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摘要：指出了高层建筑中空调水系统立管固定支座受力计算的重要性介绍了计算方法，并为保证波纹补偿器的使用寿命提出了合理的选择方法。
关键词：固定支座；作用力计算；波纹膨胀补偿器
Abstract: The hollow water system in high rise building riser pipe of the importance of capacity calculation method is introduced, and in order to ensure the service life of the corrugated compensator is proposed to select the reasonable method.
Keywords: fixed bearing; force calculation; bellows expansion joint
中图分类号：TU831.3+5 文献标识码： 文章编号：
前言
在高层建筑空调系统中为了保证竖向布置的水管能安全、可靠地安装和运行，往往需要设置固定支架、活动支架和膨胀补偿器。随着建筑物高度和规模的增加,立管管径也随之增大,这就使得其固定支架所承受的垂直推力也越来越大,有时甚至达几百kN。应该说这对大楼的结构,至少对局部结构设计是一个不可忽视的因素。因此,如何正确计算固定支架的受力和合理选择、安装补偿器就显得十分重要。
1、竖向水管固定支架垂直推力的组成
1.1管道自身的重量和保温材料的重量fg fg=L・(qg+qb)(1)式中L———计算管道的长度,m; qg,qb——管道及保温材料单位长度重力,N/m。
1.2活动支架与管道之间因温度变化而伸缩所产生的摩擦力。由于摩擦力与正压力成正比,而垂直安装的管道不 会像水平管道那样对活动支架产生那么大的正压力,一般认为可以忽略不计
1.3补偿器的弹性力fd 由于补偿器的形式不同,其产生的变形反力也不一样。大致有以下几种:①采用方型补偿器或L型、Z型自然补偿器时,可按其形状、管径等因素计算在X、Y轴方向上产生的弹力。②采用套管式补偿器时,需考虑套管内部摩擦力产生的推力ftm。③采用不锈钢波纹管补偿器时,需考虑波纹管因变形产生的弹力(或拉力)fd 12-26 fd=Kx・ Δδ(2)
式 中Kx———补偿器总体的轴向刚度,N/mm; Δδ——补偿器的轴向变形量。
由于不锈钢波纹管补偿器具有占用空间小、不易泄漏、补偿量大、应用范围广的优点,
所以它往往被设计人员作为首选的对象。基于这个原因本文将以这种形式的补偿器来进行分析和举例。 补偿器在使用中会被压缩或拉伸,产生的弹性反力有时向上,也有时向下
为保证固定支架的计算受力是最大力,可將此力方向按与重力方向一致考虑,故在下述推力计
算中均按向下方向计算。
1.4管内水压力产生的推力fn 管内水压力的作用,会在垂直于管道内壁面上产生压力。在竖向管道中,这个压力在水平方向上的合力为零;而在垂直方向上,根据管径的不同变化会产生向上或向下的推力。水压力产生的推力(流通断面积为A2),变径处的管内水压力为pn,它在垂直方向上的分压力为pny=pn・sinα。那么它产生的向上托力为: fn=- ∫ l2l 1 2πl・sinα・pn ・ sinαdl=-π・sin2α・pn(l22 -l12 )因为R1=l1sinα,R2=l2・ sinα,那么fn=-π・pn(R22-R12)=pn(A1-A2)反之,当管段为上粗、下细时,产生的推力是向下的。如果竖向管段的上端封住,而下端设有波纹补偿器且管径不变时,固定支架会承受一个向上的托力。这里pn为该管段顶端之内压。反之,当该管段下端封住或转弯、而上端设有波纹补偿器时,fn=pnA1,产生一个向下的推力,且pn为管段下端的水内压。在一个运行的空调水系统中,严格地讲,管内的水压力会随着每一处的位置不同及流量的不断变化而变化的。
为了简化计算,将其分成两种工况来考虑:
一种是当系统水泵不运行的静态工况;另一种是只考虑系统满负荷运行,水在流动状态下的动态工况。由于水泵扬程的作用,在管内同一位置上流动状态下的水内压力一般要比静止状态下的水静压力大。因此在断面有变化的计算管段中,当水内压作用力向上时,推力应按静态计算;当水内压作用力向下时,推力应按动态计算。 需要说明的是,这种管内水压力作用的计算方法在计算管内各个不同高度上的水压力时,已经考虑了重力影响的因素,不必再考虑管内水重量对固定支架的作用力。水在管内流动还会产生其它的力。如流动的水与管壁间的摩擦力;
流过弯头时产生的离心力等。由于计算较繁琐,且对固定支架受力的影响较小,一般可予忽略。
