彎強度設計值：

根據《鋼結構設計規范》查得40X4等肢角鋼的抗彎強度設計值為215N/mm2

圖2.13 鋼結構設計規范中鋼材強度設計值

(注：尺寸越小，強度越大。這和加工工藝有關，一般來講，尺寸越小的鋼帶或鋼絲，其工藝也復雜，需要加工次數越多，碾壓次數越多，表現出來的剛度就越大，及彈性模量越大、抗拉強度也越大。)

由此，代入鋼結構--截面形心受壓穩定系數附表計算式：

故查詢上表得到整體穩定系數φ=0.688

●在Msteel軟件中輸入穩定系數值

圖2.14 穩定系數輸入界面

●荷載輸入及計算

根據橫擔上的受力位置添加荷載：

圖2.15 荷載輸入界面

為提高上限，受壓橫擔自重放大系數1.2，最后點擊計算，點擊計算書得到彎矩、剪力、撓度、支座反力和驗算結果。

圖2.16 全部參數輸入完成界面

圖2.17 Msteel自動導出計算書

由計算書可得結論：使用40×4等肢角鋼時正應力超限，穩定應力超限，不滿足要求。重新選取5#槽鋼，重復以上步驟。

圖2.18 重新選取5#槽鋼

其中5#槽鋼能自動計算穩定系數，所以只需要填寫受壓翼緣自由長度：0.97m。受壓翼緣自由長度是指側向約束點之間的距離。計算結論如下：

滿足條件，所以橫擔選擇采用5#槽鋼。

同理得到支撐風管的橫擔采用40X4等肢角鋼。

2

立桿強度驗算

●立桿垂直荷載計算校核

根據圖2.12鋼材強度設計值，乘以鋼材截面積計算可得：

30X3等肢角鋼的抗彎、抗拉和抗壓強度值約為36000N；

40X4等肢角鋼的抗彎、抗拉和抗壓強度值約為65000N；

50X5等肢角鋼的抗彎、抗拉和抗壓強度值約為102000N；

且根據正應力計算公式：

σ=G/A???????????????????????? (式2.2)

式中：G為拉桿所承擔最大重力；

????? A為拉桿的截面積。

可得：

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

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

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

均符合抗拉強度設計。

為使提高焊接質量，同時有效降低蠕變，立桿選取50X5等肢角鋼，完全符合要求。(蠕變：固體材料在保持應力不變的條件下，應變隨時間延長而增加的現象。它與塑性變形不同，塑性變形通常在應力超過彈性極限之后才出現，而蠕變只要應力的作用時間相當長，它在應力小于彈性極限施加的力時也能出現。)

●立桿水平荷載計算校核

由受力模型簡化可得，立桿水平荷載計算可按照一端固定的桿件彎曲計算。采用Msteel工具箱連續梁工具按照一端固定支座，一端自由的懸臂梁進行計算校核。

由式1.2水平推力計算式得：

聯合支架受到的水平推力：F=μG=2600X0.3=780N

由式2.1長細比λ計算式得：

長細比=470/15.3≈31

查圖2.12 鋼結構設計規范中b類截面軸心受壓構件穩定系數表得穩定系數φ=0.961。然后在MSteel上輸入參數，進行計算。

圖2.20 參數設定完成界面

圖2.21 單元驗算結果

由計算書可得，50X5等肢角鋼滿足校核要求。

3

選取膨脹螺栓

由于該聯合支架承擔管線不多，重量不重，每根立桿采用2顆螺栓進行梁上固定。其中各螺栓所受剪力為：G/4=(2600+560+680+450+510+510)/4=1327.5N。根據《2016年最新國標膨脹螺栓規格表》可知，M8及以上型號螺栓即可滿足條件。

圖2.22 螺栓選取表

4

繪制綜合支架剖面圖

根據以上計算和校核結果，按照實際選用型鋼實際長度和寬度繪制聯合支架加工圖，與結構復核后，交由現場加工及安裝。

圖2.23 聯合支架加工圖

1

質量保障措施

a)? 所有進場材料全部進行驗收，從材料源頭開始控制質量，杜絕使用不合格產品；

b)? 所有焊工實名制管理，確保每道焊縫合格，對于焊縫全數檢查；

c)? 支架所有焊縫采用專職焊工焊接，對于焊縫進行防腐處理。

2

成品保護措施

所有材料堆放于干燥、干凈的場地，防止腐蝕。

3

安全保障措施

a) 現場必須正確佩戴安全帽，高空作業必須正確佩帶安全帶，腳手架、施工吊架搭設驗收合格，嚴禁酒后進入施工現場作業，施工負責人對施工人員做好相關應急工作。

b) 管道吊裝所用繩索、葫蘆及其他工具，在使用前一定檢查合格，存在安全隱患的禁止使用。

c) 在梁上部臨時設置的吊裝點一定要焊接牢固，吊裝前要有專人檢查，才能使用。

d)? 吊裝管道時要有足夠的人手，不能盲目施工，現場要有專人負責指揮，起吊速度不宜過快，確保吊裝安全順利進行。

e)? 特殊工種必須有操作證件，當現場進行電氣焊作業時，操作人員必須對現場周圍進行檢查是否存在易燃易爆物品，如果存在不安全因素，應采取相應的保護措施，移動可燃物品隔離，設專業人員攜帶干粉滅火器監護。