管道應(yīng)力分析基礎(chǔ)理論

管道應(yīng)力分析主要包括三方面內(nèi)容：正確建立模型、真實地描述邊界條件、正確地分析計算結(jié)果。所謂建立模型就是將所分析管系的力學模型按一定形式離散化，簡化為程序所要求的數(shù)學模型，模型的真實與否是做好應(yīng)力分析的前提條件。應(yīng)力分析的根本問題就是邊界條件問題，而體現(xiàn)在工程問題上就是約束（支架 ）、管口等具體問題的模擬，真實地描述這些邊界條件，才能得到正確的計算結(jié)果。要想能夠熟練而正確地分析結(jié)果，首先會正確設(shè)計支吊架，有一定的相關(guān)理論知識如工程力學，流體力學，化工設(shè)備及機械等，另外需在一定時間內(nèi)不斷摸索，總結(jié)出規(guī)律性的問題。

第一章 管道應(yīng)力分析有關(guān)內(nèi)容

1.1 管道應(yīng)力分析的目的

進行管道應(yīng)力分析的問題很多CAESARII解決的問題主要有：

1、使管道各處的應(yīng)力水平在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

2、使與設(shè)備相連的管口載荷符合制造商或公認的標準（如NEMASM23，API610 API617等標準）規(guī)定的受力條件。

3、使與管道相連的容器處局部應(yīng)力保持在ASME第八部分許用應(yīng)力范圍內(nèi)。

4、計算出各約束處所受的載荷。

5、確定各種工況下管道的位移。

6、解決管道動力學問題，如機械振動、水錘、地震、減壓閥泄放等。

7、幫助配管設(shè)計人員對管系進行優(yōu)化設(shè)計。

1.2 管道所受應(yīng)力分類

1.2.1 基本應(yīng)力定義

軸向應(yīng)力（Axial stress）：

軸向應(yīng)力是由作用于管道軸向力引起的平行管子軸線的正應(yīng)力，：SL＝FAX/Am

其中 SL＝軸向應(yīng)力MPa

FAX＝橫截面上的內(nèi)力N

Am＝ 管壁橫截面積mm2=π（do2-di2)/4

管道設(shè)計壓力引起的軸向應(yīng)力為SL＝Pdo/4t

軸向力和設(shè)計壓力在截面引起的應(yīng)力是均布的，故此應(yīng)力限制在許用應(yīng)力[σ]t范圍內(nèi)。

彎曲應(yīng)力（bending stress）：

由法向量垂直于管道軸線的力矩產(chǎn)生的軸向正應(yīng)力。

SL=Mbc/I

其中：

Mb=作用在管道截面上的彎矩N.m

C－從管道截面中性軸到所在點的距離mm

I－管道橫截面的慣性矩mm4=π(do4－dl4）/64

當C達到最大值時，彎曲應(yīng)力最大

Smax=MbR0/I= Mb/Z

彎曲應(yīng)力在斷面上是線性分布的,截面最外端應(yīng)力達到最大時，其它地方仍處于彈性狀態(tài)，故應(yīng)力限制在1.5[σ] 之內(nèi)。

周向應(yīng)力（circumferential stress）：

由于內(nèi)壓在管壁圓周的切線方向引起的正應(yīng)力。

對薄壁管 SH＝Pdo/2t

徑向應(yīng)力（radial stress）：

由內(nèi)壓在管子半徑方向引起的應(yīng)力

Sr=P(ri2-ri2 ro2/r2)/( ro2－ri2〕

剪應(yīng)力（shearing stress）：

由作用在截面上的剪切力引起的應(yīng)力。

tmax＝VQ/Am

tmax＝最大剪應(yīng)力，MPa

V＝剪切力F

Q=剪切系數(shù)

由扭矩引起的剪切力 tmax＝MTC/R

其中，MT －作用在橫截面上的扭矩N.m

C－橫截面上的點到扭轉(zhuǎn)中心距離mm

R－抗扭截面模量mm4=2I=π(do4－d4i)/32

當C最大時，扭曲應(yīng)力也最大，即C等于外半徑時

τmax＝MTRo/2I=MT/2Z

把剪應(yīng)力的各個分量求和：作用在管子截面上最大剪應(yīng)力為

τmax＝VQ/Am+MT/2Z

CAESARII計算應(yīng)力結(jié)果中有彎曲應(yīng)力，軸向應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力(然后形成規(guī)范應(yīng)力與許用應(yīng)力比較。

大多數(shù)美國管道規(guī)范標準要求應(yīng)力計算時用以下公式：

軸向應(yīng)力:SL=Mb/Z+Fmax/Am+Pdo/4t

剪切應(yīng)力：τ=MT/2Z

周向應(yīng)力：SH=Pdo/2t

1.2.2 應(yīng)力分類

管道強度破壞主要由一次應(yīng)力引起的斷裂破壞和二次應(yīng)力引起的疲勞斷裂破壞.

