中國建筑股份有限公旬

CHINASTATECONSTRUCTIONENGRGoCORP.LTD

十里鋪城中村二期改造K5地塊

機電管道支吊架體系計算方案

編制人:

審核人:

審批人:

中建局

第三建筑工程有限公司

2019年4月

目錄

一、編制目的....................................3

二、編制原則....................................3

三、編制依據....................................4

四、管道布置分析................................4

五、管道載荷分析及支架計算.....................5

六、管道承重支架受力分析及計算實例............13

3

一、編制目的

K5商業地下室機電管道較多，為達到整體安裝效果簡潔美觀、節省空間，根據

設計要求及項目的實際情況選取適當的支吊架形式。局部位置需要綜合支架，為保

證系統運行安全可靠，需從管線的具體布置及荷載要求方面進行分析，對機電支吊

架的強度進行校核。

二、編制原則

1、適用性：根據設計要求及工程的實際情況選用適合工程的支吊架形式，地下

室商業局部位置需要設置綜合支架，BIM圖紙中已經有所體現，根據管道規格設計合

理支架方案；

2、安全性：計算選用的支架需合理，現場應嚴格按照方案實施，支架固定牢固，

現場試驗數據需準確；若管道型號過大，根據現場情況需請設計對結構承載力進行

驗證符合并簽字；

3、經濟型：在考慮豎向支架時，首先考慮使用圓綱吊桿，在圓鋼吊桿不滿足承

重要求時再考慮使用角鋼、槽鋼；

4、美觀性：保證所使用的支吊架成排成線，橫平豎直，簡單明了.

5、適用于綜合排布的成排管道支吊架，其它形式支吊架參考圖集《室內管道支

架及吊架圖集》03s402以及各地方標準圖集。

機電管道支吊架選用除尊照本計算書夕卜，還應滿足國家現行有關規范、標準的

規定.

4

三、編制依據

1、施工圖紙

2、《通風與空調工程施工質量驗收規范》(GB50243—2016)

3、五金手冊(電子版)

4、《熱軋型鋼》(GB/T706-2008)

5、《室內管道支吊架》(05R417-1)

6、《低壓流體輸送用焊接鋼管》(GB/T3091—2008)

7、《室內管道支架及吊架圖集》03S402

8、《動力管道設計手冊》(機械工業出版社)

9、《膨脹螺栓規格及性能》(JB—ZQ4763—2006)

四、管道布置分析

荒管道進行合理的深化和布置是管道支吊架設計的前提條件。設計使用安全、

經濟合理、整潔美觀的管道支吊架，首先需對管道進行合理的布置，布置應考慮以

下參數：

4。1、管道布置設計應符合各種工藝管道及系統流程的要求；

402、管道布置應統籌規劃，做到安全可靠、經濟合理，滿足施工、操作、維

修等方面的要求，并力求整齊美觀；

403、管道宜集中成排布置，成排管道之間的凈距(保溫管為保溫之間凈距)不

應小于50mmo

5

4.4、地上的管道宜敷設在管架或管墩上，在管架、管墩上布置管道時，宜使

管架或管墩所受的垂直荷載、水平荷載均衡；

4.5、管道布置應使管道系統具有必要的柔性，在保證管道柔性及管道對設備、

機泵管口作用力和力矩不超出過允許值的情況下，應使管道最短，組成件最少；

4.6、應在管道規劃的同時考慮其支承點設置，并盡量將管道布置在距可靠支

撐點最近處，但管道外表面距建筑物的最小凈距不應小于100mm,同時應盡量考慮利

用管道的自然形狀達到自行補償；

五、管道載荷分析及支架計算

5.1、滿水重量計算

管道工程水管介質均為水，按管道滿水考慮。總荷載應為水的重量，加上管道

自重，如果有保溫管道，需另外加上保溫棉重量。現把各系統每米管道理論重量數

據統計如下：

表1熱鍍鋅鋼管規格及理論重量表

管道規格DN15DN20DN25DN32DN40DN50DN65DN80DN100DN125DN150

公稱直徑1520253240506580100125150

外徑（mm）21o326o933o742。448.360.376o188.9114o3139o7168.3

壁厚（m）2o82O83.23.53o53o844444O5

內徑（mm）15o721o327.335o441o352.768o180o9106.3131o7159.3

保溫重量

0o110o130160.250.3050o41

（Kg/m）o

管道理論重1.3331o2.5033.474.005o7。8.64211o13.81318.685

量（Kg/m）67373152463933955228288

6

水重量0.1930o0.5840o1o2.1803o5.13713o19

8.86980

(Kg/m)43557998433916405561629202

滿水重量4o5o

152720933.0887o77411.1413o7820.34827.73539.016

(Kg/m)oO459451

鋼管滿水規格重量表(kg/m)

