管道支吊架设计的依据是什么?
管道支吊架设计的依据是什么?
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依据管道承受重量,组织管道发生非预期方向的位移,控制摆动和防止振动或冲击等。
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根据管道荷载,支架所承受的管道推力,管道支架间距,支架支撑点的位置、做法等参数来设计管道支吊架。
另外依据《建筑与市政工程抗震通用规范》和《建筑机电工程抗震设计规范》,支吊架设计还需考虑地震力的影响,防止地震时管道支吊架脱落而发生次生灾害。
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管道支吊架是管道系统的重要组成部分。作用是将管道的荷重和承受力传递到建筑房梁、柱结构或其它基础上的一种装置,利用这种装置能正确合理地对管道支承、悬吊、限位或固定,控制管系应力水平和管系对接口设备的推力和力矩,以保证管道和接口设备长期安全运行。同时,管道支吊架设计又是管道设计的重要任务之一。在设计中,合理布置和正确选择支吊架对管道和设备安全运行起到重要作用。管道支吊架设计不当,会使管道系统在运行中损坏管道组成件,更严重的使设备受损或运行中停车,应引起管道支吊架设计者的重视。
管道支吊架设计主要的依据就是国家规范:如:《管道支吊架 第1部分:技术规范》(GBT 17116.1-2018)、《管道支吊架 第2部分:管道连接部件》(GBT 17116.2-2018)、《管道支吊架 第3部分:中间连接件和建筑结构连接件》(GBT 17116.3-2018)、《建筑给排水及及采暖工程施工质量验收规范》、《建筑结构荷载规范》《建筑机电工程抗震设计规范》等等,同时国家为了方便设计人员方便选择同步推出了一系列支吊架国标图集:如《室内管道支吊架》、《装配式室内管道支吊架的选用与安装》、《装配式管道支吊架(含抗震支吊架)》、《地铁装配式管道支吊架设计与安装》《室内管道支架及吊架》等等。这些设计依据及选用网上有很多就不再一一列举了。
在详细工程设计开始前需要对重要的管道进行布置硏究。在这个阶段即开始其附属的管架设计包括其类型、位置、生根可行性等初步确定管道的支撑点和支撑型式。等到管道走向确定后再去研究管架设计就会返工延误其他工作必将影响整个设计进度和效率加大工作量。因此在项目设计开始时,有必要对整个管架系统的应用进行研究。管架设计贯穿于整个设计过程须与管道设计同时进行。应力管道(高温、高压、低温、大管径、动设备连接)需要给定初步的生根点进行应力分析后设计。
常用管道支吊架类型及设置
(1)滑动架的设置
滑动架是在支承点的下方支承的托架除垂直方向支撑力和水平方向的摩擦力以外没有其他阻力滑动架在各个项目的管架数量中所占比例最高是管道设计人员最常用的。一般情况下非应力管线都可以使用滑动架进行支撑。非应力分析的管道温度不高、位移不大时水平管道上一般设置滑动支架。
(2)导向架的设置
导向架在滑动架的基础上增加了管道的方向束缚防止管线侧向位移等情况的发生。对于水平管道导向架同时具有承重作用。设计的原则如下:
(a)在长距离管廊的管道上如果没有设置“T”型补偿器则每隔2个滑动架设置1个导向架来限制管道的横向位移
(b)管道横向位移过大影响邻近管道产生横向不稳定时需设置
(c)管道横向位移过大介质在法兰、活接头处泄漏时需设置
(d)“T”型补偿器两侧的管道上应设置导向架,其位置距补偿器弯头宜为32~40DN(管道公称直径)
(e)导向支架不宜设置在弯头和支管的连接处附近
(f)对竖直管道一般情况下附塔管线由上自下第一个管架除外其他设置导向架且为4个方向导向
(g)可能产生振动的两相流管道需设置;
(h)管廊上的管道方向发生改变后应在相应的位置设置导向架。
各种管道支吊架图片