一次應(yīng)力：由機械外載荷引起的正應(yīng)力和剪切應(yīng)力，它必須滿足外部和內(nèi)部的力和力矩的平衡法則。

特征：一次應(yīng)力是非自限性，它始終隨所加載荷的增加而增加，超過材料的屈服極限或持久強度時，將使管道發(fā)生塑性破壞或總體變形，因此在管系的應(yīng)力分析中，首先應(yīng)使一次應(yīng)力滿足許用應(yīng)力值。

二次應(yīng)力：由于變形受到約束所產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力，它本身不直接與外力相平衡。

特征：①管道內(nèi)二次應(yīng)力通常是由位移載荷引起的（如熱膨脹、附加位移，安裝誤差，振動載荷）

②二次應(yīng)力是自限性的，當局部屈服和產(chǎn)生少量塑性變形時,通過變形協(xié)調(diào)就能使應(yīng)力降低下來。

③二次應(yīng)力是周期性的（除去安裝引起的二次應(yīng)力）

④二次應(yīng)力的許用極限是基于周期性和疲勞斷裂模式，不取決于一個時期的應(yīng)力水平，而是取決于交變的應(yīng)力范圍和交變的循環(huán)次數(shù)。

峰值應(yīng)力，局部應(yīng)力集中或局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)或局部熱應(yīng)力等所引起的較大的應(yīng)力。

(1.3 管道應(yīng)力分析判劇

石油化工管道一般遵循B31或B31.1標準

1.3.1 B31.1電力管道標準

一次應(yīng)力對應(yīng)于CAESARII中持續(xù)（SUS）工況下的應(yīng)力

SSuS=S1=0.75iMA/Z+Pdo/4t≤Sh

其中：SSUS。S1＝持續(xù)應(yīng)力MPa

i－－ 強度系數(shù)（各種類型彎矩的單一系數(shù)）依據(jù)B31.1標準附錄D

MA－由于持續(xù)載荷產(chǎn)生的總彎矩＝

Sh－材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力

二次應(yīng)力對應(yīng)于CAESARII中EXP工況下的應(yīng)力

SE=IMC/Z≤f(1.25Sc+1.25Sh-S1) MPa

其中： SE＝二次應(yīng)力范圍

i－ 強度系數(shù)（各種類型彎矩的單一系數(shù)）依據(jù)B31.1標準附錄D

Mc－由于二次載荷引起的彎矩范圍＝

Sc－材料在環(huán)境溫度下的許用應(yīng)力。

偶然應(yīng)力，對應(yīng)于風載等偶然載荷下產(chǎn)生的應(yīng)力

Soce=

其中：Socc－偶然載荷引起的總的彎矩N.m=

K－偶然載荷系數(shù)（偶然載荷發(fā)生率小于運行時間1％,系數(shù)為1.2, 發(fā)生率處于運行時間的10％,系數(shù)為1.15）

1.3.2 B31.3：化工廠和石油精煉管道標準

一次應(yīng)力：B31.3并沒有提供一個明確等式來對持續(xù)應(yīng)力作出定義，但它僅要求工程師計算由于重力和壓力引起的軸向應(yīng)力并且要求它不超過Sh，它通常表達式為：

S1=FAX/Am+[(iiMi)2+(ioMo)2]1/2/Z+Pdo/4t≤Sh

其中：

Fax－由于持續(xù)載荷產(chǎn)生的軸向力

Mi－由于持續(xù)載荷產(chǎn)生的平面內(nèi)彎矩

Mo－由于持續(xù)載荷產(chǎn)生的平面外彎矩

ii io－平面內(nèi)、平面外應(yīng)力增強系數(shù)，依據(jù)B31.3標準附錄D

二次應(yīng)力：

SE＝

其中：Mi－由于溫度（二次）載荷引起平面內(nèi)的彎矩范圍

Mo－由于溫度（二次）載荷引起平面外的彎矩范圍

MT－由于溫度（二次）載荷引起的扭轉(zhuǎn)力矩

Sc－在環(huán)境溫度下材料的基本許用應(yīng)力：依據(jù)B31.3附錄A、

偶然應(yīng)力：

B31.3 沒有明確定義計算偶然應(yīng)力的方程，在簡單狀態(tài)下，由于持續(xù)和偶然載荷引起的軸向應(yīng)力的總和不應(yīng)該超過Sh的1.33倍。

1.3.3 B31.1與B31.3的區(qū)別

①B31.3增強了扭矩的作用，而B31.1沒有

②B31.1中對持續(xù)和偶然載荷工況的計算理論沒有明確的定義，而B31.1則明確地作出了規(guī)定。

③在大多數(shù)普通的注釋中，B31.1忽略在持續(xù)載荷工況下的扭矩而B31.3則包括了進去。

④在缺省的描述中B31.1忽略了所有的力，在持續(xù)載荷工況中B31.3包括了Fax

⑤ 各自標準中的許用應(yīng)力值不同。

⑥在每一標準規(guī)范中，對于偶然載荷產(chǎn)生的應(yīng)力增加是不同的。

1.3.4 CAESRII管道應(yīng)力分析遵循的其它標準

ASME第三部分NC或ND核工業(yè)管道標準

B31.4 油氣管道標準

B31.8 氣體運輸和分配系統(tǒng)的

加拿大的2183/2184油氣管道標準

英國的BS806管道標準等

1.4 管系應(yīng)力分析的工況組合

管道所按載荷按照載荷性質(zhì)可分為靜載荷，動載荷和溫度載荷，靜載荷主要有管道自重（包括閥門、管件及絕熱層）管道內(nèi)介質(zhì)重量，設(shè)計壓力，其它持續(xù)載荷如彈簧的彈性反力，波紋管的彈性反力等。

動載荷主要包括壓力波動或沖擊產(chǎn)生載荷，地震載荷，安全閥的泄放壓力等。

CAESERII中的載荷工況有：

W－重力載荷工況

D－附加位移載荷工況

T－溫度載荷工況

P－壓力載荷工況

F－集中載荷工況

Wind－風載工況

上述工況根據(jù)分析結(jié)果的需要可以任意組合也可單獨地進行應(yīng)力計算，組合工況得到的各項結(jié)果是每種單獨工況下計算結(jié)果的線性相加，如（OPE〕W＋D＋T＋P＋F工況為（SUS）W＋P＋F工況和（EXP）DS＝D2－D1工況計算結(jié)果之和。

