地铁停车列检库管线综合吊架设计与应用

2022-09-11

随着地铁设备系统功能日趋完善和技术发展, 地铁车库的设备管线的种类和数量越来越多, 要求也越来越高, 而停车列检库的空间降低了, 因此如何规范合理和充分考虑运行维护检修要求设计和安装库内综合管线以及提升管线布设水平, 已成为地铁车辆段设计的一大难题。近年来, 在机场、大型工业厂房等领域已开始应用综合支吊架技术 (即装配式管线支吊架系统) , 可以相对有效地解决管线合理和规范布设以及集中安装空间紧张等问题。鉴于装配式管线支吊架系统具有吊杆不重复、与结构连接点少、施工效率高、空间节约、后期管线维护、扩容方便等特点, 北京地铁机场线车辆段采用了装配式管线支吊架系统技术, 取得了良好效果。

1 目前地铁车辆段停车列检库管线综合存在的问题

(1) 随着时代发展, 尽管停车列检库的库内所停放和检修的列车和土建条件变化以及运营的管理和服务标准提高, 但由于管线固定点受结构条件限制, 停车列检库的空间降低了, 库内管线没有好的综合规划和统筹考虑等原因, 各设备系统的管线安装和固定随意性大, 管线均独立安装, 个别管线扭曲固定方案不合理, 检修空间不足, 严重的导致无法检修、抢修。

(2) 传统作法各专业管线各自独立, 分别独立设置自己的吊架, 过多的吊架影响了管线安装空间, 并且采取焊接和预钻孔的连接方式, 不可调整。

(3) 施工效率低, 局部检修困难, 不利于设备调试及后期运营维护。最终往往导致部分管线安装存在不规范的现象, 合理性较差。

2 综合支吊架的应用分析

2.1 综合吊架简介

地铁车辆段停车列检库的风管、水管、电缆桥架等地铁各设备专业的管线及其相关设备的固定在部分管线集中安装空间紧张部位采用综合支吊架, 即装配式管线支吊架系统, 装配式管线支吊架系统可由专业厂家按标准工艺和系列产品来组合完成, 也可由设计单位根据每个支吊架条件和要求个性化设计综合支吊架来完成。该系统由锚固件或预埋槽钢、U型槽、转接件、管卡、可调式槽钢螺母及支托系统通过螺栓机械连接的方式组成, 连接件可以随意调节管道支架的尺寸、高度, 此支吊架现场应做到不焊接。综合管线的吊架系统的框架由一个或多个U型槽组成的刚性支架;该组合支吊架根据设计管线安装层数一般分为单层或多层系统, 并具备现场调节和增改的功能, 也更有利于管线布设的空间利用。地铁车站综合管线装配式管线吊挂支架系统应以国标图集《装配式管道吊挂支架安装图》 (03SR417-2) 为标准, 为了更好地保证地铁车站管线安装的安全性和稳定性, 一般采用矩形支吊架为主要形式。横梁 (担) 可根据现场实际情况进行标高或位置灵活调节, 能根据以后系统运行需求进行系统扩展。其本身要具有防腐等各项指标, 在现场免焊接免涂刷防腐涂料。与原有混凝土采用锚栓连接, 与原有钢结构采用夹具免焊连接, 并达到与现场焊接类支架同等的强度。锚栓均固定在混凝土顶板上 (固定在梁或柱上也可) , 或满足设计承载需要的构件上。

鉴于管线综合装配式管线支吊架系统具有吊杆不重复、与结构连接点少而牢固、施工效率高、空间节约、后期管线维护、扩容方便等特点, 该系统在北京地铁1 0号线、南京地铁、广州地铁、上海地铁已有部分应用, 并在长江三峡水电站、大型电子厂房、地下车库等有成功应用。

2.2 技术要求及应用分析

管道支吊架作为承力结构, 强度和刚度必须符合相关的国家标准、规范和规定, 以满足工程要求。制作管道吊挂支架的材料选择应满足地铁工作环境和被夹管内介质的温度和压力要求, 结构设计时许用应力按使用温度下材料的最小抗拉强度的1/4和最小屈服强度的5/8两者的较小值进行控制。刚度按《钢结构设计规范》的相关要求进行控制。装配式管线支吊架的生产厂家应按《管道支吊架·第1部分:技术规范》GB/T17116.1-1997的规定, 对各种规格的吊挂支架用物理方法进行设计验收或鉴定试验。

管道吊挂支架是将管道自重及所受的荷载传递到建筑承载结构上, 并控制管道的位移, 抑制管道的振动, 确保管道安全运行。管道支吊架一般可分为与管道连接的管部构件, 与建筑结构连接的生根构件, 将这两种构件连接起来的传力连接构件和减振构件、绝热构件、以及辅助钢构件, 构成了管道支吊架系统。装配式管线支吊架按照简支梁、连续梁或刚构结构计算, 以挠度和截面应力进行控制, 同时需对各连接组件进行校验, 并考虑相应的检修荷载;综合管线中支架系统的设计, 需根据管路排布及不同承载力要求, (如管路及载体重量, 冲击荷载, 温度及变形引起的轴向力) 提供相对应的计算书, 以确保其设计及安装的安全可靠。装配式管线支吊架横梁的挠度不宜大于L/200 (L受弯构件的跨度, 对悬臂梁和伸臂梁为悬臂长度的2倍) , 受压构件的长细比不宜超过1 2 0;吊杆:吊杆按轴心受拉构件计算, 并考虑了一定的腐蚀余量, 吊杆净面积A n按下式计算, 并满足国标GB/T17116.3。