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管道支吊架是管道系统的重要组成部分。它用以承受管道荷载,限制管道位移和控制管道振动。随着工业的发展,装置的大型化,大真径管道的增多,支吊架也越来越大型化,要求也越来越高。为此,管道支吊架设计不当,在运行中会使管道其他组件易于损坏,更严重的是会使转动设备受损,直至被迫停运。因此,该问题在工程设计中不可忽视。正确设计管道支吊架,对于改善管系振动、适应管系变形等有着重要的作用与意义。
设计依据如下:
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也不知道题主说的是什么管道,消防管道,供水管道,还有钢管,PVC,PPR管道都有不同的施工标准。现在以给排水,采暖工程说说。国标《建筑给排水及采暖工程施工质量验收规范》GB50242-2002中对管道支架有如下要求:第3.3.7条 管道支、吊、托架的安装,应符合下列规定:1、位置正确,埋设应平整牢固;2、固定支架与管道接触应紧密,固定应牢固;3、滑动支架应灵活,滑托与滑槽两侧应留有3至5毫米的间隙,纵向移动量应符合设计要求;4、无热伸长管道的吊架、吊杆应垂直安装;5、有热伸长管道的吊架、吊杆应向热膨胀的反方向偏移;6、固定在建筑结构上的支、吊架不得影响结构的安全第3.3.8条 钢管水平安装的支、吊架间距不应大于下表的规定: 钢管管道支架的最大间隙公称直径mm 15 20 25 32 40 50 70 80 100 125 150 200 250 支架的最大间距m 保温管 2 2.5 2.5 2.5 3 3 4 4 4.5 6 7 7 8 不保温管 2.5 3 3.5 4 4.5 5 6 6 6.5 7 8 9.5 11 第3.3.9条 采暖、给水、热水供应系统的塑料管及复合管垂直或水平安装的支架间距应符合下表规定,采用金属制作的管道支架,应在管道与支架间的加衬非金属垫或套管: 塑料管及复合管管道支架的最大间隙管径mm 12 14 16 18 20 25 32 40 50 63 75 90 110 最大间距 立管 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.3 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 水平管 冷水管 0.4 0.4 0.5 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.35 1.55 热水管 0.2 0.2 0.25 0.3 0.3 0.35 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 第3.3.10条 铜管垂直或水平安装的支架间距应符合下表规定: 铜管管道支架的最大支架公称直径mm 15 20 25 32 40 50 65 80 100 125 150 200 支架的最大间距m 垂直管 1.8 2.4 2.4 3.0 3.0 3.0 3.5 3.5 3.5 3.5 4.0 4.0 热水管 1.2 1.8 1.8 2.4 2.4 2.4 3.0 3.0 3.0 3.0 3.5 3.5
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支吊架设计第一阶段及资料整理阶段,中心任务是对支吊架设计的输入数据进行整理。这些数据的正确性,合理性对支吊架的设计非常重要。为了支吊架产品完全满足设计要求,采用成熟又业绩支持的生产单位进行生产是非常必要的,它能减少支吊架设计及生产中出现的不确定因素。 支吊架设计第二阶段及详细选型阶段,中心任务是根据管道的支吊架设置及汽机厂房布置与设计院进行配合,优化第一阶段的支吊架设置,完成支吊架的布置方案,确定管部位置及形式,确定根部生根位置及形式,确定连接的选型,特殊位置支吊及特殊支吊的设计等。其详细选型设计的原则是尽可能降低支吊的风险并使各技术方案及各技术方案组合最优。