管道規格DN600DN400DN350DN300DN250DN200DN150DN125DN100

公稱直徑(mm)600400350300250200150125100

實際外徑(mm)630426377325273219159140114

壁厚(mm)11888754.544

保溫層厚(mm)404040404040404040

保溫材料容重

454545454545454545

(Kg/m3)

每米管道自重

1679295.272.862.5445.92263917.1513.4210.85

(Kg)0O

每米滿管水重

290.19131.96102.3074o9552.6634o29176613o688o82

(Kg)o

每米保溫層體積7o5.35X14.74X14.08X13o2o1o1.76X11.43X1

(mm3)91X10707O7O743X10775X10799X107O7O7

每米保溫層重

3o562o412131o841o541o240o900.790o64

(Kg)O

每米管道總重

461o67229o57177o23139o33100.1261.9235.7127.8920o31

(Kg)

5O2、支吊架受力分析示意圖

7

圖5.2支架橫擔受力分析圖

5o3、承重支架橫擔選型及校核

根據所算的管道滿水重量在軟件上建模，利用結構力學求解器（軟件使用方法

見附件3：結構力學求解器操作手冊）計算出支架的剪力圖彎矩圖和軸力圖，得到支

吊架最不利構件的最大彎矩、最大剪力和最大軸力大小，通過最大彎矩值選取橫擔

型材大小。

1.5ML5M、，

+-------<0.85f

抗彎強度校核公式：4%"%（公式1,來源03S402中4o3.4）（等

邊角鋼Wnx與Wny數值一^羊）

式中：Mx所計算截面繞X軸的最大彎矩；

8

M、.所計算截面繞y軸的最大彎矩，按照0。3Mx計算；

Wnx-----X軸方向截面模量；

Wny——y軸方向截面模量；

f——鋼材的抗彎強度設計值N/mrA取值見下表3,鋼結構設計手冊表

2-3o

表3鋼材強度設計值（數據來源鋼結構設計手冊表2-3）

綱材總度設計值?23

的H

m.n.抗壓和抗寸tt“左1曲承壓（物平31次）

厚度成宜任

f/.

（mm）

■16215(205)125(120)

>16-40205120323

023sW

>4n-4200115(310)

>M?ICO190110

<16310(300)180(175)

>t6-29S170400

Q345M

>35*50265153(400)

>5O~100230145

<1635020S

>16-35335190

Q39OW415

>35^5031，180

>SO-100295170

?16380220

>16-35360210

Q42O鈉440

>35-50340195

>50-100325185

法：1.*中厚度泰怖計算點的保材屏度.對■心火力林件系用較面中校厚蚯材的，度；

2括號中收值適用于■壁電例。

截面塑性系數取下值：

Fx=1.05;rv=lo2（數據來源鋼結構設計手冊表3—20）

由《鋼結構設計手冊》表16-5查得各型號槽鋼的截面塑性模量Wnx、WnVo

表4槽鋼規格表（數據來源鋼結構設計手冊表16—5）

9

/一截而悔性矩；

即一假面鎮里；

S一平被面面積矩；

I一假面回HT樓。

尺mJ截面特性

(m

每米n-

型號FlWJ7E軸

￡.9XA

2lkg/m：(LU1)

AAcrr\(cm)3、，，%0%

(cn>4)(cm1)(co?)(cm)(cr.4)(cms)(cm1)(cm)(cm4)

