管道支架的設計分析

管道支架的設計

首先我們應明確哪類管架應該土建專業設計，哪類管架應該配管專業設計。支承管道的

管架通常分為三部分：

一、屬于土建結構部分。習慣稱之為“管架''或“管廊”，包括內管廊和外管廊。

二、管道與土建結構之間相接的各種支、托、吊部分。

三、生根在建筑結構上的各種支架，高度通常在2m以下。

通常第一類支架由配管專業提供條件，由土建專業設計完成；笫二類支架通常由配管

專業負責設計；第三類支架在建筑物上的預埋件由土建專業設計，其他部分由配管專業完

成。

1.管道支架的分類及定義

按支架的作用分為三大類：承重架，限制性支架和減振架。

①承重架：用來承受管道的重力及其它垂直向卜荷載的支吊架。它又可分為：剛性

支吊架、可變支吊架或彈簧吊架、恒力吊架。

a、剛性支吊架：用于無垂直位移的場合。

b、可變支吊架或彈簧吊架：用于有少量垂直位移的場合。

c、恒力吊架：用于垂直位移較大的地方。

②限制性支架：用來阻止、限制或控制管道系統熱位移的支架。它又可分為導向架、

限位架和固定架，

a、導向架：使管道只能沿軸向移動的支架，不允許有角位移。

b、限位架：允許管子的某一點有角位移，但不允許有線位移。

c、固定架：不允許支承點有三個軸線的全部線位移和角位移。

③減振架：用來控制或減除重力和熱膨脹作用以外的任何力（如物料沖擊、機械振

動、風力及地震等外部荷載）的作用所產生的管道振動的支架。減振架有彈簧和

油壓式兩種類型，

2.水平管道的最大支架間距

管道支架間距是指管道的跨度。一般管道的最大支架間距是按強度條件及剛度條件計

算決定，取其較小值。

管道支架的設置使管道形成分段，常見的有幾種典型的形式：

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a、單跨梁（有圖）

b、多跨連續梁（有圖）

c、L形彎管（有圖）

d、U形彎管（有圖）

e、三軸向彎管（有圖）

①支架間距按強度條件計算：

式中：￡—管道支架間距，相；

Z—管子斷面系數通常管子的斷面系數公式為Z=令/：

"—管道單位長度的重力，單位：lON/m,

07—熱態下管材受重力荷載部分的許用應力勿通常取等；㈤/—管材在熱

態下的許用拉應力。

②按剛度條件計算：

￡=，但

/OyjW

式中：Z,初％意義同上，

E—管材在熱態下的彈性模量，”尸。；

/—管子截面慣性矩C加7=華/；

64

/—管子在跨中的撓度。〃加

按剛度條件計算時的主要因素為撓度值的選取。在裝置內的管道，一般選用撓度在1

0?2之間，推薦采用4=15m*對于裝置外的管道，由于常設計成有坡度的管

道（2%o-5%o）,其撓度采用較大值，可達38〃皿左右。

在公稱直徑600〃〃"及以下的碳鋼管道，取/=15nun,溫度在350°C時，按剛

度條件計算的心值要小于按強度條件計算的心值。因此，當撓度較小時，在常用的管徑范

圍及溫度范圍內，管支架旬距是以剛度條件控制的。當工作溫度較高，且管道荷載較大時.，

小管道往往是要按強度條件決定支架間距的。

管道的最大支架間距在許多參考書中都能查到，注意使用選取時應留有余地。

對于L形彎管，U形彎管及三軸向彎管，其允許跨度往往按下式評定：

L<（0.6?0.7比〃齒式中：4,如一各直管段相加后總長.

