載喔科技：淺談城市軌道交通工程抗震支吊架的應(yīng)用

2020-06-14 21:05:39 載喔科技

抗震支吊架的概述

　　抗震支吊架是以地震力為主要荷載的用于城市軌道交通機(jī)電的抗震支撐系統(tǒng)，是一種在遭遇到設(shè)防烈度的地震時(shí)，能將管道、電纜槽盒及設(shè)備產(chǎn)生的地震作用傳到結(jié)構(gòu)體上的抗震支撐措施。抗震支吊架在國內(nèi)還是新鮮事物，但在國外尤其是地震多發(fā)的發(fā)達(dá)國家已有多年歷史。

　　機(jī)電抗震支吊架系統(tǒng)是實(shí)施抗震設(shè)防的地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的機(jī)電工程管路、線槽及設(shè)備安裝的支持系統(tǒng)，原有一般意義的普通支吊架系統(tǒng)是以機(jī)電設(shè)備和管道等重力為主要荷載的支撐系統(tǒng)，這兩種支撐系統(tǒng)的設(shè)置并不重復(fù)而是相輔相成的。

　　《建筑機(jī)電工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50981—2014）規(guī)定，抗震支吊架建筑機(jī)電工程中的應(yīng)用范圍如下:

　　1）直徑大于65mm 的室內(nèi)給水、熱水機(jī)消防管道；

　　2）所有防排煙風(fēng)道、事故通風(fēng)風(fēng)道及設(shè)備；

　　3）所有截面積大于等于0.70㎡的圓形風(fēng)管；

　　4）所有截面積大于等于0.38㎡的矩形風(fēng)管；

　　5）內(nèi)徑不小于60mm 的電氣配管及每米重力不小于150N/m 的電纜梯架、電纜槽盒及母線槽等。

抗震支吊架抗震計(jì)算

　　當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，抗震支吊架在地震中可對(duì)給排水系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、電氣管線系統(tǒng)，在縱、橫兩個(gè)方向進(jìn)行限制性位移，避免碰撞喪失其運(yùn)行功能。水平方向的地震負(fù)荷可由兩個(gè)不同方向的抗震支撐承擔(dān)，即側(cè)向抗震支撐承擔(dān)側(cè)向負(fù)荷，縱向抗震支撐承擔(dān)縱向負(fù)荷。所有抗震支撐須和結(jié)構(gòu)體做可靠連接。

　　抗震支吊架系統(tǒng)的安裝形式及布置原則都是依據(jù)嚴(yán)格的力學(xué)計(jì)算結(jié)果確定的，《建筑機(jī)電工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50981—2014）規(guī)定地震力的計(jì)算必須滿足規(guī)范要求。計(jì)算過程中的水平地震力按照等效側(cè)力法時(shí)為：

　　F =γηζ 1ζ 2α maxG

　　式中：F 為沿最不利方向施加于機(jī)電工程設(shè)施重心處的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值；γ 為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件功能系數(shù)，查表取值0.9；η 為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件類別系數(shù)；ζ 1 為狀態(tài)系數(shù)，對(duì)支撐點(diǎn)低于質(zhì)心的任何設(shè)備和柔性體系宜取2.0，其余情況可取1.0；ζ 2 為位置系數(shù)，建筑的頂點(diǎn)宜取2.0，底部宜取1.0，沿高度線性分布；對(duì)結(jié)構(gòu)要求采用時(shí)程分析法補(bǔ)充計(jì)算的建筑，應(yīng)按其計(jì)算結(jié)果調(diào)整；α max 為地震影響系數(shù)最大值；G 為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重力，應(yīng)包括運(yùn)行時(shí)有關(guān)的人員、容器和管道的介質(zhì)及儲(chǔ)運(yùn)柜中的物品的重力。