[5SO374.57.07.03.SO6.925441.3526.010.46.41.948.36.23.51.1020.9

L6.3M404.87.57.53.8(*8.456.631.3951.216.39.82.46H98.54.61.1928.3

[880435.0?.o8.U4.00)0.248041.42101.325.31S.13.1416611.75.81.2737.4

lw100485.38.58.54.2012.7410.001.52198.339.723.53.942561697.81.4254.9

[12.6126535.39.09.04.5015.6912.311.59388.561.736.44.9838023910.31.5677.8

：l4a1405R6.09.59.54.8018.5114.531.71563.780.547.55.5253231.213.01.70107.2

24060809.59.54.8021.3116.731.67609.487.J52.45.3561.236.614.1L69120.6

[16a160636.510.010.05.0021.9517.231.7V866.2108.363.96.2873.440.916.31.83144)

[16b160658.510010.05.0025.1519.751.75934.5116.870.36.1083447.617.61.82160.8

l網>687.010510552025.6920171鄧1272.7141.483.57.(M98.652.320.01.96189.7

URh1熊TO90105105S2029.2922.901.S4136M.91S2.291.66.84111.060.421.51.95210.1

[20a2(0737.011.011.05.5028.8322.632.011780.4178.0104.77.B612A.063.824.22.11244.0

：20b200759.011.0)1.05.5032.8325.7711.951913.7191.4114.77.64143.673.725.92.09268.4

將所選型鋼大小自重按均勻荷載考慮加入到受力分析中，重新利用結構力學求

解器軟件進行計算，求出最大剪力、最大彎矩及最大軸力，進行校核.若滿足則進

行抗剪強度校核，若不滿足則加大一號型鋼重新進行校核。

地至《（）.85<,

抗剪強度校驗公式：F（公式2,來源03s402中4.3.4）

式中：V-一所計算截面所受的剪力N;

S--半截面面積矩；（所計算軸以上的構件截面面積X截面中心點到中

心軸的距離，槽鋼可直接在表4中選取，角鋼需計算得出，計算實例見附件4）

lx―毛截面慣性矩；

tw腹板厚度;

10

鋼材的抗剪強度設計值。（以上各參數取值于鋼結構設計手冊表

2——3^表16-5.

當所選橫擔大小的抗彎強度及抗剪強度均滿足要求時即為合格.

504、承重支架豎向支架選型及校核

當選用吊桿為豎向支架時：

表5吊桿拉力允許值（表格來源于圖集03s402）

由殘徑（M）101220_24301

國力允許值（N）9000；

3250；47501J0000325外1

J一，；4

注：吊桿均采用Q23s.

根據表5以及所計算出的最大軸力選擇吊桿直徑大小，加上吊桿自重后進行抗

拉強度校核。

吊桿凈截面面積計算公式：6857（公式3,來源于圖集03s402）

式中：An--吊桿凈截面面積；

N——吊桿設計拉力值;

千——鋼材抗拉強度設計值，取值于鋼結構設計手冊表2—3.

當選用型鋼為豎向支架時：

抗拉強度校臉公式：f（公式4來源綱結構設計手冊表3—16）

式中：A―構建截面面積;