(1.5 管道、管口應(yīng)力分析評估

當管子的載荷作用在泵、壓縮機、汽輪機和熱交換器的管口處可能會由于載荷過大在設(shè)備管上引起較大變形，影響設(shè)備正常運轉(zhuǎn)，故需對設(shè)備管咀受力進行限制，通常制造廠提供設(shè)備管咀可承受的允許載荷，否則可參考通用標準，如NEMASM－23（蒸汽輪機）、API610（離心泵）、API617（離心式壓縮機），API661（空冷器）等。

連接在容器上的管道在容器上產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，可根據(jù)ASME鍋爐和壓力容器標準第8部分的第2節(jié)評估，精確結(jié)果可用有限元分析法，CAESARII 中WRC107部分可根據(jù)對計算的應(yīng)力限制保守地給出容器管咀的允許承受載荷值。

1.5.1 轉(zhuǎn)動設(shè)備管口載荷分析

大部分正確評估設(shè)備管口的承載能力是用試驗實現(xiàn)，其次代替試驗的最好方法是用有限元分析。CAESARII提供ROT程序利用相應(yīng)標準自動評估管咀載荷，在評估設(shè)備管咀受力時，管咀載荷取管道應(yīng)力分析結(jié)果中冷態(tài)和熱態(tài)工況下的較大值。設(shè)備標準包括：

①蒸汽輪機－國家電氣制造協(xié)會（NEMA）標準SM23

②離心泵－美國石油學（API）標準610第6和第7版

③離心壓縮機－API標準617

④空冷器－API標準661

⑤密閉式給水加熱器－熱交換學會（HEI）標準

使用這些程序時，用戶需輸入相關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸和作用載荷。

1.5.2 根據(jù)管咀載荷計算容器應(yīng)力

由于管咀載荷的容器應(yīng)力計算

自從60年代初，焊接研究學會第107公告（WRC）已被設(shè)計工程師廣泛地用于評估容器/附件接口的局部應(yīng)力，CAESARII使用WRC107計算管咀載荷在容器上引起的應(yīng)力, WRC107是一套由于附加載荷在容器上產(chǎn)生的有限元法分析結(jié)果的參數(shù)化法. WRC107含有方程式和無量鋼曲線(基本參數(shù):管嘴和容器直徑比,容器直徑與厚度之比等). 無量鋼曲線是由求根系數(shù)來計算在容器上附加件連接處的應(yīng)力。

WRC107可用來分析圓柱形或球形容器的附件處的應(yīng)力,在用WRC107校核管嘴載荷時, 管嘴載荷取CAESARII應(yīng)力分析結(jié)果中相應(yīng)工況下的約束處的受力值。

1.5.3 容器應(yīng)力的限制條件

管口載荷在容器壁上引起的應(yīng)力滿足下列條件

Pm<KSm

Pm+Pl+Pn<1.5KSmh

Pm+Pt+Pb+Q<3Smavg

這里Pm是總體薄膜應(yīng)力、Pt是局部薄膜應(yīng)力、Pb是局部彎曲應(yīng)力、 Q是總體二次應(yīng)力、K為偶然載荷應(yīng)力因子、.Smb是設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力、Smarg是材料許用應(yīng)力強度平均值（Smh+Smc）/2。

應(yīng)力分類按ASME第8部分第2節(jié)定義，通過將靠近管咀或管咀附近容器壁上的彎曲應(yīng)力定義為Q或二次應(yīng)力，不管它們是否是由持續(xù)或膨脹載荷引起的，這將使Pb消失，并導(dǎo)致更詳細的應(yīng)力分類。

Pm：總體一次薄膜應(yīng)力（主要由內(nèi)壓引起）

Pl：局部一次薄膜應(yīng)力：包括由內(nèi)壓力引起的薄膜應(yīng)力,由于外加的持續(xù)的力和力矩引起的局部薄膜應(yīng)力。

Q：二次應(yīng)力：包括由內(nèi)壓引起的彎曲應(yīng)力，由外力和力矩引起的彎曲應(yīng)力，由外加熱脹載荷引起的薄膜應(yīng)力，由外加熱脹力和力矩引起的彎曲應(yīng)力。

以上分類定義的每個應(yīng)力項包含三部分：垂直方向上的二個正應(yīng)力和切線方向剪應(yīng)力，然后按一定準則合成。

WRC107根據(jù)管咀載荷可計算出Pl和Q，各種應(yīng)力部分可從合成應(yīng)力強度得到，而應(yīng)力強度可由施加的持續(xù)，熱脹和偶然載荷計算中求得；CAESARII使用的評估不同應(yīng)力元素的方程式如下：

Pm(SUS)<Smh

Pm(SUS+OCC)<1.2Smb

Pm(SUS)+Pl(SUS)<1.55mh

Pm(SUS+OCC)+Pl(SUS+OCC)<1.5(1.2)Smh

Pm(SUS+OCC)+Pl(SUS+OCC)+Q(SUS+EXP+OCC)<1.5(Smc+Smh)