支吊架是管系中的一个重要组成部分,它对管道起着承受重量(荷载包括自重,管内流体重,保温层),组织管道发生非预期方向的位移,控制摆动和防止振动或冲击等。因此,合理布置和正确选择合适的支吊架,不仅能改善管道的应力分布,确保运行安全和延长使用寿命,还能使所设计的管系美观,安装,维护方便等等。
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国家有管道支架设计标准图。一般参照这个标准图设计即可
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一、 管道的布置
对管道进行合理的深化和布置是管道支吊架设计的前提条件。欲设计安全使用、经济合理、整洁美观的管道支吊架,首先需对管道进行合理的布置,其布置不得不考虑以下参数:
1. 管道布置设计应符合各种工艺管道及系统流程的要求;
2. 管道布置应统筹规划,做到安全可靠、经济合理、满足施工、操作、维修等方面的要求,并力求整齐美观;
3. 在确定进出装置(单元)的管道的方位与敷设方式时,应做到内外协调;
4. 管道宜集中成排布置,成排管道之间的净距(保温管为保温之间净距)不应小于50mm。
5. 输送介质对距离、角度、高差等有特殊要求的管道以及大直径管道的布置,应符合设备布置设计的要求,并力求短而直,切勿交叉;
6. 地上的管道宜敷设在管架或管墩上,在管架、管墩上布置管道时,宜使管架或管墩所受的垂直荷载、水平荷载均衡;
7. 管道布置应使管道系统具有必要的柔性,在保证管道柔性及管道对设备、机泵管口作用力和力矩不超出过允许值的惰况下,应使管道最短,组成件最少;
8. 应在管道规划的同时考虑其支承点设置,并尽量将管道布置在距可靠支撑点最近处,但管道外表面距建筑物的最小净距不应小于100mm,同时应尽量考虑利用管道的自然形状达到自行补偿;
9. 管道布置宜做到“步步高”或“步步低”,减少气袋或液袋。不可避免时应根据操作、检修要求设置放空、放净。
二、 管架跨距
管架的跨距的大小直接决定着管架的数量。跨距太小造成管架过密,管架数量增多,费用增高,故需在保证管道安全和正常运行的前提下,尽可能增大管道的跨距,降低工程费用。但是管架跨距又受管道材质、截面刚度、管道其它作用何载和允许挠度等的影响,不可能无限的扩大。所以设计管道的支吊架应先确定管架的最大跨距,管架的最大允许跨距计算应按强度和刚度两个条件分别计算,取其小值作为推荐的最大允许跨距。
1. 按强度条件计算的管架最大跨距的计算公式:
Lmax—管架最大允许跨距(m)
q—管道长度计算荷载(Nm),q=管材重+保温重+附加重
W—管道截面抗弯系数(cm3)
Φ—管道横向焊缝系数,取0.7
[δ]t钢管许用应力——钢管许用应力(Nmm2)
2. 按刚度条件计算的管架最大跨距的计算公式:
Lmax—管架最大允许跨距(m)
q—管道长度计算荷载(Nm),q=管材重+保温重+附加重
Et—刚性弹性模量(Nmm2)
I—管道截面惯性矩(cm4)
i0—管道放水坡度,取0.002
3. 例:采用48K的离心玻璃棉保温,保温厚度为50mm的冷冻水管,其管道规格为φ325×8无缝钢管,其最大允许管道间距为多少?
管道长度荷载
q=7850×3.14×0.008×(0.325-0.008)+1000×3.14×(0.325-0.008×2)24+48×3.14×0.05×(0.325+0.05)=140.29kgm=1402.90Nm
查相关资料得:
管道截面抗弯系数W=616cm3
钢管许用应力[δ]t=112
管道截面惯性矩I=10016cm4
刚性弹性模量Et=2.1×105Nmm2
根据以上公式分别计算得强度条件下的Lmax1=13.14m
根据以上公式分别计算得刚度条件下的Lmax2=27.40m
取最小值,故该管道的最大允许管道间距为13.14m
4. 根据相关规范规定的管道支吊架最大间距确定管道最大允许跨度,如《通风与空调工程施工质量验收规范》GB50243-2002。
表9.3.8 钢管道支、吊架的最大间距
三、 管架分析
1. 管道支吊架介绍
用来支撑管道的结构叫管道支吊架,管道在敷设时都必须对管道进行固定或支撑,固定或支撑管子的构件是支吊架。管道支吊架一般由管座、管架柱或管架吊杆(简称柱或吊杆)、管架梁(简称梁)和支撑节点组成。