it

N-軸心拉力；

f——鋼材抗拉強度設計值，取值于鋼結構設計手冊表2-3o

通過計算得出A的值，對照《鋼結構設計手冊表16—1-5》中型鋼截面面積大

小，選擇豎向型鋼支架大小.加上自重后再次進行校核。

5o5、膨脹螺栓承載力校核

根據上述計算得出的最大軸力以及膨脹螺栓的個數，根據表6《膨脹螺栓受力

性能表》選出膨脹螺栓的大小。（埋板厚度不小于1cm）

表5膨張螺栓受力性能表（數據來源于JB-ZQ4763-2006膨脹螺栓規格及性能）

螺栓規格鉆孔尺寸（毫米）受力性能（公斤）

（毫米）直徑深度允許拉力允許剪力

M610.540240180

M812.550440330

M1014.560700520

M1219751030740

M162310019401440

注：表列數據系按鋪固基體為標號大于150號混凝土。

5o6、固定支架計算

（1）支架布置情況及受力分析

固定支架承受的荷載有下列力組成：

①垂直荷載，包括管道、管道附件、保溫結構、管內輸送介質的荷載以及在某

些情況下考慮管道水壓試驗時水重等荷載；

②沿管道軸向的推力，包括各補償器的反彈力之和Fs,不平衡內壓力（波紋補

12

償器或管道閥門或堵板上的流體靜壓力）FN,管道移動時的摩擦反力或管架變位彈

力FM等；

（2）豎向支架中垂直方向的力（垂直荷載）及支架型鋼選擇同承重支架，此時需著

重計算水平方向的力（沿管道軸向的推力）及其斜支撐的選型；

（3）固定支架沿軸向的推力計算

由于環境空氣的溫度及管內介質溫度對管壁的影響，造成管道本身的伸縮其伸

縮量為△!_,管道的熱脹與冷縮在受到兩個固定點的限制而不能實現時所產生應力

為。，其計算公式如下：

AL=La"2-乙）（公式5）

a=—E（公式6）

L

式中：△!_管道伸縮量（mm）;

L——計算管長（兩固定點間的直線長度）（m）;

a——管道的線膨脹系數頻〃/（加?℃）］,取值于《動力管道設計手冊》中表

6-1；

t2--管道內介質最高溫度（℃）;

t1--管道設計安裝溫度（°C）o可取0-20℃。

。----管材的彎曲應力（MPa）;

E——管材的彈性模量（MPa）,在常溫狀態下對碳素鋼、不銹鋼取2xl（TMPa；

通過4L以及。計算固定支架沿管道軸向的水平推力，即：波紋補償器的彈力

13

Fs、不平衡內壓力FN以及支架的摩擦力FM,其計算公式如下：

Fs=KN（公式7）

式中：Fs―波紋補償器的彈性力（N）;

Kx―每個波的單位壓縮力的彈力，即波紋補償器的軸向剛度（N/mm）o

補償器一般為選定產品，可由廠家直接提供。若計算時沒選定補償器廠家，波紋補

償器的此參數也可以參考附表1（即《實用供熱空調設計手冊》第二版中表

7.5-8^11）;

FN=PAi（公式8）

式中：FN——內壓不平衡力（N）；

P——管道內介質工作壓力（MPa）,取設計給定的工作壓力；

A.——軸向波紋補償器的有效截面積（mm?）,此值由生產廠家提供.若計

算時沒選定補償器廠家，波紋補償器的此參數也可以參考附表1（即《實用供熱空

調設計手冊》第二版中表7,5—8^11）

FM=q"L（公式9）

式中：FM-—摩擦力（N）;

q----管道單位長度計算荷載（N/m）;

L——兩固定支架間的管段長度（M）;

U——摩擦系數，取0.3;

根據附件2（波紋補償器固定支架推理計算公式）選取與支架布置形式相對應

14

的計算公式，根據公式計算每個固定支架所受到的水平推力；

(4)根據水平推力大小計算固定支架每個斜支撐所受拉力的大小，通過抗拉強度

校驗公式選出固定支架斜支撐的大小；

(5)膨脹螺栓承載力校核，根據上述計算得出的最大軸力以及膨脹螺栓的個數，根

據表6《膨脹螺栓受力性能表》選出膨脹螺栓的大小。

六、管道承重支架受力分析及計算實例

6.1、支架布置圖

現場超出圖集03s402支吊架設置共計兩種支吊架類型，對應支吊架正視圖

如下：

支架一：

DN200、DN200、DN200>DN200、DN80>DN80

圖6。1。1支架正視圖

15

支架二:

圖6.1.2支架正視圖

6.2、支架設置說明

典型支架設置情況：

支架一：地下室4根DN250空調水和2根DN80空調冷凍水管道共用支架，

承重支架間距為4c2m,固定支架橫擔長2.9m,豎向支架長度為"8m.

查表2（鋼管滿水規格重量表）可得，考慮管道制作以及安裝等部分因素，

取綜合系數K1=1.35（數據來源03s402中4.3。1），每組支架承受載荷計算如下:

229o57*4*9.81*4.2*1。35+13.78*2*9。81*4。2*1。35=52610.17N

16

支架二：地下室2根DN250空調冷熱水管道共用支架，承重支架間距為4.2m,

固定支架橫擔長1。0m,豎向支架長度為2。25m。

查表2（鋼管滿水規格重量表）可得，考慮管道制作以及安裝等部分因素，

取綜合系數K1=1.35（數據來源03s402中4。3.1），每組支架承受載荷計算如下：

327o6*9.81*2*4.2*1。35=36443。99N

603、橫擔荷載分析、選型及校核

6.3.1、垂直荷載

管道支吊架垂直荷載根據性質可分為基本垂直荷載和可變垂直荷載，其中基

本垂直荷載指管道支吊架所承受的管道重力、介質重力和附件的重力等永久性荷載.