1.5.3 容器管嘴柔性計算

我們知道與容器相連的管咀載荷將引起容器器壁彎曲或其它變形，在一定條件下，容器連接處允許有一定的位移和轉(zhuǎn)角，也就是說與容器相連的管咀有一定的柔性，如果用完全剛性模型來模擬管道與容器連接管咀，在熱脹工況下計算出的管咀載荷是非常保守的，因此有時就需對連接處的實際剛度進行計算，或?qū)⑵淠M為柔性管咀與所連設(shè)備一起建入模型中。CAESRII采用WRC297對管咀的柔性進行計算，WRC297適用范圍：

d/D <0.5 d/t>20 20<D/t<2500 d/T>5

這里d管咀外徑mm

D:容器平均直徑mm

t 管咀厚度mm

T 容器厚度mm

第二章 管系模型的建立及分析

管子模型建立是將與所分析的管系相連的設(shè)備或容器以及管道上各種管件、約束的信息通過一定的方法建立成數(shù)學模型。模型復(fù)雜與簡化視所分析問題的具體情況，如管系的柔性較好或設(shè)置有適當型式的膨脹節(jié)，就可將管系與設(shè)備和容器相連的管端作為固定約束或給出相應(yīng)附加位移將管道與設(shè)備或容器脫開單獨建立模型，管系模型建立具體內(nèi)容如下：

1、基本元件的表示

2、管系模型建立的技巧

3、膨脹節(jié)模型的建立及計算

4、設(shè)備管器的計算包括設(shè)備載荷的計算，設(shè)備管口及設(shè)備應(yīng)力的確定，設(shè)備及設(shè)備連接柔性的判斷。

5、管系約束及結(jié)構(gòu)模型的建立

6、其它內(nèi)容（冷緊、地下管，塑料管、夾套管，法蘭泄漏的分析等）

(2.1 基本元件的表示法

管線基本元件用中心線或桿件表示，這些元件由兩個節(jié)點來定義，每個節(jié)點有固定的坐標和六個自由度（三個位移自由度和三個轉(zhuǎn)角自由度），CAESARII通過在現(xiàn)設(shè)備相連管端、彎頭、大小頭、三通支吊架處，有附加位移處，集中載荷，剛性元件，膨脹節(jié)等處編寫節(jié)點號，建立與實際管系相符的數(shù)學模型。

建模步驟：

1、 編寫節(jié)點號

2、 建立數(shù)據(jù)文件

（1） 輸入單元節(jié)點號

（2） 輸入單元坐標長度

（3） 輸入單元結(jié)構(gòu)尺寸：管子外徑，壁厚，腐蝕余量，保溫厚度。

（4） 輸入設(shè)計條件：設(shè)計溫度，設(shè)計壓力。

（5） 選取單元類型：彎頭，三通，剛性件，膨脹節(jié)。

（6） 輸入約束類型。

（7） 輸入外加載荷。

（8） 選取材料類型。

（9） 輸入管道材料密度，管內(nèi)介質(zhì)密度，保溫材料密度。

(2.2 管系建模型技巧

根據(jù)精確度要求，管系可建成許多種模型

1、大口徑的管線用兩個彈簧支撐的模型建立

簡化模型，在節(jié)點⑤處,選彈簧數(shù)量為2。

這種模型約束配對的扭轉(zhuǎn)反力沒有考慮

精確模型：在節(jié)點⑤處引入（5〕－（10）

（5〕－（15）剛性單元,零重，長為D/2，

在（10）（15）處設(shè)彈簧

2、大口徑管底部剛性支架模型

簡化模型節(jié)點⑤處設(shè)＋Y約束

沒有考慮管道在徑向的膨脹

精確模型，是從節(jié)點⑤引剛性單元

⑤－（10）在節(jié)點（10）處設(shè)＋Y約束。

3、彎管支架模型

簡單模型，節(jié)點⑤處設(shè)＋Y約束

模型中不考慮支承柱的柔性

支承柱沒有支在彎管的曲線上

的正確位置上，

精確模型, 從節(jié)點⑤處引一假管單元

（5〕－（10）節(jié)點（10）處給約束條件＋Y

4、爐內(nèi)彎管模型建立

半圓彎管可用兩上90°彎頭描述且將彎頭曲率半徑

改為實際曲率半徑

（5〕－（10）

DY＝1200

BEND Y R＝1200

（10）－（15） DX＝2400 BEND Y R＝1200

（15）－（20） DY＝-1200

5、圈管上任意位置處設(shè)約束模型的建立

單元（5）－（10）

BEND B R6080 Angle# 22 Node 6

DZ 6080 Angle# 72 Node 7

RESTRAINTS Y

Node 6 +Y

Node 7 +Y

(10)-(13) SIF& TEES Y Node 13

TYPE

節(jié)點(13)設(shè)為三通與其它管道相連

（13）－（15）

BEND B RADIUS 6080

DX 6080 Angle# 10 Node @1 16

Angle# 68 Node @2 17

RESTRAINTS Y Node 16 +Y

Node 17 +Y

6、斜管上導(dǎo)向約束模型建立

斜管上的約束用方向向量和方向余法來定義約束方向，如果使用方向向量，CAESRII會馬上將其轉(zhuǎn)化為方向余弦

如圖則約束作用線在坐標軸上的方向余弦為

Dx=-Sin40°Dz=COS40°

或Dx=Sin40°Dz=-Sin40°

(2.3 膨脹節(jié)的建模及計算

建立膨脹節(jié)的精確模型，首先應(yīng)了解各種膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)型式和工作原理，膨脹節(jié)的主要類型有：

①普通軸向型膨脹節(jié)，主要吸收管系的軸向位移。

②橫向型膨脹節(jié)（包括復(fù)式鉸鏈型膨脹節(jié)，復(fù)式萬向鉸鏈膨脹節(jié)，復(fù)式拉桿型膨脹節(jié)），主要吸收管系的模向位移和少量軸向位移，拉桿、鉸鏈板承受壓力推力。