2. 管架荷载分析
(1) 垂直荷载
管道支吊架垂直荷载根据性质可分为基本垂直荷载和可变垂直荷载,其中基本垂直荷载指管道支吊架所承受的管道重力、介质重力、保温层等附件的重力等永久性荷载。可变垂直荷载指管道所承受的活荷载、沉积物重力和发生地震时所应该承受的特殊变化的荷载。因可变垂直荷载是无法精确计算的,为此我们将管道支吊架的基本垂直荷载乘以一个经验系数(一般为1.2~1.4)作为管架垂直方向的计算荷载。
管道支吊架基本垂直荷载计算,可先将复杂的管道支架体系近似的看作简支梁,根据受力分析,管架B所承受的基本垂直荷载为GB‘=(GL1+GL1)2
因管道支吊架在一个工程里数量种类繁多,不可能一一计算,为此我们只需考虑同类型支架的最不利受力状况即可,根据管道支吊架的最大允许跨度来计算最不利支架,此时就只需计算长度为最大允许跨度L的管道、介质、保温层的重力GB即可。
其重力方向的计算荷载为G=αGB (α=1.2~1.4)
(2) 水平荷载
管道水平方向的荷载是作用在管架上的水平推力,根据支架类型可分为活动管架上的水平推力和固定管架上的水平推力。
a.活动管架水平推力主要来自管道摩擦力,吊杆水平推力可忽略;水平推力即为管道摩擦力f=μG (μ为摩擦系数,G为管道垂直荷载)
b.固定支架的水平推力主要来自补偿器的弹性变形力。
采用补偿器补偿的管道,其作用在固定管架上的水平推力为补偿器被压缩或拉伸所产生的反弹力。
水平推力=补偿器反弹力T=ηΔL (η为补偿器的弹性模量,ΔL为补偿器发生的变形长度)
采用自然补偿的管道,是利用管道的自然弯曲形状所具有的柔性以补偿管道的热胀和冷缩位移,如图所示。
固定支架变形管道长度为L,补偿臂管道长为Lb
管道安装温度按t1℃考虑,管道工作温度为t2℃,故钢管材质的管道会在温度变化下缩短ΔL=α×ΔT×L (式中α为钢管的线膨胀系数,ΔT为温差,L为固定支架变形管道长度)
故作用在管道补偿上的推力为T=3ΔLEILb3 (E为管道的弹性模量,I为管道的惯性矩)
四、 管架受力计算示例
根据以上管架的受力分析,现以上海环球金融中心低区空调水主干管进行分析计算
如下图所示,现有2根DN400冷水管,管材为无缝钢管φ426×9,工作温度为7-14℃;2根DN200热水管,管材为无缝钢管φ219×6,工作温度为50-55℃,1根DN100蒸汽管道,管材为无缝钢管φ108×5,工作温度为108℃,请对该管组的防晃支架进行受力分析。
根据规范,因DN100的管架最大跨距为5m,故该管组设置的共用支架最大跨距为5m,由此根据最不利情况支架间距为5m分析管架的受力。
1. 管道垂直方向的计算荷载计算
(1)DN400单根管道作用在管架上的计算荷载
DN400单根管道垂直方向的基本荷载(支吊架间距为5米)
钢管重量=7850×(0.426-0.008)×0.008×5×3.14×9.8=4039N
保温重量=48×(0.426+0.05)×0.05×5×3.14×9.8=176N
介质重量=1000×(0.426-0.008×2)2×5×3.14×9.84=6466N
单根管段计算荷载=(钢管重量+保温重量+介质重量)×1.35(考虑35%可变荷载。)
单根DN400冷水管道计算荷载G400=(4039+176+6466)×1.35=14420N
(2)DN200单根管道作用在管架上的计算荷载
DN200单根管道垂直方向的基本荷载(支吊架间距为5米)
钢管重量=7850×(0.219-0.006)×0.006×5×3.14×9.8=1544N
保温重量=48×(0.219+0.05)×0.05×5×3.14×9.8=100N
介质重量=1000×(0.219-0.006×2)2×5×3.14×9.84=1649N
单根管段计算荷载=(钢管重量+保温重量+介质重量)×1.35(考虑35%可变荷载。)
单根DN200热水管道计算荷载G200=(1544+100+1649)×1.35=4446N