可變垂直荷載指管道所承受的活荷載、沉積物重力和發生地震時所應該承受的特殊

變化的荷載.由于可變垂直荷載難以準確計算，本計算書按靜荷載的0.3（數據來源

03S402中4.3.1）考慮。

6o3o2、水平荷載

管道水平方向的荷載是作用在支架上的水平推力，根據支架類型可分為活動

支架上的水平推力和固定支架上的水平推力。

a。活動支架水平推力主要來自管道摩擦力，吊桿水平推力可忽略；

水平推力即為管道摩擦力T=uG（口為摩擦系數，G為管道垂直靜荷載）

b.固定支架的水平推力主要來自補償器的彈性變形力.

采用補償器補償的管道，其作用在固定支架上的水平推力為補償器被壓縮或

17

拉伸所產生的反彈力.

6.3.3.橫擔受力情況分析

根據支架的受力情況，支架在管道重力下或在管道推力作用下，有可能出現

一下幾種現象：

a:槽鋼會沿著受力方向被剪斷；

b:槽鋼會沿著受力方向發生過大彎曲變形，嚴重的會發生彎曲折斷；

所以合理的選擇支架就是使槽鋼的抗彎和抗剪滿足要求.

6.3.4.軟件建模及計算

支架靜荷載主要為管道自重、滿水重量及保溫重量，動荷載主要考慮水流沖

擊時管道與支架之間的摩擦力。在章6。3中對其分別進行受力分析.將支架建立為

如下圖所示的模型，利用結構力學求解器軟件可繪制支架的剪力圖、彎矩圖及軸力

圖，并求出最大剪力、最大彎矩及最大軸力，如下圖所示.（以下受力圖使用結構力

學求解器繪制）

支架一：

18

L=1.8

L=2.9

圖6.2綜合支架建模

19

2121.5-2121.5W

1.8

-6078.349-6078.349

8.349

-1157.349

2121.5

1302.6511302.65-h

453071315296.611

L=2.9

圖6.4綜合支架剪力圖

圖6o5綜合支架輪力圖

由圖6.3、圖6。4可知，抗彎、抗拉最不利構件，最大彎矩為2674N?m,最大剪

力為6078No

由圖6.5可知，抗壓最不利構件，最大軸力為6078N.

由于該支架為活動支架，所以支架水平方向的受力為管道在支架上滑動摩擦力。

20

水平推力：T=G*0.3（公式來自于圖集03s402中4.3.1）

支架二:

L=2.25L=2.25

卜=18￡2f=18111

L=1.5

21

2313.90點-2313.90g

L=2.25L=2.25

；2223222

2313.905

L=1.呼22218222

L=1.5

由圖得知，抗彎、抗拉最不利構件，最大彎矩為5640N?m,最大剪力為18222N。

由圖6.5可知，抗壓最不利構件，最大軸力為18222N。

由于該支架為活動支架，所以支架水平方向的受力為管道在支架上滑動摩擦力。

水平推力：T=G*0。3（公式來自于圖集03s402中4.3.1）

22

6o3.5槽鋼大小選型以及抗彎強度校核

此+K0.85/

抗彎強度校核公式：G%4%(公式來源03S402中4o3.4,Mx一所

計算微面繞x軸的最大彎矩,M、，——所計算截面繞y軸的最大彎矩，按照0.3Mx計算，

Wnx—X軸方向截面模量，W”一y軸方向截面模量，千——鋼材的抗彎強度設計值

N/mm2,取值215,鋼結構設計手冊表2-3)

截面塑性系數取下值：

rx=i.O5;i,y=1o2(數據來源鋼結構設計手冊表3-20)

由《鋼結構設計手冊》表16—5查得各型號槽鋼的截面塑性模量Wnx、Wny

通過上公式可得：

表6。1槽鋼x、y軸最大彎矩極限值

槽鋼X軸方向截面模量Y軸方向裁面模量所計笄X軸最大彎所計算y軸最大彎

型號Wnx(cm3)Wny(cm3)矩Mt(N?m)矩My(N?m)