③鉸鏈型膨脹節(jié)（單式鉸鏈型和萬向鉸鏈型）主要以兩個或三個配套使用吸收平面管系或空間管系的模向位移。

④壓力平衡膨脹節(jié)（直管壓力平衡型膨脹節(jié)和彎管壓力平衡型膨脹節(jié)、前者吸收管道軸向位移，后者吸收管系的軸向位移,橫向位移和角位移，不會使支架或相連設(shè)備受到壓力推力的作用。

膨脹節(jié)基本結(jié)構(gòu)一般包括接管，波紋管和結(jié)構(gòu)件（拉桿、鉸鏈板）三部分、所收膨脹節(jié)的建模包括如下內(nèi)容：

①接管單元，按一般管單元模擬。

②波紋管單元，必須精確給出波紋管單元所要求給出的剛度值、應(yīng)注意剛度的單位，波紋管的剛度按EJMA標準公式計算，波紋管的參數(shù)中，剛度項可僅給出軸向剛度Kx橫向剛度Ky或彎曲剛度Kθ、Kθ和Ky可僅給一項,另一項程序可自動計算出。

這里應(yīng)注意對一定長波紋管輸入的彎曲剛度應(yīng)為計算剛度的四倍，因為彎曲剛度是作用在膨脹節(jié)的自由端上的力矩（MT）計算而來的，且自由端移動了一個角度（θ），但是在建模時，認為彎曲剛度與一端固定。沒有直線位移的膨脹節(jié)的轉(zhuǎn)動力矩成正比，對于零長波紋管，彎曲剛度為實際計算值。

③對于直管壓力平衡型。在參數(shù)欄中不輸有效直徑,這時程序就不會計算壓力推力。

④結(jié)構(gòu)單元及約束條件模型建立

對于膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)件如支座板，鉸鏈板，拉桿可用剛性單元模擬，然后將結(jié)構(gòu)件的重量均分給剛性件的重量。

鉸鏈板與銷軸處約束為三個線位移和兩個角位移

如（5） Cnode (10)

RESTRINTS X Y Z Rx Ry

拉桿螺栓與球面墊圈之間僅約束三個線位移

（5）Cnode （10）

RESTRNTS X Y Z

(2.4 鋼結(jié)構(gòu)模型的使用

鋼結(jié)構(gòu)模型的建立與管系模型類型，建完模型后可對鋼結(jié)構(gòu)單獨進行計算，也可將鋼結(jié)構(gòu)模型Include進管道模型中與管系一起運算，它們的主要區(qū)別是：

1、幾乎甩有管道元件間的連接都被假設(shè)為固定連接（如：在相鄰的管道元件之間，三個方位的力和三個方位的力矩是可以互相傳遞的）。對于鋼結(jié)構(gòu)，根據(jù)實際連接形式，在相鄰的元件之間，只能有選擇地進行載荷傳遞。

2、鋼結(jié)構(gòu)的一般特點是在一個方向的承載能力較強，在另一個方向上的承載能力較弱。所以建模時，鋼結(jié)構(gòu)元件的局部方位非常重要，鋼結(jié)構(gòu)元件和局部方位由ANGLE參數(shù)確定，它指定了鋼結(jié)構(gòu)元件相對于'標準'方位的偏轉(zhuǎn)角度，在CAESSRII中鋼結(jié)構(gòu)模型的'標準'方位定義如下：

a）水平布置的鋼結(jié)構(gòu)元件（梁），它的弱軸為空間的Y軸

b）垂直布置的鋼結(jié)構(gòu)（柱），它的弱軸為空間Z軸

c）傾斜布置的鋼結(jié)構(gòu)（斜撐），它在垂直方向上投影的弱軸為空間Y軸。

鋼結(jié)構(gòu)的正確方位可通過使用鋼結(jié)構(gòu)模型的'PL0T'命令校核

建立鋼結(jié)構(gòu)模型時注意事項。

1、CAESARII中所帶的鋼結(jié)構(gòu)庫是美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會AISC標準和德國DIN標準，與我國鋼結(jié)構(gòu)標準相差很大，這就要求我們必須自定義所使用的鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)。

材料的物理性能參數(shù)為：

線脹系數(shù) ALPHA mm/mm℃

彈性模量 YM 2.1×108 KPa

剪切模量 G 8.1×107 KPa

泊松比 P0IS 0.3

容重 DENS 0.00785 kg/cm3

結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

截面積 AREA mm2

慣性矩 STRONG mm4

高 度 BOXH mm

寬 度 DOXW mm

2、對于管線與結(jié)構(gòu)連接處在結(jié)構(gòu)文件和管系文件輸入同一個節(jié)點號，或者將管系文件中接觸點設(shè)一CNODE號這個附加的節(jié)點號就是對應(yīng)接觸處鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點號。

在將建好的結(jié)構(gòu)模型Include進管道模型時，由于程序中沒有給出兩模型節(jié)點號的差值項Increment。管道模型之間相加時有此項，所以在建鋼結(jié)構(gòu)模時，應(yīng)注意將模型中的節(jié)點號與管道模型錯開。

(2.5 帶襯里管線的建模

帶襯里管線的建模與一般管線基本相同，不同之處在于管道壁厚和許用應(yīng)力需按標準求出當量壁厚和許用應(yīng)力，因為襯里層（隔熱層和耐磨層）有一定的剛度所以會影響到管道的剛度和變形，所以在建模時首先應(yīng)根據(jù)隔熱層和耐磨層的相應(yīng)參數(shù)計算出襯里管道的當量壁厚，然后計算出襯里管道的許用應(yīng)力。