(3)DN100单根管道作用在管架上的计算荷载
DN100单根管道垂直方向的基本荷载(支吊架间距为5米)
钢管重量=7850×(0.108-0.005)×0.005×5×3.14×9.8=623N
保温重量=48×(0.108+0.05)×0.05×5×3.14×9.8=59N
介质重量=1000×(0.108-0.005×2)2×5×3.14×9.84=370N(考虑蒸汽管道水压试验时管道内介质的重量。)
单根管段计算荷载=(钢管重量+保温重量+介质重量)×1.35(考虑35%可变荷载。)
单根DN100蒸汽管道计算荷载G100=(623+59+370)×1.35=1421N
2. 管道水平方向的计算荷载
由于该管架为活动支架,所以管架水平方向的受力为管道在管架上滑动摩擦力。
DN400管道的水平推力T400=f400=μG400=0.3×14420=4326N
DN200管道的水平推力T200=f200=μG200=0.3×4446=1334N
DN400管道的水平推力T100=0
3. 管架受力平面图
五、 管架梁选型
根据管架梁的受力分析,管架梁在管道重力下或在管道推力作用下,有可能出现2种现象,一是管架梁会沿着受力方向被剪断,另一种是管架梁会沿着受力方向发生过大弯曲变形,严重的会发生弯曲折断。所以合理的选择管架梁就是使管架梁能刚好满足梁的抗弯和抗剪要求。
1. 管架梁内力分析
将管架假设为刚性结构的简支梁,分别根据管架梁的垂直受力和水平受力情况,按照平面简支梁进行内力分析,并根据静力方程求得管架梁的内力,并绘制梁的剪力图和弯矩图,求出最大剪力和最大弯矩。
根据以上示例管架受力分析得:
得到管架梁垂直方向的最大弯矩为17715N·m,最大剪力为24843N
管架梁水平方向的最大弯矩为3155N·m,最大剪力为5521N
2. 管架梁选型
(1) 管架梁抗弯强度计算
管架梁的最大弯矩计算得出后,根据以下公式对管架梁的材料规格型号进行选择:
式中:rx、ry——截面塑性发展系数,一般型钢取1.05
Mx、My—所验算梁截面绕X轴和绕Y轴的最大弯矩(N·m)
Wnx、Wny—所验算梁截面对X轴和对Y轴的截面系数(cm3)
σ—钢材的抗拉强度,一般型钢钢材取210MPa
采用验算法将初步估计型钢规格所对应的截面系数代入以上公式进行验算,满足该方程的型钢可作为管架梁的备选材料。现仍将以上示例管架为例,依据管架梁的最大弯矩,对管架梁的材料进行选型:
管架梁选型计算表
由管架梁选型计算表得出,角钢200×18、槽钢280c、工字钢25a、H型钢150×150×7×10或2根角钢160×14背面拼装、2根20a槽钢背面拼装均满足弯矩承重要求,因H型钢150×150×7×10比重最小,从经济方面我们暂定H型钢150×150×7×10作为管架梁。
(2)管架梁抗剪强度校验
根据管架梁的抗弯强度计算所选出的支架,还需检验其是否满足管架梁的剪切要求。参照如下公式对管道所承受的剪力进行校验。
式中:τ—抗剪强度
Vx、Vy—梁所承受的X轴方向、Y轴方向的最大剪力(N)
S—梁截面面积(m2)
σv—钢材的抗拉强度,一般型钢钢材取160MPa
参照以上示例对所选择的管架梁进行抗剪校验。
故改型钢满足抗剪要求,所以管架梁采用H型钢150×150×7×10。
六、 管架柱选型
根据管架梁的受力分析,为满足管架梁所受管道重力和水平推立的平衡,管架柱(或吊杆)给予管架梁一个支反力来维持管架梁及梁上各管道的平衡。我们由此梁的支反力对管架柱(或吊杆)进行选型。根据分析,管架柱的受力有2个,一个是垂直方向的拉力(或压力),另一个是水平方向的推力。
1. 管架柱的横截面计算公式:
S=1.5R(0.85σ)
式中S为管架柱的最小截面积,R为管架柱竖直方向的拉力或压力,σ为钢材的抗拉强度,一般型钢钢材取210MPa
所以以上示例中管架柱的最小横截面积为:
S=1.5×21843(0.85×210)=184mm2
2. 管架柱弯曲计算
式中:r—截面塑性发展系数,一般型钢取1.05
F—管架梁作用给管架柱的水平支座反力N