616.34.61080324

825.35o81508452

1039o77.82174652

1261o710.33068920

1487O114.142501275

16116o817o654491634

18152.221o568112043

20191o425o983282498

22233.830o198412952

23

25289.632o7111433343

由上表得知：支架一支架最大彎矩2674N。M,選擇12#槽鋼

所以選用12#槽鋼。12#槽鋼支架自重：F=MG=12.06*2。9*9。8=342NO

支架二最大彎矩為5640NoM,參照表格選用18#槽鋼，加入自重F=20。17*1。

5*9。8=297

將槽鋼支架自重按均勻荷載考慮加入到受力分析中，重新利用結構力學求解器

軟件進行計算，求出最大剪力、最大彎矩及最大軸力，如下圖所示。

支架一：

/////

L=1.8L=1.8

F=2460F=2460F=2單2F=E460I766.4K5.48

1

L=2.9

圖6.6綜合支架建模

24

—1294.038"1-1346.141

綜合支架彎矩圖

1.8

綜合支架剪力圖

25

6248.666生-^5467.294

綜合支架軸力圖

支架二:

26

2335.1千-2335.1呼

L=2.25L=2.25

-18J70.5-18^70.5

2335.11

i1村48.5a148.金535ITHI

L=).8370.518370.5

-=2.25

1837018370.5

2335.1192335.1192335.1192335.119

由上圖可知，在加入支架自重后，抗彎、抗拉最不利構件，最大彎矩為2827N-m,

最大剪力為6248N,最大軸力為6248N。當最大彎矩為2807N?m時，對照表6。1可

知12#槽鋼仍滿足要求。

方于支架二最大彎矩5719N*M,參照表格參數依舊滿足要求。

27

6.3.6抗剪強度校驗

^^<0.85/.

抗剪強度校驗公式：,人（公式來源03S402中4.3o4；V——所計算截面

所受的剪力N；S-—計算剪力處以上毛截面對中和軸的面積矩；lx——毛截面慣性

矩；tw-—腹板厚度;fv——鋼材的抗剪強度設計值）

支架一：V二6248N;S=36400mm3;Ix=3885000啦」；tw=5。5mm,八二125（數據來源鋼

結構設計手冊表2-3、表16-5）

經計算得：

l「

1.5VS/x%W0.85fv=15.97<102,滿足要求.

由上可知14#槽鋼抗彎強度校核與抗剪強度校核均滿足要求，所以本綜合管道

支吊架選用14#槽鋼做為橫擔。因此現場采用14#槽鋼作為支架橫擔可滿足要求；

支架二：V=18370N;S=91600mm3;Ix=13699000頓,；底二9。0mm,（=125（數據來源

鋼結構設計手冊表2-3、表16—5）

經計算得：

Ix1

1.5VS/%?0.850二20。47<102,滿足要求.

由上可知14#槽鋼抗彎強度校核與抗剪強度校核均滿足要求，所以本綜合管道

支吊架選用14#槽鋼做為橫擔滿足要求.因為現場采用14#槽鋼作為支架橫擔，且

支架跨距越大，所承受的軸力越大，因此要對現場支架距離進行重新排布；排布如

下：地下室2根DN250空調冷熱水管道共用支架，承重支架間距為4。2m,固定支架

橫擔長1。0m,豎向支架長度為2。25m,其余條件不變，則每根管道荷載為：DN250:

100o12*9.81*3*1.35=3978N,利用力學求解助力器重新進行計算求出最大剪力、

28

最大彎矩及最大軸力，如下圖所示;

綜合支架剪力圖

29

工〃/〃

1301-^113015

L=2.2E2.25

1301-5-13015

1652.6981652.6981652.6981652.698

L=1.5

綜合支架軸力圖;

由圖可得知：支架二最大彎矩4028N.M,查表得出，選擇14#槽鋼。

所以選用14#槽鋼。14井槽鋼支架自重：F二MG二16。73*1o5*9。8=245N。將槽

鋼支架自重按均勻荷載考慮加入到受力分析中，重新利用結構力學求解器軟件進行

計算，求出最大剪力、最大彎矩及最大軸力，如下圖所示.