第三章 彈簧支吊架設(shè)計

(3.1可變彈簧支吊架設(shè)計基礎(chǔ)

當管子移動時，彈簧載荷稍微發(fā)生變化，但從應(yīng)力的觀點看：當管于從冷態(tài)變化到熱態(tài)時，彈簧載荷有一些變化是允許的。一個預(yù)設(shè)在某個位置的可變彈簧支吊架，在管子運動的全過程都對管子提供支承。當管于向上移動時，彈簧支吊架上的承重板上移，允許彈簧伸長，因而降低彈簧作用在管子上的載荷；當管子向下移動時，彈簧支吊架上的承重板也下移，使彈簧壓縮，因而使彈簧作用在管子上的載荷增大。

彈簧支吊架設(shè)計的目的是選擇一個符合下列要求的彈簧：

①當管子從冷態(tài)（安裝狀態(tài)）變化到熱態(tài)（操作狀態(tài)）后，彈簧提供必要的重力載荷支撐以平衡管系。

②從冷態(tài)到熱態(tài)的總位移在允許的范圍內(nèi)。

③當彈簧載荷從冷載荷變化到熱載荷時，不會在管系中造成過大的膨脹應(yīng)力。

因為當管于從冷態(tài)到熱態(tài)時，可變彈簧支吊架的載荷是變化的，并且彈簧支吊架設(shè)計的一個目的是提供必要的重量支撐載荷以平衡在熱態(tài)位置的管系，因而有必要用不平衡的'冷態(tài)載荷'來安裝彈簧支吊架。

(3.2．載荷變化率

在某些情況下，管道規(guī)范推薦通過限制載荷變化率為10％或25％來使彈簧載荷的變化為最小。因為熱態(tài)載荷和熱位移取決于管系的結(jié)構(gòu)，所以一個彈簧支吊架的可變性只能通過改變彈簧剛度來控制。大多數(shù)制造商對于每個載荷值提供三種（或更多）不同彈簧剛度的彈簧，分別推薦用于短程。中程和長程的位移。因為在一個給定載荷值下的所有彈簧，在它們的全部行程中支承相同的載荷變化，通常長程彈簧的剛度（及其載荷變化率）是中程彈簧的一半，而后者又是短程彈簧的一半。

(3.3．彈簧選型表

彈簧是從彈簧表中選出來的。彈簧表顯示了每一號彈簧在工作范圍內(nèi)的負載能力，以及每一號的短、中、長程彈簧的彈簧剛度。在已知熱態(tài)載荷、熱位移和變化率的條件下，從表中選擇彈簧的步驟為：

1 計算最大許用彈簧剛度；K=Var*HL|^th|

K—最大需用彈簧剛度

Var—荷載變化率

HL—熱態(tài)荷載

Th—彈簧行程

2 在彈簧表的各列中找到熱態(tài)載荷（HL），來確定彈簧載荷的大??；

③針對載荷大小，選擇彈簧剛度小于或等于上面計算值的彈簧系列；

④計算冷態(tài)載荷(CL=HL+K^th)并確認冷態(tài)載荷也落在彈簧的工作范圍內(nèi)；

⑤如果不能滿足條件，換相同號碼的不同彈簧系列或鄰近號的彈簧再試。

(3.4．彈簧設(shè)計過程一約束重量，熱態(tài)吊零及其它

上面描述的過程都是假設(shè)彈簧選型所需的熱態(tài)載荷和熱位移已知，但是工程師怎樣來計算熱態(tài)載荷和熱位移呢？整個彈簧支吊架設(shè)計的步驟如下所述。

1 利用標準跨距原理來選擇管架位置。假設(shè)在這點有一個剛性Y向約束，然后進行重量載荷分析。

這種分析稱為'約束-重量'分析。在這一分析中，分布在每個約束上的重量載荷將被作為彈簧

選型時的熱態(tài)載荷。

2 其次，從管架位置除去約束，進行熱膨脹分析。這種分析稱為'自由-熱態(tài)'分析。每個支架位

置的熱態(tài)位移將被作為彈簧選擇時的熱位移。（注意：由于管系中可能有非線性約束的影響，

CAESARII進行的不是一個真正的'自由-熱態(tài)'工況分析，而是一個'彈簧位移下的操作'工況

分析，它包括熱態(tài)載荷、重量載荷和在約束重量作用下的彈簧熱態(tài)載荷。因為管系的重量載荷和

彈簧熱態(tài)載荷基本上相互抵消，這樣有效地造成一個只有熱態(tài)的工況，而不考慮非線性作用。）

3 利用從約束-重量計算得出的熱態(tài)載荷和自由-熱態(tài)得到的位移，對每個點從上述彈簧表中選擇一

個彈簧，利用彈簧剛度來確定安裝所需冷態(tài)載荷（預(yù)置的彈簧載荷）。

4 通過在每個彈簧作用點增加一個剛度等于彈簧剛度的約束并且通過增加彈簧預(yù)置載荷（冷態(tài)載

荷）作為在持續(xù)載荷工況起作用的力來調(diào)整模型以反映彈簧的存在，然后重新分析所有載荷工況

以獲得彈簧真實存在時的效應(yīng)。

只要用戶在管系中指定彈簧，上述四個步驟（除了確定彈簧支吊架的位置）將由CAESARll自動完成。

(3.5．彈簧支吊架設(shè)計說明

1） 如果內(nèi)裝比重小于1.0的液體管系需要作水壓試驗，通常在水壓試驗期間彈簧支吊架的定位塊不應(yīng)