当竖向管道上没有波纹补偿器时,可以仅计算全部管材、保温层、管内水的重力及自然补偿管段在竖直方向上的弹性力的和,使计算简单、明了。这时,支架所受的推力不受管内水压力的影响，使计算所得的推力较小。在设计竖向管道时,只要管道的热伸缩位移控制量允许,
应尽量不采用波纹或套筒式补偿器,以获得较小的支架推力。由于补偿器型号、安装情况
不尽相同,为了安全起见,通常只考虑抵消0.7倍的较小补偿器的弹性力。
2、金属波纹补偿器的选用
在选用金属波纹补偿器时,除了应注意其型式、压力、材质、工作温度等各种因素外,还有一个很重要的性能疲劳寿命必须充分予以重视。一些厂家的资料显示,很多产品的额定补偿量是按其许用疲劳寿命n=1000次进行计算的。适当减小实际补偿量,可以大大延长其使用寿命。如果实际补偿量为额定补偿量的74%,则寿命次数可为标准次数的3～4倍;当为70%以下时,可达到4～5倍。所以在选用金属波纹补偿器时,应适当增大它的额定补偿量。 波纹补偿器在安装前一般应按照要求进行预拉伸或预压缩。预变形量可按下式计算: Δx=ΔL0.5- t-tmin tmax-tmin。Δx为预拉伸(预压缩)量,mm,Δx>0表示预拉，Δx<0表示预压缩;ΔL为实际最大轴向补偿量。
供水立管固定支座受力计算的安全性,补偿器要求的额定补偿量δ≥34.80.7 mm=49.7mm。按产品样本,273×8mm管道上的补 偿器可选用8个波纹。其参数为: 工作压力1.0MPa;额定轴向补偿量δz=56.2mm;刚度Kx=249N/mm。查产品样本可知,该补偿器的选用疲劳寿命达5000次以上。当采用预拉伸安装时,它的实际弹性力为fd1=KΔL 2 =4333N 同样,325×8mm管道上的补偿器亦选用8个波纹;参数从略。 该系统的循环水泵扬程为32m。冷水机组和机房内管道的水阻力损失共为13m。这样,机房出口处供水管内的 动态水压力比静态水压力提高约0.19Mpa。忽略了摩擦阻力和局部阻力对管内水压的影响。这样,管内计算的压力比实际压力会 大一些。这一方面是为了简化计算,另一方面计算的支架推力也比实际推力大,这可作为安全系数来考虑。为自然补偿管段在垂直方向上的弹力。 水内压作用于管底处的推力是最主要的力。 从计算可知,支架所受的力达100多kN,这时要求结构设计必须采取相应加固措施。如果在同一管井内有多根这样的竖向管道,应将固定支架错层设置,以避免设置层受力集中,使结构设计更加合理。
3、结术语
随着现代建筑物体量的增大和高度的增加,空调水系统立管管径已达到700～800mm,甚至更大。固定支座所承受的推力可达800～900kN,所以设计人员必须予以高度重视。
关键词：固定支座；作用力计算；波纹膨胀补偿器
Abstract: The hollow water system in high rise building riser pipe of the importance of capacity calculation method is introduced, and in order to ensure the service life of the corrugated compensator is proposed to select the reasonable method.
Keywords: fixed bearing; force calculation; bellows expansion joint
中图分类号：TU831.3+5 文献标识码： 文章编号：
前言
在高层建筑空调系统中为了保证竖向布置的水管能安全、可靠地安装和运行，往往需要设置固定支架、活动支架和膨胀补偿器。随着建筑物高度和规模的增加,立管管径也随之增大,这就使得其固定支架所承受的垂直推力也越来越大,有时甚至达几百kN。应该说这对大楼的结构,至少对局部结构设计是一个不可忽视的因素。因此,如何正确计算固定支架的受力和合理选择、安装补偿器就显得十分重要。
1、竖向水管固定支架垂直推力的组成
1.1管道自身的重量和保温材料的重量fg fg=L・(qg+qb)(1)式中L———计算管道的长度,m; qg,qb——管道及保温材料单位长度重力,N/m。
1.2活动支架与管道之间因温度变化而伸缩所产生的摩擦力。由于摩擦力与正压力成正比,而垂直安装的管道不 会像水平管道那样对活动支架产生那么大的正压力,一般认为可以忽略不计
1.3补偿器的弹性力fd 由于补偿器的形式不同,其产生的变形反力也不一样。大致有以下几种:①采用方型补偿器或L型、Z型自然补偿器时,可按其形状、管径等因素计算在X、Y轴方向上产生的弹力。②采用套管式补偿器时,需考虑套管内部摩擦力产生的推力ftm。③采用不锈钢波纹管补偿器时,需考虑波纹管因变形产生的弹力(或拉力)fd 12-26 fd=Kx・ Δδ(2)
式 中Kx———补偿器总体的轴向刚度,N/mm; Δδ——补偿器的轴向变形量。