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管道支架的設計分析

應指出管道荷載分布是很重要的問題，特別是在土建設計的大跨度的桁架上。管道的

荷載分布是與支架間距有關的，如，大管支架間距較大，有的梁不支承，荷載過于集中在

少數梁上，形成支架設置與土建結構的計算不相等，這樣引起梁的超載。管支架設計者與

土建設計者必須溝通設計條件，這是不可忽視的問題。

3.垂直管道的支架間距

垂直管道支架的設置，除了考慮承重的因素外，還要考慮防止風載引起的共振。在裝

置內較長的垂直管道多出現在塔類設備的周圍或多層結構建筑物內。對此類垂直管道設備

的支架間距大致可按不保溫充水的水平管道支架間距進行調整。如，

DN100,7.5m;DN200,10m;DN300,12m;DN400,13m等。

高溫垂直管道的支架間距應按前值減小1米，對每根垂直管，考慮熱膨脹常選用一個

承重架，其余為導向架。如圖

4.裝有波形膨脹節管道的支架間距

根據美國膨脹節制造商協會的標準裝有波形膨脹節的管道，支架應按左圖設置。

4s)=00/57/目式中：彈性模量，kgf/cm2；

/—慣性矩，C〃幾

心一管道支架向星L〃7；

P—設計壓力，kgf/cm2-,

“一膨脹節的有效面積，

/一膨脹節的每波起始的彈性系數，kgf/cni/波；

4-膨脹節的每波的軸向行程，。〃/波。

5.確定管道支架位置的要點

決定管道支架的位置主要考慮以下幾點：

?承重架距離不應大于支架的最大間距。

除非采取其他增加管道跨距的措施，否則這一點必須嚴格執行。有壓力脈動的管道

還要按管道的固有頻率來決定支架間距，避免發生共振。為保證不發生共振，通常

管道的固有頻率要求在8次/秒以上。

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管道的固有頻率及按下式求取:

式中：A—撓度，c〃?；

g=980cm/sec2；

4.982

所以。fnF

梁的支承形式不同，求撓度的公式如下:

A、特定連續架（有圖）/=4等，式中W=daN,L—cm；

B、單跨簡支架（有圖）』=白與；

^o4bl

C、一端固定一端簡支（有圖）萼：

/o?Li

D、兩端固定A=

E、端點固定的懸臂梁

oh!

2盡量利用已有的土建結構的構件支承，及在管廊的梁柱上支承。

3做柔性分析的管道，支架位置根據分析決定，并考慮支承的可能性。

4在垂直管到彎頭附近，或在垂直段重心以上做承重架，垂直段長時，可在下部增

設導向架。

5在集中荷載大的管道組成件附近設承重架。

6盡量使設備接口的受力減小。

7考慮維修方便，使拆卸管段時最好不需做臨時支架。

8支架的位置及類型應盡量減小作用力對被生根部件的不良影響。

6.管道布置過程中對支架位置的考慮

配管設計人員在管道布置的過程中，應同時考慮支架位置及設置的可能性、合理性、

經濟性等。管道走向除了滿足安全生產、工藝要求、操作方便、安裝維修方便外，還應考

慮：

①管道盡量集中布置，做聯合支架，減少分散獨立的管支架。

②管道布置應靠近可能做支架的點，如靠近建筑物的墻、柱，或沿平臺下敷設，以

便利用梁柱來支承。

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3盡量利用管道本身的自支承作用。例如：從管廊到某設備的管道或兩個設備間的