拆除，所選用的彈簧零部件（管卡、吊桿等）和支架結(jié)構(gòu)必須能夠承受水壓試驗載荷，而水壓試

驗載荷通常應(yīng)作為這些支架的控制載荷。

2） 在指定彈簧支吊架的熱態(tài)和冷態(tài)載荷時，附加零部件的預(yù)期重量應(yīng)加到CAESARII的計算載荷上，

特別是：當認為這些重量很重要時（如在大管卡或由型鋼制成的吊架組件的情況），彈簧必須同時

支承零部件；如果在定義彈簧參數(shù)時沒有考慮這點，管系的重量載荷將由于彈簧零部件的重量而

造成不平衡。

3） 為了保證管子不至于運動太大而從管架上掉下來，在設(shè)計管架時必須考慮彈簧支吊架位置的水平

位移，另外，彈簧制造商往往限制彈簧吊在一個6度的范圍內(nèi)。當水平位移特別大時，建議將支

架安裝在偏置的位置以減小在冷態(tài)和熱態(tài)位置時支架垂直作用線的偏差。

4） 在由于不平衡冷態(tài)載荷造成的法蘭配合問題使得安裝有困難時，最好在現(xiàn)場調(diào)整彈簧以考慮一旦

系統(tǒng)開車后的熱態(tài)載荷。在管口操作載荷不是主要因素，而法蘭配合問題是關(guān)心的主要問題時，

CAESARII可以提供冷態(tài)載荷設(shè)計，其中在冷態(tài)工況，而不是在熱態(tài)工況平衡重量載荷。

5） CAESARII提供同時計算彈簧的'理論'和'實際'冷態(tài)載荷的選項。理論冷態(tài)載荷是彈簧在安

裝前必須被預(yù)置的載荷（通常這個工作在制造廠做，彈簧被定位塊銷住在這個載荷值）。只要在這

個位置沒有垂直位移，這就是彈簧將在冷態(tài)工況施加給管系的載荷。因為與管系的重量載荷相比，

冷態(tài)載荷幾乎總是不平衡的，在冷態(tài)工況下管系的這個位置將存在凈載荷。如果這個凈載荷較大，

或管系的柔性較大，管系將在這個載荷作用下產(chǎn)生位移，造成彈簧伸長或壓縮，相應(yīng)引起彈簧讀

數(shù)的變化。彈簧載荷的新讀數(shù)就是CAESARII計算的'實際'冷態(tài)載荷，或更簡單地說：'理論'

冷態(tài)載荷就是在彈簧的制造廠訂貨單中指定的冷態(tài)載荷，而'實際'冷態(tài)載荷是在定位塊被從初

始安裝位置拉起后彈簧載荷的讀數(shù)。如果在冷態(tài)位置調(diào)整或檢驗彈簧，或在安裝位置而不是在工

廠設(shè)定彈簧的冷態(tài)載荷時，實際安裝載荷工況是很重要的。

6） 過多地使用彈簧將造成由于缺少約束剛度而使管系動態(tài)不穩(wěn)定（低自然頻率）。這些管系本質(zhì)上沒

有水平支架，而有很小的垂直剛度以限制Y方向的位移。注意：恒力彈簧支吊架對管系沒有動態(tài)

影響。

7） 由于管系的不平衡部分將會以其它管架為軸而旋轉(zhuǎn)，在約束一重量情況下選定的彈簧位置可能實

際上影響管子向下運動。CAESARII在分析過程中用警告來指出這些位置，并在輸出報告的彈簧

表中將它們列為恒力彈簧支吊架。當發(fā)生上述情況時，應(yīng)除去這些肇事彈簧或考慮鄰近的管架位

置。

8） 當在同一個問題中存在冷緊和彈簧設(shè)計時，有一些特殊規(guī)定是要考慮的。在約束-重量情況下忽略

冷緊，而在操作工況包括冷緊以計算彈簧位移。實際安裝工況應(yīng)考慮冷緊以便確定存在冷緊時的

彈簧安裝設(shè)置。用戶有責任證實在實際安裝工況下的位移應(yīng)在制造商建議的載荷范圍內(nèi)。通常只

是當在立管上有很大的冷緊而鄰近又有一個或多個彈簧支吊架時會有問題。

9） 在充滿液體的管線中，彈簧支吊架通常是在管系空的時候安裝。在這種情況下有必要忽略'實際'

冷態(tài)載荷，在某些情況下最好在現(xiàn)場調(diào)整彈簧支吊架來負擔一旦管系充液的冷態(tài)載荷。

(3.6．CAESARII彈簧支吊架設(shè)計控制及選項

CAESARII為用戶進行自動彈簧設(shè)計時提供了很多選項。這些控制選項可能在很大程度上適用于整個管系，或者部分管系。這些選項在CAESARII用戶手冊中有詳盡描述，這里重點講解幾個選項。

實際冷態(tài)載荷計算——這一點在上面已經(jīng)詳細描述了。如果存在下面的情況，用戶應(yīng)定義YES。

l）當管子被彈簧支吊架支承并能夠自由垂直移動的情況下要調(diào)整彈簧的安裝載荷（亦即：在彈簧支

吊架底板和承重板周圍設(shè)有鋼帶以防止承重法蘭在彈簧冷態(tài)位置調(diào)整時發(fā)生移動）。

2）彈簧附近的管系柔性非常大和／或者彈簧的剛度非常大。

3）對于充液的管系，彈簧在管系全空時安裝及設(shè)置，用戶希望知道空的安裝載荷。

采用短程彈簧——CAESARII的彈簧設(shè)計法首先試圖選擇使用短程彈簧，接著是中程彈簧，然后才是長程彈簧。在某些施工現(xiàn)場，短程彈簧被認為是特殊件。只有當已有的彈簧安裝間隙很小且從冷態(tài)到熱態(tài)彈簧的行程很小時才使用。在這些情況下，用戶可以指定設(shè)計法不考慮短程彈簧（而以中程彈簧開始），除非空間限制要求這樣。

