一种架空管道支吊架跨距的加强设计方法及结构与流程

本发明涉及管道工程设计，具体涉及一种架空管道支吊架跨距的加强设计方法及结构。

背景技术：

1、在工业管道设计中，架空管道的支吊架跨距设计是一个重要的技术问题。管道支吊架用于支撑架空管道，其跨距设计直接关系到管道系统的安全性和经济性。合理的跨距设计需要在满足管道强度和刚度要求的前提下，尽可能减少支吊架数量以降低工程成本并提高管道布置的灵活性。

2、现有技术中，当管道跨距超过允许值时，通常采用以下三种解决方案：一是增加支吊架数量，缩短跨距以满足l≤l0的要求；二是整体增大管径，提高全管段的惯性矩i和截面模量w；三是采用桁架或悬索等外部钢结构辅助支撑。

3、然而，上述方案存在以下缺陷：增加支吊架数量的方案限制了管道布置的灵活性，增加了施工成本；整体增大管径的方案显著增加了材料成本，且可能影响阀门、法兰等标准件的匹配；采用桁架或悬索等外部钢结构辅助支撑的方案施工复杂，外观不整洁。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的缺陷，本发明公开一种架空管道支吊架跨距的加强设计方法，其技术方案如下：

2、一种架空管道支吊架跨距的加强设计方法，包括以下步骤：

3、步骤一：获取管道设计基础参数，采用有限元建模分析方法建立管道结构的梁单元数值模型，对所述梁单元数值模型施加管道自重载荷和内压载荷，通过静力求解计算提取管道截面的内力分布数据，所述内力分布数据包括弯矩值、剪力值和轴向力值，基于所述内力分布数据计算管道截面惯性矩和管道截面模量；

4、步骤二：根据所述管道截面惯性矩和所述管道截面模量，采用强度理论计算管道在最大弯矩截面处的强度允许跨距，采用挠度理论计算管道在最大挠度截面处的刚度允许跨距，将所述强度允许跨距和所述刚度允许跨距中的较小值作为管道初始允许跨距，获取管道实际布置所需的实际跨距，比较所述实际跨距与所述管道初始允许跨距，当所述实际跨距大于所述管道初始允许跨距时，触发执行加强设计流程；

5、步骤三：基于所述梁单元数值模型的弯矩分布计算结果，提取管道沿轴向各截面处的弯矩值，确定管道弯矩绝对值最大的高应力区域，所述高应力区域包括支座顶部负弯矩峰值区域和跨中底部正弯矩峰值区域，在所述支座顶部负弯矩峰值区域沿管道周向顶部布置上加强板，在所述跨中底部正弯矩峰值区域沿管道周向底部布置下加强板，所述上加强板和所述下加强板均沿管道轴向延伸覆盖高应力区域；

6、步骤四：将所述上加强板和所述下加强板分别与管道外壁构建为整体组合截面，采用等效截面法计算所述组合截面的等效截面惯性矩，所述等效截面法基于平截面假定和应变协调条件，将加强板截面相对于组合截面形心轴的惯性矩贡献叠加至原管道截面惯性矩；

7、步骤五：基于所述等效截面惯性矩，采用最大拉应力理论计算加强后管道在危险截面处的强度允许跨距，采用弹性挠曲线微分方程计算加强后管道在危险截面处的刚度允许跨距，取所述加强后强度允许跨距和所述加强后刚度允许跨距中的较小值作为新允许跨距；

8、步骤六：比较所述新允许跨距与所述实际跨距，当所述新允许跨距大于或等于所述实际跨距时，判定当前加强设计满足要求；当所述新允许跨距小于所述实际跨距时，增大所述上加强板或所述下加强板的厚度参数或宽度参数，返回步骤四重新计算直至满足要求。

9、本发明还公开一种架空管道支吊架跨距的加强设计结构，包括：管道本体，所述管道本体为空心圆筒状结构，所述管道本体的两端分别支撑于支座上，所述管道本体承受均布载荷并在支座顶部区域产生负弯矩、在跨中底部区域产生正弯矩；上加强板，所述上加强板贴合固定于所述管道本体的外壁顶部且位于所述支座顶部区域，所述上加强板沿管道轴向覆盖支座中心线两侧各至少八分之一实际跨距的长度范围，所述上加强板沿管道周向覆盖管道外壁顶部一百二十度至一百八十度的圆周范围；下加强板，所述下加强板贴合固定于所述管道本体的外壁底部且位于跨中底部区域，所述下加强板沿管道轴向覆盖跨中截面两侧各至少八分之一实际跨距的长度范围，所述下加强板沿管道周向覆盖管道外壁底部一百二十度至一百八十度的圆周范围；所述上加强板的截面形心和所述下加强板的截面形心均偏离所述管道本体的截面形心，所述上加强板和所述下加强板与所述管道本体固定连接为整体组合截面，所述整体组合截面的等效截面惯性矩大于所述管道本体单独截面的惯性矩。