管道，做到無需另設支架，既經濟合理，又滿足管道柔性的需求。

4管道柔性過大時，應增設支架減小應力和振幅，但應滿足管道的膨脹要求。

5使用波紋膨脹節時，應考慮管內介質的內壓推力。如果沒有結構能承受這種推力，

就必須采用壓力平衡式的膨脹節。

6壓縮機等動設備的出口管道，應設置合適的支架，避免將振動傳給其它管道，

鋼結構或建筑物，這些支架從防振的角度，應優先選用滑動支架，而不用吊架，

更不易連續使用多個吊架。

7管道應靠近生根點，使支架構件右良好的剛度及避免承受過大的力矩。

8立式設備上部管口接出的管道，從設備上支承，可使相對位移盡最小。

9管道成組布置時，各管道的支承面應取齊，以便設計支架。

10采用彈簧支座或吊架時，管道與生根構件之間應有足夠的空間。

7.應力分析過程中對管道支架的考慮

應力分析與支架設計者應對配管及土建結構的情況詳細了解，及對整個管道支撐系統

進行研究，取得一致意見，確定支架的位置及類型。經過應力計算，如管道不能滿足要求，

應首先研究支架是否合理，能否通過限制性支架進行調整，改善各部的應力分布。如不可

能，應增加管道的局部柔性。每次修改需重新計算，直至通過為止。

應力分析應從比較重要、管徑大、溫度高的管道開始，依次逐個進行。

在應力分析計算之前，應對管道支承的布置進行檢查，檢查內容如下：

①承重架的間距是否超過最大允許間距。

②所有支承點是否有可以生根的結構。如果沒有如何解決？采用獨立的新結構或修

改配管。

③是否有小管與計算的主管相連接？判斷小管加入計算的必要性。

?垂直段管段很長時，承重架設在何處并研究支架的類型。

⑤支架生根在設備上時，支承點隨設備的熱膨脹發生位移是否考慮了？

?由于垂直管的膨脹，研究水平管上的支架脫空的可能性或產生支承點管道應力過

大的可能性。

?采用的彈性支架是否合理。

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8采用的限制性支架的位置及類型是否安全合理。

8.對管道上支托點位置的要求

①優先考慮的支托點，是管子而不是閥門、管道附件、膨脹節等。因為管子的外徑

是形成系列的，有利于使用標準圖和通用圖。

?一般不在水平位置的彎頭、彎管上作支托點,避免局部應力增加及影響吸收膨脹

的效果；在垂直面上布置時彎頭上做支承架倒是常見的，但特別重要時，高溫管

道則不希望這么做。

（3）支托點應優先位于維修或清洗時不拆卸的直管上。

下面講一些典型配管的支架類型及位置。

9.槽、罐類設備上部接管的支架

在（b）圖中應考慮B點位置支架不至于脫空；（a）圖中應符合垂直管段導向架間

距離的要求，對高溫管段應檢查A—B段柔性。

10.塔類設備管道的支架（有圖）

①A支架通常盡量靠近設備管口，以減小設備口和支承點的相對熱膨脹位移，減小熱

膨脹的反力。

②如A支架至管口間的管道柔性不夠，可改變管道走向，適當增加管道的柔性。

③如垂直段較長，A點荷載過大，應增設B支架承重，B支架應采用彈簧架。

。下接口管道的承重架位置設在與管道口相同的標高對熱膨脹有利。

11.泵管道的支架（這里僅講一例）

（a）圖中RS—1支架，通常可以做成可調節高度的承重架；DS-1是限位架，

使泵入口水平管的軸線保持無偏移；泵口不至于承受過大的彎矩，RS—2支架為滑動架，

應注意至彎頭的距離如過小將會脫空。DS是水平限位架，對于大型的水泵出口管要注意

止回閥關閉時的推力的作用。在止回閥及切斷閥附近應有堅固的支架，以承受水擊及重力

荷載。

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12.安全閥管道的支架

安全閥的管口承受外載引起的彎矩要求盡量小，以免閥體變形，影響閥的性能。當支

架設計時，除承受管道重力荷載外，還應注意泄放流體時產生的反力及其方向。

安全閥出口管第一個支架應盡量生根在剛度較大的結構上。

安全閥突然開啟，容易產生振動。特別是大口徑、大壓差的安全閥應注意防振。出口

管為氣液兩相時，更應注意防振及避免水擊。

13.管廊上管道的支架

①管廊上管道支架的間距，受到管廊結構的梁及柱間距的限制。小管道支架間距用3

m,大管道支架間距用6m,最常用的，對于小管道的最大允許支架間距小于3m時,

最好利用大管支承小管，或在管廊的梁兩側另增加懸臂梁。

②a、固定點應設置在主梁上，不要設置在次梁上。（有圖）

b、盡量使用固定架兩側的推力相差不大。（有圖）

