管廊内HDPE管材支吊架间距和宽度的设计方法

技术领域

本发明属于管廊内管材的固定结构设计技术，具体涉及一种管廊内HDPE管材支吊架间距和宽度的设计方法。

背景技术

城市综合管廊可集中布设多种管线，节约空间资源，便于集中维护，目前已广泛应用于城市建设中。以往综合管廊输送系统管道一般采用碳钢、铸铁、混凝土等材料，金属管道存在着比较严重的电化学腐蚀和微生物诱发腐蚀等问题，管道会出现防腐内衬脱落、阴极保护电流失效等问题，给综合管廊的安全运行带来极大的隐患。并且钢管或铸铁管需要定期进行检测和维护，费用极高，而高密度聚乙烯(HDPE)管能很好的解决腐蚀与结垢问题。

与一般管道结构不同，综合管廊受地震等灾害冲击而出现损毁时，破坏位置隐蔽、修复困难，且易导致城市系统功能的大规模故障，造成直接和间接的损失远大于一般管道结构。而我国历年来地震多发、震灾严重，因此保障综合管廊内部管线安全、最大程度地减少地震造成的破坏，是工程界关注的焦点。对管廊结构的安全性和可靠性进行地震响应分析是当前合理评价地震对工程结构影响的常用手段。支吊架系统作为管廊稳定运营的关键结构，其安装效果也越来越受到各方的重视。

管道沿管廊敷设或悬挂于建筑结构内都要由支吊架支承重量。管道内介质与建筑物有温度差异时，管道各支吊点相对生根点会有空间移动，因而支吊架应满足并控制移动的功能，阻止支吊处不发生过载或失载，避免管道出现过大的应力和应力变幅以及变形。管道支吊架还要保障在地震大风等自然灾害时维持管道输送介质的能力，并抑制突然停泵，阀门急关等技术故障对管道的冲击振动。管道支吊架是压力管道的重要支撑件，其工作状态的好坏关乎管道系统的应力状态，将直接影响到管道系统能否安全运行。

目前没有适用于架空HDPE管道的支吊架标准。支吊架跨距的确定一般有2种方法，第一种是查阅相关标准规范中的经验跨距，ASME BPVC.III.NF分卷3600部分对金属管道支承件做出了相关规定。第二种是根据管道的刚度和强度分别计算管道支吊架的间距后，取二者之间的最小值。

但已有的方法仍存在一定的不足，例如：ASME BPVC.III.NF分卷中支吊架的推荐间距是针对金属管道的，非金属管有别于金属管的性能，非金属管道刚度相对较低，应该综合考虑非金属管的特性，选取合理的支吊架间距防止管道在使用过程发生变形；基于管道刚度和强度要求计算管道支吊架的间距，尚没有标准给出HDPE管材最大允许挠度。目前国内外均尚无针对HDPE管道支吊架间距的标准，此外已有的金属管道标准中只对支吊架间距给出了推荐值，针对支吊架宽度的规范和设计方法还是一片空白，但支吊架宽度是支吊架设计必须考虑的因素，过宽的支吊架会造成材料的浪费，增加管道工程的投资，过窄的支吊架宽度会加剧管道局部应力集中。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种管廊内HDPE管材支吊架间距和宽度的设计方法。

本发明的技术方案如下：一种管廊内HDPE管材支吊架间距和宽度的设计方法，包括：

(1)利用三维绘图软件绘制直管段HDPE管道模型；

(2)针对绘制的直管段HDPE管道模型，在有限元分析软件中设置HDPE材料参数；

(3)设置分析步，包括静力学分析步和动力学分析步；

(4)设置直管段HDPE管道模型的载荷和边界条件，并划分网格；

(5)设计抗震试验验证有限元地震模拟模型的合理性；

(6)根据直管段HDPE管道模型的应力大小，确定直管段支吊架间距L和支吊架宽度W的取值范围。

进一步，如上所述的管廊内HDPE管材支吊架间距和宽度的设计方法，步骤(2)中，所述材料参数包括：HDPE管材密度ρ、HDPE管材弹性模量E、HDPE管材泊松比υ、HDPE管材热膨胀系数α和HDPE管材工作温度T。