由于不锈钢波纹管补偿器具有占用空间小、不易泄漏、补偿量大、应用范围广的优点,
所以它往往被设计人员作为首选的对象。基于这个原因本文将以这种形式的补偿器来进行分析和举例。 补偿器在使用中会被压缩或拉伸,产生的弹性反力有时向上,也有时向下
为保证固定支架的计算受力是最大力,可將此力方向按与重力方向一致考虑,故在下述推力计
算中均按向下方向计算。
1.4管内水压力产生的推力fn 管内水压力的作用,会在垂直于管道内壁面上产生压力。在竖向管道中,这个压力在水平方向上的合力为零;而在垂直方向上,根据管径的不同变化会产生向上或向下的推力。水压力产生的推力(流通断面积为A2),变径处的管内水压力为pn,它在垂直方向上的分压力为pny=pn・sinα。那么它产生的向上托力为: fn=- ∫ l2l 1 2πl・sinα・pn ・ sinαdl=-π・sin2α・pn(l22 -l12 )因为R1=l1sinα,R2=l2・ sinα,那么fn=-π・pn(R22-R12)=pn(A1-A2)反之,当管段为上粗、下细时,产生的推力是向下的。如果竖向管段的上端封住,而下端设有波纹补偿器且管径不变时,固定支架会承受一个向上的托力。这里pn为该管段顶端之内压。反之,当该管段下端封住或转弯、而上端设有波纹补偿器时,fn=pnA1,产生一个向下的推力,且pn为管段下端的水内压。在一个运行的空调水系统中,严格地讲,管内的水压力会随着每一处的位置不同及流量的不断变化而变化的。
为了简化计算,将其分成两种工况来考虑:
一种是当系统水泵不运行的静态工况;另一种是只考虑系统满负荷运行,水在流动状态下的动态工况。由于水泵扬程的作用,在管内同一位置上流动状态下的水内压力一般要比静止状态下的水静压力大。因此在断面有变化的计算管段中,当水内压作用力向上时,推力应按静态计算;当水内压作用力向下时,推力应按动态计算。 需要说明的是,这种管内水压力作用的计算方法在计算管内各个不同高度上的水压力时,已经考虑了重力影响的因素,不必再考虑管内水重量对固定支架的作用力。水在管内流动还会产生其它的力。如流动的水与管壁间的摩擦力;
流过弯头时产生的离心力等。由于计算较繁琐,且对固定支架受力的影响较小,一般可予忽略。
当竖向管道上没有波纹补偿器时,可以仅计算全部管材、保温层、管内水的重力及自然补偿管段在竖直方向上的弹性力的和,使计算简单、明了。这时,支架所受的推力不受管内水压力的影响，使计算所得的推力较小。在设计竖向管道时,只要管道的热伸缩位移控制量允许,
应尽量不采用波纹或套筒式补偿器,以获得较小的支架推力。由于补偿器型号、安装情况
不尽相同,为了安全起见,通常只考虑抵消0.7倍的较小补偿器的弹性力。
2、金属波纹补偿器的选用
在选用金属波纹补偿器时,除了应注意其型式、压力、材质、工作温度等各种因素外,还有一个很重要的性能疲劳寿命必须充分予以重视。一些厂家的资料显示,很多产品的额定补偿量是按其许用疲劳寿命n=1000次进行计算的。适当减小实际补偿量,可以大大延长其使用寿命。如果实际补偿量为额定补偿量的74%,则寿命次数可为标准次数的3～4倍;当为70%以下时,可达到4～5倍。所以在选用金属波纹补偿器时,应适当增大它的额定补偿量。 波纹补偿器在安装前一般应按照要求进行预拉伸或预压缩。预变形量可按下式计算: Δx=ΔL0.5- t-tmin tmax-tmin。Δx为预拉伸(预压缩)量,mm,Δx>0表示预拉，Δx<0表示预压缩;ΔL为实际最大轴向补偿量。
供水立管固定支座受力计算的安全性,补偿器要求的额定补偿量δ≥34.80.7 mm=49.7mm。按产品样本,273×8mm管道上的补 偿器可选用8个波纹。其参数为: 工作压力1.0MPa;额定轴向补偿量δz=56.2mm;刚度Kx=249N/mm。查产品样本可知,该补偿器的选用疲劳寿命达5000次以上。当采用预拉伸安装时,它的实际弹性力为fd1=KΔL 2 =4333N 同样,325×8mm管道上的补偿器亦选用8个波纹;参数从略。 该系统的循环水泵扬程为32m。冷水机组和机房内管道的水阻力损失共为13m。这样,机房出口处供水管内的 动态水压力比静态水压力提高约0.19Mpa。忽略了摩擦阻力和局部阻力对管内水压的影响。这样,管内计算的压力比实际压力会 大一些。这一方面是为了简化计算,另一方面计算的支架推力也比实际推力大,这可作为安全系数来考虑。为自然补偿管段在垂直方向上的弹力。 水内压作用于管底处的推力是最主要的力。 从计算可知,支架所受的力达100多kN,这时要求结构设计必须采取相应加固措施。如果在同一管井内有多根这样的竖向管道,应将固定支架错层设置,以避免设置层受力集中,使结构设计更加合理。
3、结术语
随着现代建筑物体量的增大和高度的增加,空调水系统立管管径已达到700～800mm,甚至更大。固定支座所承受的推力可达800～900kN,所以设计人员必须予以高度重视。