c、需要設波紋膨脹節或兀型補償器時，應按可能采用的兀型補償器或波紋膨脹節的

補償量確定。（有圖）

③在有橫向引出管道的接點時，導向架與接點或彎頭的距離不宜太近，以免影響管道

的柔性。

三種常用的幾型補償器形式。（有圖）

14.管道支吊架的設計溫度

和管道直接接觸的支吊架部分的設計溫度取管道內部的介質溫度，不與管道直接接觸

或管道保溫層外側的支吊架部分的設計溫度，取介質溫度的1/3或環境溫度，以二者較

高的為準。

15.管道支架生根的結構型式

常見的生根位置有：⑴生根在設備上；⑵生根在混凝土結構上；⑶生根在墻上；⑷生

根在地面上；⑸生根在基礎上；⑹生根在鋼結構上；⑺生根在大管上。

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⑴在設備上生根

在設計從設備上生根的支架時，要求在設備上預焊生根件。這主要是因為設備造價高,

制造和檢驗要求高，如果現場安裝支架在設備壁上直接焊接，許多設備需要重新檢驗。

對于經過熱處理或應力消除的設備，現場安裝時，在設備殼體上焊接應被

禁止，因為焊后殘余應力會影響設備的防腐能力和機械性能，還可能出現變形。

對于非金屬襯里的設備，現場焊接會損壞內襯，如橡膠，塑料，玻璃等，從而

導致設備不能使用。

常用的預焊件結構：

①在設備壁上貼鋼板，a。（有圖）

②單立板，bo（有圖）

③帶筋板的立板，c。（有圖）

④多筋板與端板，do（有圖）

在支架與預焊件使用螺栓連接時，應注意各種螺栓適合的工作溫度。

通常6?350C,可使用Q235-A材質；351?5?5℃,應用耐熱鋼，如螺栓（35C

rMo）螺母（45號）；5---2（）℃可使用35CrMoA或16Mn；—21℃以下應使用奧氏體不

銹鋼作為螺栓材料。另外，應盡最在保溫層以外使用螺栓連接，可使用普通材料的螺栓

（8.8級）。

貼板結構在鋼板周邊焊接，如板過大受力不好，鋼板超過200x200時，最好采用左圖

結構，用四塊拼成。尤其對球面圓柱面尤為必要。

在設備上使用三角架，如設備的兩個生根件之間殼體又有熱膨脹，而三角架則在環境

溫度下，處理不好，三角架和設備壁都會產生很大的應力。因此，這種情況應盡量不使用

三角架。否則需在結構上采取措施。如a圖。

在實際設計中，應將預焊件的位置、荷載（力，力矩），預焊件的尺寸提供給設備設

計者，以滿足支架設計的要求。

⑵在混凝土結構上生根

管道布置在建筑物內時，管道支架在混凝土結構上生根是常見的.通常采用的方法有：

①預埋鋼板；②型鋼；③套管；④在混凝十.結構上鉆孔后用膨脹螺栓固定。

①預埋鋼板便于支架安裝，可適應施工中較大的位置偏差，廣泛用于柱、梁、樓板、

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基礎等的表面。

2預埋型鋼常用于梁、柱、基礎等的拐角處，這種長條預埋件，通常用于支架位置

不確定時，還可起到保護梁、柱的作用。

3預埋套管數量可根據工程需要，大多數采用I寸鋼管（DN25）,可穿過M20和

M24的螺栓以連接支架構件。

4膨脹螺栓用于支架生根，優點是不需預埋，缺點是有時位置不適合會碰上混凝土

內的鋼筋，且不適用于振動和有沖擊荷載的場合。

為保證生根件有足夠的強度，應將荷載包括力和彎矩，扭矩等應提交給土建結構設計

者，只提供預埋板的尺寸是不夠的。

對無預埋件的情況下，可采用雙頭螺柱夾緊型鋼構件的結構，使之抱在柱上。

在柱間加梁的情況最好采用牛腿的結構，以免鋼梁受溫度變化對預埋件產生過大的力。

穿過樓板的垂直管道，需要在樓板面做固定支架時，常在樓面孔周圍通理鋼板，或在

開孔附近預埋套管，用螺栓連接。

⑶在墻上生根

在墻上生根的支架以懸臂和三角架為主。通常的做法有：墻上預留孔，砌預制塊（帶

有預埋鋼板），以及采用膨脹螺栓固定等。

①施工比較方便。（有圖）

②需要提前做預制塊，以便砌墻時使用，受力較好。（有圖）

③臨時轉孔安裝膨脹螺栓，只能用于荷載小的場合。（有圖）

在墻上生根支架，承載不能過大，應注意驗算生根點以上的磚墻高度。

H>^^1.02^-0.625^+0.625B

式中：H—需要的填充墻高度，〃八

W管道的垂直荷載，，；

4一混凝土塊寬度，陽：

力一混凝土塊厚度，或磚墻厚度，〃?；

L—懸臂的計算長度。

生根點沒有足夠的磚墻重量壓住是不安全的。

在墻上生根除了考慮混凝土的許用壓應力外，還要考慮磚的許用壓應力只有\OMPa.

