摘 要

　　改革開放后我國經濟快速發(fā)展，隨著集中供熱事業(yè)的擴大，集中供暖越來越受到廣大民眾的歡迎，居民冬季用熱為主的集中供暖面積在連年遞增，已經成為主要一種供暖方式。集中供熱作為城市公共服務功能中重要的一項工作，對人們的生產生活起著關鍵的作用，供熱管道的受力分析和計算，為管道施工過程中提供技術支撐，保證了管道的安全，也為今后管道系統(tǒng)安全運行奠定了基礎。因此，對供熱管道系統(tǒng)的受力分析以及相關設計，就成為管道工程中必不可少的環(huán)節(jié)。本文主要是對供熱管道系統(tǒng)的受力進行分析和并探討，并提出一種設計方法，可用于管道支架、支座的計算與校核。

　　通過對供熱管網的自然補償、方形補償器以及球型補償器等多種類型的補償形式進行了分析、研究，通過對自然補償 L 型補償進行受力分析，并且通過工程案例驗證了 L形和 Z 形補償器的短臂計算，方形補償器和波紋補償器的彈性力計算。通過計算及分析，對不同補償器以及系統(tǒng)不同的補償設計布局，進行了分析探討。

　　通過對管道荷載進行分類和計算及活動支架在強度和剛度下間距的比較，優(yōu)化管道支架及基礎設計，并對供熱管網的管道支架進行分類和受力分析，利用 MIDAS CIVIL 軟件對固定支架和活動支架應力分析進行數值模擬，分析比較得出兩者在相同荷載作用下其位移和彎矩是不同的。

　　通過對供熱管道設計的優(yōu)化，運用 MATLAB GUI 設計出兩個圖形用戶界面，一個界面是管道補償器的查詢系統(tǒng)，通過在此系統(tǒng)中輸入管徑和補償量等一些其他數據就可以得到 L 型補償器短臂 L1 和單管方形補償器 L 和 H 的長度及 L 型、Z 型、方形補償器的彈性力，另一個界面是管道支架選型系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中輸入橫梁長度、基本風壓、標志高度等一些其他參數就可以得到管道活動支架、活動支架基礎、固定支架和固定支架基礎的型號，可供管道工程設計人員參考。

　　關鍵詞: 供熱管道；補償器；支架；受力分析；軟件。

　Abstract

　　Rapid economic development of our country after reform and opening-up, with the expanding of central heating, urban residents have few to purchase small heating equipmentheating installation, central heating, more and more get the welcome of the general public,especially in the northern urban residents, the urban central heating has become people's necessary a heating means, give priority to with residents with warm winter of central heating area is increasing in successive years, the central heating as the city's public service function in the important work, play a key role in people's production life, the force analysis and calculation of heating pipeline, provide technical support for pipeline construction process, to ensure the safety of the pipeline, It also lays a foundation for the safe operation of pipeline system in the future. Therefore, the force analysis and related design of the heating pipeline system become an essential part of pipeline engineering. This paper mainly analyzes the force of the heating pipeline system and discusses the optimization of the design scheme, and puts forward a design method for the calculation and verification of pipeline supports and supports.

　　Through natural compensation of heating pipe network, square compensator and spherical compensator, and other types of compensation form has carried on the analysis andstudy, through the stress analysis was carried out on the natural compensation L compensation,and is verified by engineering case L and Z compensator of the short arm calculation, square compensator and elastic force calculation of corrugated compensator. Through calculation and analysis, different compensator and different compensation design layout of the system are analyzed and discussed.

　　Through the pipe load classification and calculation and the legs in the comparison of strength and stiffness under spacing, to optimize the design of the pipe bracket and foundation,and classifying of heating pipe network pipeline stent and force analysis, using MIDAS CIVIL stress analysis software for fixed bracket and the legs are numerically simulated,comparative analysis it is concluded that under the same load both the displacement and bending moment is different.

　　Through the optimization of heat supply pipeline design, using MATLAB GUI to design two graphical user interface, a query interface is pipeline compensator system, through theinput pipe diameter and the amount of compensation in the system, such as some other data can be L compensator short arms L1 and single pipe square compensator and the length of the H and L, L, Z, elastic force of square compensator, another interface is pipe support selection system, the length of the input beam in this system, the basic wind pressure, height of logo can get some other parameters, such as pipeline activities support, support base, fixed bracket and fixed bracket base model, It can be used for reference by pipeline engineering designers.

　　Key words: heating pipes,compensator, bracket, force analysis,software.