10、有益效果

11、1.通过有限元建模分析方法建立管道结构的梁单元数值模型，对梁单元数值模型施加管道自重载荷和内压载荷并提取管道截面的弯矩值、剪力值和轴向力值等内力分布数据，能够精准定位管道沿轴向各截面处的应力分布状态，克服了传统简化计算方法无法准确识别高应力区域位置的技术缺陷，为加强板的精准布置提供了可靠的数据基础。

12、2.采用第四强度理论计算管道在最大弯矩截面处的强度允许跨距，采用欧拉-伯努利梁理论计算管道在最大挠度截面处的刚度允许跨距，并将强度允许跨距和刚度允许跨距中的较小值作为管道初始允许跨距，综合了强度条件和刚度条件的双重约束，相比于现有技术中仅依据经验公式估算跨距的方法，本发明的允许跨距计算结果更加精确可靠。

13、3.采用弯矩极值搜索算法，从梁单元数值模型的各节点弯矩值中提取负弯矩值集合和正弯矩值集合，将负弯矩值集合中绝对值最大的节点位置确定为支座顶部负弯矩峰值位置，将正弯矩值集合中绝对值最大的节点位置确定为跨中底部正弯矩峰值位置，实现了高应力区域的自动化精准识别，避免了人工经验判断带来的偏差。

14、4.在支座顶部负弯矩峰值区域和跨中底部正弯矩峰值区域分别设置上加强板和下加强板，上加强板和下加强板沿管道轴向覆盖支座中心线或跨中截面两侧各八分之一实际跨距的范围，并沿管道周向覆盖管道外壁顶部或底部一百二十度至一百八十度的圆周范围，实现了对管道高应力区域的定向精准加强，与现有技术中整体增大管径的方案相比，材料用量大幅减少，施工工作量显著降低。

15、5.通过将上加强板和下加强板与管道外壁构建为整体组合截面，基于平截面假定和应变协调条件，采用平行轴定理计算组合截面的等效截面惯性矩，将加强板截面相对于组合截面形心轴的惯性矩贡献叠加至原管道截面惯性矩，使加强后管道的等效截面惯性矩得到有效提升，从而在不改变管道整体规格的前提下实现跨距的增大。

16、6.基于等效截面惯性矩，采用最大拉应力理论重新计算加强后管道在危险截面处的强度允许跨距，采用弹性挠曲线微分方程并利用四阶龙格-库塔法进行数值积分求解重新计算加强后管道在危险截面处的刚度允许跨距，相比现有技术中仅凭经验估算跨距增大效果的方法，本发明能够量化评估加强设计后管道的承载能力提升幅度，设计结果具有可验证性和可重复性。

17、7.通过比较新允许跨距与实际跨距进行迭代判定，当新允许跨距小于实际跨距时按增量步长增大加强板的厚度或宽度并重新计算，厚度增量步长为管道壁厚的百分之十、宽度增量步长为管道外径的百分之五，形成闭环优化设计流程，能够以最少的加强材料用量满足跨距设计需求，避免了过度加强造成的材料浪费。

18、8.加强设计结构中，上加强板和下加强板均为圆弧形板件且内壁弧度与管道外壁弧度一致，加强板内壁面设置有多个沿管道轴向间隔分布的应力释放槽，能够有效释放焊接过程中产生的焊接残余应力，减少焊接变形对加强板与管道贴合度的影响，保证组合截面的整体工作性能。

19、9.加强板与管道本体外壁之间通过连续角焊缝焊接固定，加强板轴向两端设置斜坡式焊接坡口，管道本体与加强板采用线膨胀系数差值不超过百分之五的相同材质制成，能够有效降低温差载荷作用下加强板与管道本体之间因热膨胀差异而产生的附加应力，保证加强结构在温度变化工况下的长期可靠工作。