进一步，如上所述的管廊内HDPE管材支吊架间距和宽度的设计方法，步骤(3)中，在所述动力学分析步中设置地震模拟时间和最大分析步步长，最大分析步步长应小于地震加速度频率对应的周期，以保证地震加速度信息均被捕捉。

更进一步，在所述动力学分析步中，地震的振动频率分布在0～33Hz之间，动力学最大分析步步长设置为0.01s。

进一步，如上所述的管廊内HDPE管材支吊架间距和宽度的设计方法，步骤(4)中，所述载荷包括压力载荷P、温度载荷T

更进一步，所述压力载荷P为0.7MPa，所述管道安装温度为20℃，最高运行温度为50℃。

进一步，如上所述的管廊内HDPE管材支吊架间距和宽度的设计方法，步骤(4)中，所述边界条件包括支吊架位置和支吊架自由度，在直管段HDPE管道模型的两端设置固定型支吊架，在静力学分析步中对管道X、Y、Z三个方向的位移起约束作用，在动力学分析步中在支吊架处输入地震波加速度时程谱以模拟地震载荷。

进一步，如上所述的管廊内HDPE管材支吊架间距和宽度的设计方法，步骤(4)中，直管段HDPE管道模型采用六面体结构网格，并对网格敏感性进行分析。

进一步，如上所述的管廊内HDPE管材支吊架间距和宽度的设计方法，步骤(5)中，抗震试验采用1：1尺寸试样，试验段采用与原型相同的材料和尺寸进行加工，加工后的试验段通过钢结构支撑台架固定于振动台上进行试验；根据试验段抗震模拟分析的计算结果，在试验段的典型部位布置加速度传感器和应变片，监测试验段实际的地震波输入以及在地震载荷下典型部位的动态响应，并将试验监测计算结果与有限元计算结果进行比较，验证有限元模拟直管段地震分析方法的合理性。

进一步，如上所述的管廊内HDPE管材支吊架间距和宽度的设计方法，步骤(6)中，通过改变直管段支吊架间距L和支吊架宽度W的数值，求解直管段HDPE管道模型对应载荷工况下的应力大小，综合应力大小和支吊架制作成本，对支吊架进行优化设计。

进一步，如上所述的管廊内HDPE管材支吊架间距和宽度的设计方法，还包括步骤(7)，将多组不同直径HDPE管材的直径D与支吊架间距L和支吊架宽度W的关系进行线性拟合，得到管材直径D与支吊架间距L和支吊架宽度W之间的函数关系；支吊架间距L和支吊架宽度W的取值范围为斜率最大线性拟合曲线与斜率最小线性拟合曲线包围区域。

本发明的有益效果如下：

1.通过本发明，可以得到不同直径HDPE管材满足抗震要求的支吊架间距L和支吊架宽度W的取值范围，核电厂内管廊架空HDPE管道布置可以根据推荐取值范围选取，保障核电厂内管道系统安全运行。

2.通过本发明，可以通过调整支吊架间距L和支吊架宽度W，改变管道系统的应力状态，合理布置管道，选择适宜支吊架间距L和支吊架宽度W，同时满足经济合理和安全适用的工程建设要求。

附图说明

图1为本发明管廊内HDPE管材支吊架间距和宽度的设计方法流程图；

图2为直管段HDPE管道模型及网格划分示意图；

图3为输入地震波X方向加速度时程谱示意图；

图4为输入地震波Y方向加速度时程谱示意图；

图5为输入地震波Z方向加速度时程谱示意图；

图6为固定型支吊架在直管段HDPE管道上的位置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

本实施例提供了一种直管段HDPE管材支吊架间距和宽度设计方法，对长为12m，直径为88.9mm，SDR11的直管段HDPE管道，支吊架间距L和支吊架宽度W的取值进行计算。

如图1所示，具体测算过程如下：

1.利用三维绘图软件绘制长12m，直径为88.9mm，SDR11的直管段HDPE管道，管道几何参数包括：管道外径D和管道壁厚e。

根据下式计算管道壁厚e，单位为mm：

SDR为标准尺寸比，是指管件的公称外径与公称壁厚的比值。

2.在有限元分析软件(例如ANSYS等)中设置HDPE材料参数

所述材料参数包括：HDPE管材密度ρ、HDPE管材弹性模量E、HDPE管材泊松比υ、HDPE管材热膨胀系数α和HDPE管材工作温度T。其中，HDPE管材弹性模量E与时间t和温度T有关，如下式所示，