第一章 緒 論

　　1.1、研究背景與研究目的和意義。

　　1.1.1、研究背景。

　　為節(jié)約能源，保護環(huán)境，促進生產，改善人民生活[1]，發(fā)展我國城鎮(zhèn)集中供熱事業(yè)，城市集中供熱是國家節(jié)能減排戰(zhàn)略的主要組成部分之一，并且集中供熱有很多優(yōu)勢，城市集中供熱管網系統(tǒng)[2]，將供熱各環(huán)節(jié)有機結合在一起，實行統(tǒng)籌化管理，實現了熱量利用率的最大化，以往很多地區(qū)到冬季采暖時都是通過燃燒煤炭獲得熱量，這種方式不但污染環(huán)境，而且對熱能造成了很大的浪費，集中供熱管網系統(tǒng)上線后，以往的用于排放廢氣費煙的大煙囪已被拆除，提升了環(huán)境質量，熱量利用率也得到大幅提升，保障了小區(qū) 24 小時供暖水平，另外對供熱管道系統(tǒng)的受力分析便于對供熱質量進行管控提高集中供熱工程設計水平，做到技術先進，經濟合理，安全適用。

　　供熱管網的建設、安全運行及維護都很重要。首先，管網是連接熱源和熱用戶的唯一介質傳媒通道，起著輸送熱量的作用。常規(guī)的熱力管道敷設可分為有地上架空和地下直埋和地溝敷設。各自敷設方式的優(yōu)缺點和受力特點如下：

　　架空敷設按照高度的不同，分為高管架敷設、中管架敷設和低管架敷設，多數用于城市邊緣和地形復雜的工業(yè)廠區(qū)，優(yōu)點是無需大面積開挖溝槽，施工周期短，不受地下水和濕陷性土層的影響，缺點是受風、雪荷載影響，支架承受的荷載分為垂直荷載、軸向水平荷載和橫向水平荷載，垂直荷載包括管道、管道介質自重、冰雪和積灰荷載等，軸向水平荷載包括補償器的反彈力、不平衡內壓力和管道移動的摩擦反力，橫向水平荷載主要是風荷載；地溝敷設按照地溝內人行通道的設置情況可分為通行地溝、半通行地溝和不通行地溝，一般用于不允許開挖、檢修的路段，城市街道和居住區(qū)內，優(yōu)點是能滿足規(guī)劃的要求，不影響城市美觀，缺點是地溝內容易進水，成本高，維護量大；直埋敷設是將供熱管道直接敷設于土壤中，也是目前最為常用的一種方式，優(yōu)點是工程造價低，使用壽命長，施工周期短，維護量小，缺點是檢修比較麻煩，管道對固定點的作用力包括管道熱脹冷縮受約束產生的力、內壓產生的不平衡力和活動端位移產生的力。

　　地上架空鋪設，系統(tǒng)構造簡單明了，出現故障時便于檢修和維護，安全性良好。其管道的固定方式多采用固定支座或支架。補償器依據管徑及伸長量情況，可采用：自然補償和方形補償器，其特點為：自然補償方式可以利用自身的彎曲管段來補償管段的熱伸長，方形補償器由 4 個 90°的彎頭構成，依靠彎管的變形補償管段的熱伸長。

　　地下管溝敷設的技術成熟，適應管道較多的場合，其管道的固定方式多采用固定支架，補償器通常采用套筒補償器、波紋補償器，其特點為：套筒補償器的補償能力大，占地小，造價低，波紋補償器按補償方式分為橫向、軸向和鉸接等形式。

　　地下直埋敷設是近年大量采用的一種敷設技術，適合于管道較少的情況，其敷設方式又可分為有補償敷設和無補償敷設，其特點：無補償系統(tǒng)要設計部分自然補償器，以及要進行預熱后埋設，有補償系統(tǒng)也要盡量利用自然補償，再加上不同類型的補償器。

　　有補償直埋敷設常采用直埋型固定支座，也是我們研究的重點，采用補償器時要保證管道在最高溫度下，補償器留有不小于 20mm 的補償余量，軸向補償器和管道軸線要在一條水平線上，距離補償器 12m 內的管道不應有變坡和轉角。

　　直埋敷設保溫層采用聚氨酯硬質泡沫塑料，這類的材料吸水率低、傳熱系數等特點，減少了管道整體的熱損失，直埋管道使用壽命要比地溝敷設長很多，地溝敷設管溝一旦積水，整個管道系統(tǒng)很容易收到很大破壞，并且附加很多工程量，因此從經濟效益和社會效益上來說，直埋敷設都會快速發(fā)展起來。

1.1.2、研究目的和意義。

　　住房和城鄉(xiāng)建設部辦公廳于 2013 年選取了我國北方的 15 個省市最為研究對象，對集中供熱的情況展開了全面的調查和分析，針對調查結果進行統(tǒng)計分析能夠發(fā)現，當前各個地方對供熱的需求越來越大，由國家統(tǒng)計局數據顯示，2014 年全國集中供熱面積61.12 億平方米，蒸汽管道長度 1.25 萬公里，熱水管道長度 17.47 萬公里，到 2016 年全國集中供熱面積 73.87 億平方米，蒸汽管道長度 1.22 萬公里，熱水管道長度 20.14萬公里，截止目前到 2018 年，供熱面積達 87.80 億平方米。