許用載荷變化率——當熱態(tài)載荷小于冷態(tài)載荷時，固化在彈簧表建議范圍內(nèi)的最大可能載荷變化率接近 100％，而當熱態(tài)載荷大于冷態(tài)載荷時大約為 50％。一般的許用載荷變化率是10％到25％。用戶可以通過在一個點指定一個極小的載荷變化率來設(shè)計一個恒力彈簧支吊架。

剛性支架位移標準——為了經(jīng)濟（采購、安裝及維護）及防振。一般剛性支架比彈簧支吊架更好。因此，當可以在某個位置選擇剛性支架來代替彈簧支吊架時，工程師通常希望這種情況發(fā)生。彈簧支吊架的定義是：'通過熱位移來支承給定載荷的約束'。如果熱位移為零或非常小，那么可以假定用剛性支架來代替彈簧。假如周圍的管于與剛性吊桿相比相對較柔時，這的確是正確的。在某種程度上可以用這個標準來控制剛性支架的選擇。在操作工況下計算彈簧處的垂直位移小于給定剛性支架位移標準時，都可以選擇剛性支架并作用在其后的工況。注意：在泵或其他旋轉(zhuǎn)設(shè)備的附近或者在立管上的彈簧支吊架位置可能并不希望如此，因為這可能造成大的管口載荷或管架的熱態(tài)鎖死或托空。

釋放固定架／約束——通常彈簧支吊架設(shè)計的一個主要目的是使由于重量造成的設(shè)備管口載荷最小。這可以通過在離設(shè)備管日最近的彈簧位置強加一個不平衡的熱態(tài)載荷（通常是過載的）來實現(xiàn)。這個不平衡力作用在管口，因而消除通常在自然分布條件下加在管口上的一些重力，在理想情況下，不平衡的彈簧力可以使設(shè)備管口上的載荷盡量接近零。為了施加這個不平衡力，在約束重量情況中，設(shè)備管口的固定架通常被'釋放'，使其所有重量都加在最近彈簧支吊架的熱態(tài)載荷上。對于在距離被釋放管口的水平方向三倍管徑內(nèi)沒有彈簧支吊架的管系要保守地使用這個方法。當在固定點／約束點釋放Y方向以外的方向時應(yīng)特別小心，因為釋放附加的自由度可能造成大的傾斜及垂直位移，使得彈簧的設(shè)計載荷不真實。

彈簧表——這一選項用來指定使用哪個制造商的彈簧，以及在表內(nèi)與選擇彈簧有關(guān)的特定設(shè)計標準。這些選型標準包括：

l）使用最大載荷范圍（相對于建議范圍）；

2）使彈簧在表內(nèi)居中；

3）冷態(tài)（相對于熱態(tài)）載荷設(shè)計。

已有安裝空間——在特定情況下，管頂和高處型鋼之間或管底與下面基礎(chǔ)或平臺之間的距離，決定了可能用在某些特定位置的彈簧支吊架的類型（及數(shù)量）。這個值可以在個別的彈簧位置給定，以用于彈簧選型。

'己有安裝空間'和'允許彈簧數(shù)目'選項一起允許用戶設(shè)計多彈簧支吊架系統(tǒng)。

允許彈簧數(shù)量——如果在一個給定的彈簧位置處有多個彈簧，用戶可以在這里指定彈簧的數(shù)量。同樣，用戶可以指定允許的最多彈簧數(shù)（如果CAESARII必須分解載荷以滿足空間標準）。在多彈簧情況下，CAESARII將在所有彈簧間均勻分配載荷。

用戶指定的操作載荷——在某些管系中，程序選擇的彈簧操作（或熱態(tài)）載荷不能消除設(shè)備管口載荷以滿足設(shè)計要求。在這種情況下，用戶可以強加一個（較高或較低的）熱態(tài)載荷，覆蓋程序計算值以試圖重新調(diào)整重量分布并使設(shè)備載荷能滿足許用值。這時用戶的輸入通常是程序彈簧選擇法提議的初始值變化。

舊彈簧重新設(shè)計——當部分管系重新設(shè)計時，最好盡最大可能選擇系統(tǒng)中已有的彈簧。當舊彈簧可以使用時，用戶必須確定新的載荷范圍，這樣只需在現(xiàn)場重新調(diào)整彈簧即可。當已有彈簧不能用時，建議使用新的。舊彈簧重新設(shè)計選項允許用戶完成這一工作。

多工況彈簧支吊架設(shè)計——這個選項適用于當管系有多個不同的熱狀態(tài)，并且進行彈簧支吊架設(shè)計時必須考慮每個狀態(tài)的情況。

CAESARll中用于選擇彈簧的設(shè)計工況有：

①按熱態(tài)載荷工況1設(shè)計：

②按熱態(tài)載荷工況2設(shè)計；

③按熱態(tài)載荷工況3設(shè)計；

④按最大操作載荷設(shè)計：

⑤按最大位移設(shè)計；

③按平均載荷和平均位移設(shè)計；

①按最大載荷和最大位移設(shè)計。