基于有限元法的高层民用建筑暖通空调管道应力分析及支撑优化研究.pdf

中文摘要 摘 要 暖通空调通过控制建筑内各区域的空气温度和湿度，提高人们工作和生活的 舒适度。而高层建筑暖通空调水循环管路系统具有管道压力等级高、管道管径大、 垂直跨度大等特点，这给管道的安全性和稳定性提出了很高的要求。因此以某高 层建筑的暖通空调管道系统为研究对象，对管道的应力影响规律以及管系的支撑 布置优化进行研究，确保该项目中的管道安全稳定工作，对于高层建筑暖通空调 管道的应力校核以及支吊架的布置优化具有重要指导意义。 基于有限元方法中的梁单元模型，以某高层建筑暖通空调的服务公寓高低区 管道为研究对象，对高层建筑暖通空调管道系统中的高压管道进行了建模和应力 分析，研究了管道的基本参数工作温度、工作压力以及管径壁厚对管道应力的影 响规律，考察了管径壁厚以及工作压力对管道的最大允许偏移的影响。探究了法 兰的安装位置对管道的应力和挠度的影响规律，分析了水平弯头角度以及空间竖 直弯头布置形式对管道应力的影响。根据支吊架强度刚度理论研究得到高层建筑 暖通管道的支吊架布置参考间距等参数。基于管道系统的应力分析结果对管道的 支撑布置中出现的问题如泵口应力过大、支吊架脱空、管道位移过大等实际工程 问题进行了研究解决，并应用到实际工程之中。 研究结果表明在高层建筑暖通空调管道系统中，较高的管道压力（大于2.5MPa ） 对于管道应力和位移的影响很大。管道的一次应力随着管道压力的增大而显著增 大，高压力等级（5MPa ）的管道偏移量比低压（1MPa）管道偏移量大50% 。在当 管道温度处于 35~95℃时，空调管道操作应力随着温度的升高而增大，并且管道整 体应力变化幅度很大。管道的一次应力随着管道管径的增大而大幅增大，随着管 道壁厚的增大而减小，随着管径壁厚的同时增加，管道的一次应力呈下降趋势， 二次应力呈上升趋势。管道的最大允许偏移随着管道长度和壁厚的增大而增大， 随着管道管径的增大而减小。法兰安装位置对管道的挠度影响很大。随着法兰位 置向管道端点移动，管道的整体挠度减小，水平方向角位移逐渐减小。随着水平 弯头角度的增加，管道的一次应力呈线性下降趋势，二次应力也呈下降趋势。弯 头的轴向应力先降低后保持稳定，弯头的弯曲应力变化趋势与二次应力相似。135° 的竖直上弯头的一次应力较低，90°竖直上弯头的二次应力较低。去除在管道弯头 处的支撑架可以增大管道的整体柔性以及自然补偿能力，降低设备管口的应力水 平；对于偏移过大的局部管道，在合适位置布置导向支架能够有效限制管道的偏 移过大，设备与管道采用硬连接技术在该项目中的应用是可行有效的。 关键词：高层建筑，暖通管道，应力分析，支撑优化，有限元法 I 英文摘要 ABSTRACT HVAC system makes the environment of working and living comfortable by controlling the air temperature and humidity in various areas of the building. The pipelines of HVAC water circulation system in high-rise building are of the characteristics of large pipe diameter, large vertical span, high pipeline pressure grade and so on, which puts forward high requirements for the safety and stability of the pipeline. Therefore, taking the HVAC pipeline of a high-rise building as the res