　　改革開放四十多年以來，我國集中供熱已經具有相當大的規(guī)模，隨著集中供熱規(guī)模的逐漸擴大，供熱管網的敷設遍布了全國多數個城市，管道的敷設方式有地上和地下之分，管網的管徑大小和壓力也每年都在改變，為了保證管網能常年安全的運行，我們的工程設計人員在設計管道的時候就要選擇合適的補償器滿足管道中的補償量，和選用合適的管道支架去支撐管道以及配件的重量，很多供熱管道工程因為對補償量計算的不夠和對管道支架受力分析不是很準確，導致管道部分管段出現損壞，嚴重影響了管道的正常運行和居民的冬季取暖，因此管道的運行安全成為了管道設計專業(yè)重要關心的問題。

　　在管道工程設計中，需要配置各種管道固定或支撐裝置，為方便設計環(huán)節(jié)，提高工作效率，本研究運用matlab軟件的 GUI 制作出一個補償器、管道支架選型的用戶界面，方便設計人員及施工人員，根據工程設計需要來選用合適管道補償器和管道支架。

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　　1.2、國內外研究現狀

　　1.2.1、國內研究現狀

　　1.2.2、國外研究現狀

　　1.3、本文主要研究內容

第2章 管道補償量及管道補償方式的選用與計算

　　2.1、供熱管道補償量的計算.

　　2.2、供熱管道補償方式的選用與計算

　　2.2.1、自然補償.

　　2.2.2、方形補償器

　　2.2.3、波紋補償器.

　　2.2.4、套筒補償器

　　2.2.5、球形補償器

　　2.3、本章小結.

　　第3章 管道支架的受力計算與分析.

　　3.1、荷載的分類及計算.

　　3.1.1、 垂直荷載

　　3.1.2、水平荷載.

　　3.2、管道支架允許跨距的計算

　　3.2.1、強度條件下管道支架的允許跨距.

　　3.2.2、剛度條件下管道支架的允許跨距.

　　3.3、管道支架結構抗震設計.

　　3.3.1、地震影響系數

　　3.3.2、管道支架結構基本周期

　　3.3.3、管道支架剛度計算.

　　3.3.4、截面抗震驗算

　　3.4、管道支架基礎設計

　　3.4.1、基礎類型

　　3.4.2、基礎埋深

　　3.4.3、基礎的偏心距

　　3.4.4、基礎底面的壓力計算

　　3.4.5、管墩設計.

　　3.5、管道支架分類及設計計算.

　　3.5.1 、支架的分類

　　3.5.2、支架的設計計算

　　3.6、本章小結

第4章 管道補償器和支架選型系統(tǒng)的GUI界面設計

　　4.1、 MATLAB軟件介紹.

　　4.2、M ATLAB/GUI界面.

　　4.2.1、設計原則

　　4.2.2、設計步驟

　　4.2.3、圖形界面

　　4.3、管道補償器查詢系統(tǒng).

　　4.3.1、主界面

　　4.3.2、L型補償器的選用界面

　　4.3.3、L型補償器彈性力計算界面

　　4.3.4、Z型補償器彈性力計算界面.

　　4.3.5、單管方形補償器的選用界面

　　4.3.6、單管方形補償器彈性力計算界面

　　4.4、管道支架選型系統(tǒng).

　　4.4.1、活動管架選用界面

　　4.4.2、活動管架基礎選用界面

　　4.4.3、固定管架選用界面

　　4.4.4、固定管架基礎選用界面

　　4.5、本章小結

　結 論

　　隨著我國集中供熱事業(yè)在飛速發(fā)展，保證管道系統(tǒng)正常和安全的運行成為了重中之重，我們就要對供熱管道系統(tǒng)進行受力分析及優(yōu)化設計，本文主要是從管道補償和管道支架兩個方面來進行研究，通過對這兩方面的研究得出一下結論：

　　（1）管道在進行熱補償的時候，要正確的合理的選擇補償方式和補償器，根據具體的工程實際情況選取，尤其是對L型補償的短臂的計算和各個補償器的彈性力的計算，計算稍有差錯就會導致整個管道系統(tǒng)的損壞，總結了各類補償器的選用與計算方法，在以后的工程補償器設計中可以更好的選擇最合理補償方式。

　　（2）管道在進行受力分析時，要注意固定支架的受力分析，管道荷載進行分類和計算、管道間距的計算、管架在抗震中的設計、管架基礎的計算也是保證管道系統(tǒng)正常運行的關鍵，確保整個管道系統(tǒng)的受力安全可靠。

　　（3）利用計算機軟件MIDAS CIVIL可以對管道支架進行應力分析和數值模擬，方便快捷的分析管架內力的具體情況，利用計算機軟件提前模擬支架的受力情況，防患于未然。

　　（4）將管道補償器的選用計算和管道支架的受力計算方法結合計算機軟 件MATLAB，做出圖形用戶界面，通過此界面可以對管道補償進行查詢和對管道支架進行選型，可供工程設計人員設計參考。參考文獻

總結

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