天津平安泰达金融中心狭小管井大管道承重支架受力计算及形式设计

天津平安泰达金融中心狭小管井大管道承重支架受力计算及形式设计

胡小松，孔得水，王力，张文龙，宁长彬

中国建筑第八工程局有限公司华北分公司，天津，300450

Force calculation and form design of bearing bracket for small Kudai pipeline in Tianjin Pingan Taida Financial Center

胡小松，孔得水，王力，张文龙，宁长彬

HuXiaosong，FeiBowei，KongDeshui，NingChangbin，ZhouShenbin

（中国建筑第八工程局有限公司华北分公司，天津，300450）

（Huabei branch of China construction eighth engineering bureau co. LTD. Tianjin, 300450）

【摘  要】：介绍了天津平安泰达金融中心的大管道承重支架设计与施工技术，对承重支架的分类、形式及配套补偿器的选型进行优缺点研究，并以一个承重支架为例，进行了承重支架的内压推力、弹性力、摩擦阻力进行计算，经过受力计算，结合管井结构形式，创新采用了“穿孔塞焊拉杆预埋钢板+60°角斜拉传力承重支架”的形式，同时解决了承重支架和结构受力的要求。

【关键词】：超高层、承重支架选型、承重支架受力、补偿器

Abstract:

This paper introduces the design and construction technology of bearing bracket for large pipeline in Tianjin Pingan Taida Financial Center, studies the classification, form of bearing bracket and selection of matching compensator, and takes a bearing bracket as an example, the internal pressure thrust, elastic force and friction resistance of the load-bearing support are calculated, and the form of "pre-embedded steel plate with perforated plug welding rod + 60 angle pulling load-carrying support" is innovatively adopted through the force calculation and the structural form of the tube well, at the same time, the load-bearing support and the structure are solved.

Key Words:Super High-rise, Fixed Bracket Selection, Fixed Bracket Force, Compensator

1 工程概况

天津平安泰达金融中心项目位于天津市河西区，工程总建筑面积306666㎡，包括5层地下室、4层商业、56层办公楼及62层酒店型公寓。办公楼采用“钢筋混凝土核心筒+钢框架”结构体系，建筑高度313.00m；公寓楼采用“部分框支剪力墙”结构体系，建筑高度240.15m。

冷热源机房均在地下室，冷源机房在B3层，热源机房在B1层；冷却塔在8层，设备布置导致所有的空调采暖系统的管道均要从地下室向楼上输送所需的能量，竖向管道系统分为高、中、低三个试压区，机电专业类型多，功能复杂，管井狭小，管道密集，管道占管井的面积比例最大接近60%，管径大，竖向管井最大管道管径达800mm。

下面以其中一个管井为例进行说明，此管井有两根空调热水管道，管径为DN200；两根空调冷水管道，管径为DN250，管道所处系统最高点39层，高度为196.9m，内压推力（盲板力）承受点，即管道弯头处在20层，高度为96.2m。底部承重支架所在高度为112.4 m，上部承重支架所在高度为156.9m。且管道所处管井空间狭小，管井只有一侧剪力墙能承受较大的支架反力，其余三面为砌块墙，楼板处及管井周边的梁均无法承受较大的支架反力。

2 施工难点分析

由于超高层建筑空间受限，往往管井空间狭小，系统所服务的楼层多，高差大，导致系统管道管径大，承重支架反力大；管井周边结构形式受限，支架受力着力点选择困难，是管井管道施工中的难点问题。

焊口施工质量是支架受力安全的关键。实施过程中对焊口进行严格检查，要求所有支架钢接触面均全部双面满焊，焊口为鱼鳞纹，且管道与承重支架钢板之间要焊牢，保证受力安全。

管道受力点的精确定位，是施工过程中的重要控制点。在管道受力之前，承重支架提前承重到位，保证所有的管道加载必须全部在受力支架上，不能由于支架的选型导致变形而将力传导至梁板的情况出现。