E＝E(T,t)

表1 HDPE基本材料参数

表2 HDPE弹性模量(MPa)

本实施例中，HDPE管材密度ρ＝960kg/m

3.在有限元分析软件中设置分析步

分析步包括静力学分析步和动力学分析步，在动力学分析步中设置地震模拟时间和最大分析步步长，最大分析步步长应小于地震加速度频率对应的周期，以保证地震加速度信息均被捕捉。本实施例中，地震模拟时间设置为8s，地震的振动频率分布在0～33HZ之间，最大分析步步长设置为0.01s。

4.在有限元分析软件中设置载荷和边界条件，并划分网格

所述载荷包括压力载荷P、温度载荷T

边界条件包括支吊架位置和支吊架自由度，在直管段两端设置固定型支吊架(如图6所示)，在静力学分析步中对管道X、Y、Z三个方向的位移起约束作用，在动力学分析步中在支吊架处输入地震波加速度时程谱以模拟地震载荷，X、Y、Z三个方向的地震波加速度时程谱分别如图3、图4和图5所示。

如图2所示，直管段模型采用六面体结构网格，为保证模型计算精度，模型采用线性网格和减缩积分方式，有限元网格的数量对计算有较大影响，网格越小则计算结果相对越精确，但有时网格过小会导致单元在大变形下发生畸变而造成计算不收敛，且计算成本较高，为获得较为精确的结果和网格尺寸的平衡，对网格敏感性进行分析。在分析直管段模型的网格时，先设定初始网格尺寸，如先以0.1*壁厚作为初始网格尺寸，然后以一个特定系数(如0.8)逐渐减小，观察分析结果变化的差异。当下一次分析结果与网格变化前的分析结果相差不超过5％，则认为当前网格设置合理。

5.设计抗震试验验证有限元地震模拟模型合理性

抗震试验采用1：1尺寸试样，即采用原型设备进行试验鉴定。试验段采用与原型相同的材料和尺寸进行加工，加工后的试验段通过钢结构支撑台架固定于振动台上进行试验。台架具有足够大的刚度，以保证振动台的振动经支撑台架传递至试验段的固定支承点处时，没有明显的频率和幅值变化。

根据对试验段抗震模拟分析的计算结果，在试验段的典型部位布置加速度传感器和应变片，监测试验段实际的地震波输入以及在地震载荷下典型部位的动态响应。将试验监测计算结果与有限元计算结果进行比较，结果表明，理论分析结果与试验监测结果误差均在20％以内，说明有限元模拟直管段地震分析方法是合理的。

6.根据直管段应力大小，确定直管段支吊架间距L和支吊架宽度W的取值范围

通过改变直管段支吊架间距L和支吊架宽度W的数值，求解直管段对应载荷工况下的应力大小，对支吊架进行优化设计。

长为12m，直径为88.9mm，SDR11的直管段HDPE管道在支吊架宽度分别为1倍直径、0.5倍直径、0.25倍直径、1.5倍直径和2倍直径时应力大小如表3所示。综合应力大小和支吊架制作成本，长为12m，直径为88.9mm，SDR11的直管段HDPE管道支吊架宽度选用0.25倍直径，即22.23mm。

表3 88.9mm直管段HDPE管道在不同支吊架宽度下的应力

长为12m，直径为88.9mm，SDR11的直管段HDPE管道在支吊架宽度为0.25倍直径，支吊架间距为12m、6m、4m、3m和2.4m时应力大小如表4所示。综合应力大小和支吊架制作成本，长为12m，直径为88.9mm，SDR11的直管段HDPE管道支吊架间距选用4m。

表4 88.9mm直管段HDPE管道在不同支吊架间距下的应力

7.拟合不同直径管材D与支吊架间距L和支吊架宽度W之间的函数关系

将多组不同直径管材D与支吊架间距L和支吊架宽度W的关系进行线性拟合，得到管材直径D与支吊架间距L和支吊架宽度W之间的函数关系。支吊架间距L和支吊架宽度W的取值范围为斜率最大线性拟合曲线与斜率最小线性拟合曲线包围区域。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。