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⑷生根在地面上

在水泥鋪砌的地面上做支架生根，由廣鋪砌面會受氣候的影響，容易產生熱脹冷縮而

開裂變形，特別是受土壤冰凍層的影響而變形隆起等情況。因此，在地面上生根只限于不

重要管道，并有柔性荷載小，地面變形對管道無影響的條件。

⑸在基礎上生根

管道支架的荷載較大，（1000N以上），或者管道有振動，或對支架的支承要求高時，

應在基礎上生根。

基礎的大小和埋深與荷載，地耐力，凍土深度等有關，應有土建設計者決定。

基礎頂部的生根結構，通常有三種：

①預埋鋼板；

②預埋地角螺栓.

?預留孔，基礎預留孔的深度一般為20?30倍螺栓的直徑。二次灌漿層的厚度一般

在20?30〃〃〃之間。

⑹在鋼結構上生根

支架在鋼結構上生根是最常見的，通常采用焊接或用螺栓連接于梁或柱上。采用焊接

的居多，這對于設計和施工都比較方便、靈活。如果荷載較大，生根部位應盡量位于主梁

或柱上。若在次梁上應靠近梁和柱的接點，以減小梁的變形，應盡量避免使梁受扭（有

圖）。

為避免型鋼的翼緣扭曲，常在受力處增加筋板（有圖）。

如果管道荷載較大，可盡量不用懸臂梁，以避免產生不必要的扭矩。

在柱上生根經常采用懸臂梁或三角架。當柱子較細時，也要避免受扭曲。在鋼結構上

生根不需要預埋件，但是荷載的條件仍是需要的。否則，土建結構的設計中缺少部分荷載

（特別是大與5000N以上的荷載）是不安全的。

另外，彈簧支座或聚四氟乙烯滑動板支于梁上時，常需將梁局部加寬。在靠近螺栓附

近，必須采用筋板加強。

⑺在大管上生根

小管道的支架間距不能太大，有時在大管與小管一同敷設時，可采用大管支承小管的

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管道支架的設計分析

方法。其形式如左圖。

圖中小管必須是滑動支承。

16.輔助鋼結構

支架輔助鋼結構介于管部附著件和被生根件之間，懸臂梁、三角架等結構都屬于輔助

鋼結構C

①懸臂架和三角架

a圖是最典型的懸臂架，生根部受療矩，端部撓度較大，L通常W500mm；

b圖在根部設加強筋板，可減少根部的彎矩及撓度；

c圖為變截面懸梁架：可采用大槽鋼一分為二制作；

d圖為三角支架可承受較大的力和力矩，L>750mm,但一般不大于?1500mm。

@帶水平斜掾的三角架

如果水平力較大，常在三角架橫向構件同一高度處增加斜水平支撐。可顯著降低水平

彎矩。但應注意斜支撐不要碰到其他管道或其他構件，并在有牢固的生根點時方采用。

?上懸式型鋼支架

17.剛性吊架

通常指圓桿吊架。一般在上部結構及卜部結構中均為釵接。當管道有水平位移時，吊

桿成傾斜位置，有水平分力。但吊架的水平位移量是有限制的，移動范圍和桿長成比例。

一般吊桿的轉角為20,0兆應控制在4。以下，以避免吊桿對管道產生過大的水平力及荷載

轉移。

在有熱膨脹的管道中，經常采用較小的偏移量S,SW4（L為拉桿長度）。吊桿的承

重應留有余地，要考慮圓桿的腐蝕量及鄰近支架轉移荷載的可能性。

選用圓桿吊架時，應注意各種剛性吊架都有其最小的結構長度。選用時，總長度應大

于通用圖中最小結構長度。桿的直徑按荷載決定，10mm以下一般不采用。Q235-A碳鋼吊

桿作用拉應力宜控制在70MPa以內。

不宜連續使用過多［的吊架，在有振動的管道中不宜使用。

圓桿吊架的中部常帶有花藍螺栓，便于調節長度，同時需配有鎖緊螺母，以免松動。