h—管架梁距离支撑点的高度
W—管架柱的最小截面系数(cm3)
σ—钢材的抗拉强度,一般型钢钢材取210MPa
所以以上示例中管架柱的最小截面系数为:
W=1.5×5521×1(0.85×1.05×210)=44cm3
查型钢规格表,使所选择的型钢横截面积大于184mm2,同时其截面系数又必须大于44cm3,我们为了管道支架的整体协调,管架柱也和管架梁采用同规格的H型钢150×150×7×10。
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这类规范有好几本,
GB50311,03S404,民规里也有规定。
水电管道要求也不一样。
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管道支架的作用是用于地上架空敷设管道支承。主要材料为钢、钢筋混凝土、砖木。
管道支架在任何有管道敷设的地方都会用到,又被称作管道支座、管部等。它作为管道的支撑结构,根据管道的运转性能和布置要求,管架分成固定和活动两种。设置固定点的地方成为固定支架,这种管架与管道支架不能发生相对位移,而且,固定管架受力后的变形与管道补偿器的变形值相比,应当很小,因为管架要具有足够的刚度。设置中间支撑的地方采用活动管架,管道与管架之间允许产生相对位移,不约束管道的热变形。
按支架的材料可分为钢结构、钢筋混凝土结构、砖木结构等。
国标《建筑给排水及采暖工程施工质量验收规范》GB50242-2002中对管道支架有如下要求:
第3.3.7条 管道支、吊、托架的安装,应符合下列规定:
1、位置正确,埋设应平整牢固;
2、固定支架与管道接触应紧密,固定应牢固;
3、滑动支架应灵活,滑托与滑槽两侧应留有3至5毫米的间隙,纵向移动量应符合设计要求;
4、无热伸长管道的吊架、吊杆应垂直安装;
5、有热伸长管道的吊架、吊杆应向热膨胀的反方向偏移;
6、固定在建筑结构上的支、吊架不得影响结构的安全
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管道支吊架是管道工程中必用的构件,而工程实际又比较复杂,所以必须正确合理地选用,以保管网的安全运行。选用支吊架的原则是:
(1)管道支吊架韵设置和选型,应能正确地支、吊管道,并能满足管道的强度、刚度、输送介质的温度、压力、位移条件等各方面的综合要求。(2)管架还应能承受一定量的管道外来荷载的作用。
(3)管道支架应尽量选择型号相同的标准管架,以便于成批生产,加快施工进度。
(4)焊接型的管道支架,制作简单,施工方便,应优先采用。
(5)管线吊架,现场装配工作量大、耗钢材多,尽量少用。
(6)在管道上不允许有任何位移的地方应装设固定支架,以承受管道的质量、水平推力和力矩。
(7)在管道上无垂直位移或垂直位移很小的地方,可设活动支架或刚性吊架,以承受管道质量,增强管道的稳定性,活动支架的形式应根据管道对支架的摩擦作用力的不同来选取:
1)对由于摩擦而产生的作用力无严格限制时,可采用滑动支架;2)当要求减少管道轴向摩擦作用力时,可用滚柱支架;
3)当要求减少管道水平位移的摩擦作用力时,可采用滚珠支架,滚柱和滚珠支架结构较为复杂,一般只用于介质较高的管径较大的管路上;4)在架空管道上,当不便装设活动支架时,可采用钢性支架。
(8)在水平管道上只允许管道单向水平位移的地方,在铸铁阀门的两侧和矩形补偿器两侧4DN处应设置导向支架。
(9)轴向波形补偿器导向支架距离,应根据波纹管的要求设置。轴向波纹管和套管式补偿器应设置双向限位导向支架,防止横向和竖向位移超过补偿器的允许值。
(10)在管道具有垂直位移的地方,应装设弹簧吊架,在不便装设弹簧吊架时,亦可采用弹簧支架,在同时具有水平位移时,应采用滚珠弹簧支架。
(11)对于室外敷设大直径煤气管道的独立活动支架,为减少摩擦阻力,应设计成柔性的和半铰接的或采用可靠的滚动支架,避免采用刚性支架或活动支架。
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