3承重支架设计与受力分析

3.1承重支架分类

主承重支架受力为管道的盲端、弯头、三通、变截面、阀门所在的管段，该段内又安装了轴向型补偿器，这种管段的承重支架承受内压推力（即为盲板力），受力较大，为主承重支架。

次承重支架受力为管系中除了上述的主承重支架之外，大多为次承重支架（或称中间承重支架）。次承重支架基本上不受内压推力的作用，或者两侧的推力大部分都相互抵消了，因此总的受力较小，考虑到支架两侧管道加热、冷却有先有后，补偿器刚度力存在误差，为安全起见，认为次承重支架受力为一次的弹性反力和摩擦力之和。

如果管道内采用了横向和角向以及压力平衡型补偿器，由于这些补偿器靠拉杆、拉板以及内管自约束，内压推力不作用于支架上，只有变形弹性反力作用于支架上。

3.2补偿器分类

民用公共建筑常用的补偿方式有自然补偿和补偿器补偿，补偿器主要有方形补偿器、波纹管补偿器、套筒式补偿器和球形补偿器。

自然补偿通常采用管道弯头将管道完成L型和Z型进行补偿，这种方式补偿可以节省补偿器使用数量，但此种方式补偿容易产生横向位移，且补偿量偏小。一般在水平管道上使用，补偿器作为自然补偿器的补充使用。

由于超高层竖向管道管井比较狭小，管道管径相对较大，对比几种补偿器形式，往往选择波纹管补偿器，平泰大厦项目结合工程实际情况，选择波纹管补偿器。

3.3波纹管补偿器分类及功能

波纹管补偿器分为轴向内压式波纹管补偿器、轴向外压式波纹管补偿器、轴向内外压平衡式波纹管补偿器和轴向全外压平衡式波纹管补偿器四种，下面介绍四种波纹管补偿器的功能及特点。

轴向内压式波纹管补偿器，用于吸收直管线两承重支架之间因温度变化而引起热胀冷缩产生的位移量，只吸收管线的轴向位移，不参与管线的横向和角向位移。介质与波纹管内表面接触，压力引起的推力作用于两承重支架。特点是补偿量小；补偿能力弱于外压式。

轴向外压式波纹管补偿器，用于吸收直管线两承重支架之间因温度变化而引起热胀冷缩产生的位移量，只吸收管线的轴向位移，不参与管线的横向和角向位移。介质与波纹管内表面接触，压力引起的推力作用于两承重支架，且推力稍大于相应通径下的内压式。外压式补偿器不存在内压式因压力引起的柱失稳问题，补偿能力优于内压式。特点是补偿量大；补偿能力优于内压式。

轴向内外压平衡式波纹管补偿器，由结构件将内压或外压波纹管组合起来，用于吸收直管线两承重支架之间因温度变化而引起热膨胀冷缩产生的位移量，只吸收管线的轴向位移，不参与管线的横向和角向位移。压力引起的内压推力被波纹管结构件平衡，不作用于两承重支架，补偿器的刚度比普通内、外压式大很多。特点是补偿量小；承重支架推力不考虑内压推力。

轴向全外压平衡式波纹补偿器，工作原理与内外压平衡式波纹补偿器相同，但不存在内压引起的柱失稳问题，补偿能力比相应通径下的内外压平衡式大。特点是补偿量大；承重支架推力不考虑内压推力。