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管道支架的設計分析

18.滑動支架

管道下方有可支承的土建結構時，常選用滑動支架，管托是比較經濟且簡單的滑動架,

常采用T形，H形型鋼及鋼板制造。

滑動架有水平摩擦力，對抑制振動優于吊架。滑動架多時，傳遞到固定點上的水平力

較大。有時選用帶聚四氟乙烯滑動板的支架，以降低水平摩擦力，一般當垂直荷載在1噸

以.上時可考慮使用。

聚四氟乙烯滑動板是工廠生產的專用產品，由聚四氟乙烯板與鋼板制成，安裝在設備

支座及管托等下面。通常可使用一對四氟乙烯滑動板，或一塊滑動板與不銹鋼板配合使用。

摩擦系數：

對不保溫的大口徑（DN300以上）及重要管道的下面應焊接防止磨損的保護板。水平

管的管托在支架中屬于標，隹架，長度是定長的，（300,450）必要時可特殊加長。

管托支耳設計時，應防止熱態滑落，對熱位移較大處的管托應仔細計算，偏置安裝

（與位移方向相反）管托偏置是

穿樓板的熱管道尤其要注意，E值應滿足熱位移要求，避免管道與樓面管結構相碰，

且不宜小于50mm。彈簧支架應與樓面相接，支耳應有足夠長度，避免滑落，邊緣最遠應

不越過彈簧支架中心20mm.

左圖（a）設計時應注意h值不宜過大，取值應保證摩擦力產生的彎矩〃=Fx/?在允

許的范圍內。

滑動面以下的構件應為底部固定結構的柱式架，井可以承受/xL彎矩。另外，設備

口附近的支架應優先選用（c）圖的形式，避免采用b圖的形式。

19.可變彈簧支吊架

管道承重點如有垂直向熱位移，一般要設彈性支架。彈性架最常用的是變力彈簧吊架

和變力彈簧支座。有時為增加支架的承載能力可將幾個彈簧并聯使用（2,4,6,8個等工

有時支點的位移變化太大，以致使彈簧的荷載變化率超出J'允許范圍，可將幾個彈簧串聯

使用，每個彈簧可在給定的荷載變化率的條件下增加了整個支架總的位移量。（通常串聯數

不超過2個）。變力彈簧支吊架的荷載變化率一般控制在25%以bo

荷載變化率="作修鬻荷或x10000=彈簧系鬻產x100。。

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管道支架的設計分析

位移量的大小隨彈簧系數而變化，所以不能認為荷載變化率和彈簧系數成比例；但一

般情況，彈簧系數越小，荷載變化率越小。荷載變化率越高，彈簧越接近剛性吊桿。相應

地，對管道的熱膨脹所產生限制越大。另外，變化率越小，相對一定的荷載和給定的位移

彈簧就越笨重。

在一般情況下，彈簧架按熱態吊零設計，即保證管道在熱態工作狀態下，按個支撐點

垂直位移為零設計。管道在熱態工況下具有良好的荷載分配。有時也有特殊設計需要，對

某個或某幾個彈簧支架按給定的安裝荷載安裝。

彈簧支吊架是依據熱態（工作時）的荷載P〃及垂直向熱位移/兩個條件進行選用的。

安裝荷載女?可按下式計算：

Pc=PH±4-K（#）

式中：K-彈簧常數：

/—熱位移品：

匕L工作荷載。

每一種K對應一個彈簧號，K可以從彈簧系列表中查出。見附錄H。

一般生■和P〃必須在彈簧許用荷載的范圍內，約在4500?9500之間，并符合荷載變化

率的要求。熱位移向上時，式（#）中應采用正號；熱位移向下時，采用負號。出廠的產

品應按Pc設定設置，并用卡板卡住彈簧在被壓縮的位置，便于安裝，在運行前將卡板除去。

垂直向熱位移量/采用筆算時，參見6.5介紹的算法。可變彈簧架系列有化工設計標準

（CD42B5）,或按國際彈簧系列，見G8/0/82,