式中:A n为吊杆净截面面积 (m m 2) ;N为吊杆拉力设计值 (N) ;f为吊杆拉力设计值 (N/mm2) 。

支柱:落地支柱按照偏心受压构件计算。

横梁计算。

横梁抗弯强度计算。

式中:rx, ry为截面塑性发展系数;Mx、M y为所验算截面绕x轴和绕y轴的弯矩 (N-mm) ;Wnx、Wny为所验算截面对x轴和对y轴的净截面抵抗矩 (mm3) ;f为钢材的抗拉强度设计值 (N/mm2) 。

横梁抗剪强度计算:

式中:τ为抗剪强度 (N/mm2) ;

V为计算截面沿腹板平面作用的简力 (N) ;

S为计算剪力处以上毛截面对中和轴的面积矩 (mm3) ;

Ix为毛截面惯性矩 (mm4) ;

tw为腹板厚度 (mm) ;

fv为钢材的抗剪强度设计值 (N/mm2) 。

除了控制管道支吊架内杆件本身的挠度和内应力外, 还有两个重要的力传递关键点:杆件间的连接点和与建筑结构连接的生根点。杆件间的连接点是通过U型槽钢螺母和螺栓将搭接杆件连接起来, 并将横杆上力传递到立杆或将立杆上的力传递到生根处, 所以该连接点的可靠性就由槽钢螺母和U型槽钢的卷边来体现, 一是螺母与卷边的抗滑移力, 二是螺母与卷边的正拉力, 为保证连接点的可靠性, 单个槽钢螺母与卷边的抗滑移力应为1 7 k N及以上, 单个槽钢螺母与卷边的正拉力应为2 0 k N及以上, 并考虑2.5倍的安全系数。与结构连接的生根点是靠锚栓来承载, 锚栓组要承担整个支架自重、管道自重和介质重量, 所以要慎重计算和选择, 而且锚板厚度至少为8mm。

对每副支架也要进行抗震的验算。

连接构件中单耳吊头和多耳吊头或多耳吊头之间可组成胶状连接。弹簧支吊架和防震橡胶吊架, 应按承载能力选用, 防止弹簧过载、橡胶严重变形失去弹性功能。

2.3 北京机场线车辆段停车列检库对装配式管线支吊架的设计方案

机场线车辆段停车列检库工程综合考虑技术经济条件等因素, 管线综合装配式管线支吊架的安装部位确定为: (1) 沿行车方向的小跨度柱间。 (2) 与行车方向垂直跨度及边墙。其综合吊架的技术要点为: (1) 装配式管线支吊架以托架为主, 以合理的管线排布为基础, 吊杆和横梁的设置不能影响管线的安装, 同时要考虑管线安装和今后维护条件和空间。管线综合布置设计和装配式管线支吊架设计同步进行, 同步优化。 (2) 装配式管线支吊架产品由H型钢、U型槽钢以及相关零配件组成, 并由锚栓与结构墙体可靠连接。 (3) U型双拼槽钢须采用可靠的拼接方式, 以保证双拼槽钢的整体的传力可靠。U型槽钢为冷压成型槽钢, 截面尺寸为41mm×21mm、41mm×4 1 m m和4 1 m m×6 2 m m等, 长度为3000mm或6000mm的标准型材, 便于以后管道安装、维护和扩展使用;槽钢壁厚应大于等于2.5 m m, 连接件厚度应为大于等于6 m m。 (4) 材质要求:U型槽钢、管卡及各种连接件:Q 2 3 5钢。 (5) 所有产品的零配件及型材在工厂内预制完成, 根据现场尺寸装配, 不允许在现场进行焊接。 (6) 有关综合吊架的结构安全性计算的要求:结构荷载分项系数不应小于1.4, 结构安全等级为一级, 相应重要性系数为1.1, 并须考虑足够的施工安装荷载;对于吊杆较长 (其有效长度大于或等于2.5米) 应采取斜拉加固方案 (即将吊杆下部与结构顶板双向用螺杆斜拉) 。 (7) 对于单个综合吊架, 当单层管线荷载较大 (横担长度超过1米, 重量超过2 0 0 0 N) 的地方应采用加强横担, 当管线总重量 (超过10000N) 应增加锚栓数量。 (8) 管道吊挂支架应根据设计要求设置相应的固定支架, 滑动支座等, 同时要求在管线有接入、接出和拐弯时应增设一处支、吊架。对于温差变形较大的管道, 应按规范规定设置专用滑动 (滚动) 支架和固定支架。 (9) 综合管线布置原则:水管在下, 强、弱电桥架在上, 给排水专业的管道和采暖管道各占一侧布置。各专业管线之间的最小间距按相关安装手册或规范执行。采暖管道如果做好了保温, 那么与电力管线之间的最小间距可只考虑安装即可, 不用考虑温度对电缆桥架的影响。有压管线具有一定的推力, 尽量不要直接作用在某一结构柱上。考虑到安全性, 可通过综合管架系统传导到多数的结构柱上共同来承受。 (10) 根据管线技术要求, 安装中支吊架采用了固定支架、导向及滑动支架、吊架等型式, 以有效解决管线各种应力。⑾一些关键问题的阐明:综合管架只能作用于8米以下的柱网, 对于大跨度的柱网结构, 还是应该采用桁架结构的来实现管线的安装。综合管架的悬挑出来的长度要避免对行车限界的影响, 且高度要考虑到过车的问题 (叉车及消防车) 混凝土结构柱、墙体、钢结构柱上生根问题要区别对待, 建议柱体上的用预埋钢板, 焊接牛腿的方法;墙体上用化学锚栓。综合吊架安装效果见图1。