3.4 承重支架受力计算

下面为此四根管道的承重支架受力计算过程；

1）一根DN250空调冷水管道受力计算

（1）内压推力（盲板力）

内压推力有效面积：A=管道投影至弯头面积=3.14*25²/4=490.625cm²

内压推力受力点管道工作压力：P=[（系统最高点高度m-内压推力作用点高度m+5m）+循环泵扬程（m）]/100

=（196.9-96.2+5+25）/100=1.307Mpa

内压推力=A*P*10²=490.625*1.307*100=64124.7N=6543.4Kg=6.55t

（2）补偿器弹性力

                          =0.0000122*（156.95-112.37）*（13-0）*1000=7.07mm

弹性力=K*=1900*7.07=13433N=1400Kg=1.4t

（3）摩擦阻力计算

摩擦阻力=μ*G=0.3*1078*40=12936N=1.32t

综上所述， DN250空调冷水管道承重支架受力为：

F=++=6.55t+1.4t+1.32t=9.27*1.5=14t

2）一根DN200空调热水管道承重支架受力计算

（1）轴向推力（盲板力）

A=3.14*20²/4=314cm²

               P=（196.9-96.2+5+25）/100=1.307Mpa

                         =A*P*10²=314*1.307*100=41040.7N=4188Kg=4.2t

（2）补偿器弹性力计算

=0.0000122*（156.95-112.37）*（55-0）*1000=30mm

=K*=1870*7.07=56100N=5725Kg=5.8t

（3）摩擦阻力计算

=μ*G=0.3*714.7*40=8577N=0.9t

综上所述，DN200空调热水管道承重支架受力为：

F=++=4.2t +5.8t +0.9t =11t

通过上述两根管承重支架受力计算可知，此处四根管道承重支架总受力=14*2+11*2=50t，考虑1.3的保险系数，此处支架受力为65t。

结合四种波纹管补偿器的特点，结合管井实际受力和管径大小情况，为减小承重支架受力，保证安装空间要求，选择轴向内外压平衡式波纹补偿器和轴向内压式波纹管补偿器两种形式，若受力较大处，管井空间较宽裕时，选择轴向内外压平衡式波纹补偿器，若受力不大，管井空间较狭窄时，选择轴向内压式波纹管补偿器。

4 承重支架安装

根据上述受力计算，承重支架所承受的力较大，传统的承重支架形式，将力作用于梁和板上，结合管道处管井结构形式，作用于梁板上，梁板结构不能承受这么大的力，为了不改变结构形式，且满足承重支架承力要求，结合本项目实际，通过BIM技术进行模拟，最终确定改变承重支架形式，通过采用“60°角斜拉传力承重支架”（详见图1） 可以将承重支架受力传导至一侧剪力墙上，但支架在剪力墙上生根也要能承受承重支架承受的力，才能将力最终传导至剪力墙，通过策划、实验和讨论，决定采用“穿孔塞焊拉杆预埋钢板”的方式，将力传导至剪力墙，防止预埋钢板受力过大被拉出。因此，通过分析、策划，最终确定创新设计采用“穿孔塞焊拉杆预埋钢板+60°角斜拉传力承重支架”（详见图2）的形式，并通过受力计算，选择合适的型钢支架（详见图3），这样既解决本工程结构受力局限问题，又满足空调水管道承重支架的要求。

图1 60°角斜拉传力承重支架示意图

图2  60°角斜拉传力承重支架与管道连接示意图

图3  支架选型受力分析

通过受力计算和受力分析，支架型钢斜拉选用16#槽钢，水平杆件选用20#槽钢，墙体预埋高300mm，厚度10mm的钢板，斜拉杆与水平槽钢与预埋钢板焊接，各个对接位置要求满焊。

5实施效果

通过承重支架形式的转变，避免了结构不同构件的受力增加，避免了原设计的结构变更，保证了结构施工能够按计划进行。

通过承重支架形式转变，避免了承重支架受力作用于水平结构上，通过支架传导，将受力作用于竖向结构剪力墙上，避免了空调系统管道运行过程中常年累月将力加载在水平结构处，导致结构存在不安全因素。

参考文献

[1] 《金属管道补偿设计与选用》 14K206中国建筑标准设计研究院 中国计划出版社2014年出版

[2] 陆耀庆，《 实用供热空调设计手册》， 中国建筑工业出版社2007年出版

作者简介：胡小松、工程师；电子邮箱：591031324@qq.com；

Author Introduction: HuXiaosong, engineer, E-mail: 591031324@qq.com；