　　在計(jì)算時(shí)，針對(duì)不同成品類型、不同組合、不同間距的抗震支吊架，核算出間距區(qū)間內(nèi)所有管道的重力荷載值；再根據(jù)規(guī)范取得所計(jì)算的抗震支吊架的狀態(tài)系數(shù)、位置系數(shù)及功能和類別系數(shù)，從而計(jì)算得到此吊架的水平地震作用。根據(jù)計(jì)算所得的水平地震作用及所計(jì)算的抗震支吊架形式，對(duì)其中每個(gè)桿件進(jìn)行受力分析，得出每個(gè)桿件的截面形式及尺寸。

　　例如：以DN200 保溫管道為例，材質(zhì)為鋼管，根據(jù)查到的相關(guān)數(shù)據(jù)可知：每延米鋼管重量為77.53kg/m，即G 水=0.7753kN/m。

　　根據(jù)《建筑機(jī)電工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50981—2014）第27 頁8.2.3 條，查詢抗震支吊架間距，按12m 計(jì)算。

　　G=G 水×L 水=0.7753×12=9.3036kN

　　F =γηζ 1ζ 2α maxG

　　水平地震力綜合系數(shù)：αEK=0.9×1.4×2.0×2.0×0.08=0.4032＜0.5，依據(jù)《建筑機(jī)電工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB-50981）8.24,8.25的要求，不足0.5時(shí)取0.5 。

　　F =0.5×9.3036=4.6518kN

　　根據(jù)《建筑機(jī)電工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50981—2014）中3.5 章計(jì)算：

　　S =γ GS GE+γ EHS EHK

　　式中：S 為機(jī)電工程設(shè)施或構(gòu)件內(nèi)力組合的設(shè)計(jì)值；γ G 為重力荷載分項(xiàng)系數(shù)，一般情況取1.2；γ EH 為水平地震作用分項(xiàng)系數(shù)，取1.3；S GE 為重力荷載代表值的效應(yīng)；S EHK 為水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)。

　　根據(jù)計(jì)算簡圖（見下圖）得出斜撐與吊桿的內(nèi)力組合設(shè)計(jì)值：S 斜撐=4.93kN，S 吊桿=3.84kN。

內(nèi)力計(jì)算簡圖

　　根據(jù)計(jì)算所得桿件內(nèi)力值，對(duì)吊架構(gòu)件進(jìn)行選取。

　　抗震支吊架的設(shè)計(jì)及布置間距除需滿足《建筑機(jī)電工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50981—2014）中的構(gòu)造距離要求外，還應(yīng)滿足抗震的距離計(jì)算要求。根據(jù)不同的機(jī)電專業(yè)不同材質(zhì)的管道，設(shè)置抗震支吊架的距離也會(huì)隨之調(diào)整。在實(shí)際工程中，根據(jù)機(jī)電管線布置及工程所需層高、凈高要求等，選取合理的抗震支吊架形式進(jìn)行間距核算，達(dá)到安全、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的目的?？拐鹬У跫芙Y(jié)構(gòu)示意如圖所示。

抗震支吊架結(jié)構(gòu)示意

城市軌道交通工程中抗震支吊架設(shè)計(jì)中的問題

　　城市軌道交通工程中的抗震支吊架系統(tǒng)，其計(jì)算及布置安裝均遵循《建筑機(jī)電工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50981—2014）相關(guān)規(guī)定，但其中仍然存在問題。

　　1）軌道交通工程中處于地下部分的地鐵工程的抗震支吊架地震力的計(jì)算問題?，F(xiàn)階段的國家相關(guān)技術(shù)規(guī)范中，地下工程的地震力計(jì)算（考慮工程周邊土體的影響）仍處于研究階段。現(xiàn)階段施行的抗震規(guī)范對(duì)地下工程的地震力的計(jì)算未提供詳細(xì)的計(jì)算模型，只給出了比較籠統(tǒng)的概述及計(jì)算要求，考慮結(jié)構(gòu)周邊土體的影響需使用有限元進(jìn)行分析并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

　　2）軌道交通工程中布置的抗震支吊架的形式與《建筑機(jī)電工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50981—2014）相關(guān)規(guī)定的定義與實(shí)際情況并不完全相符，且存在空間的差異。一般在城市軌道交通工程中，機(jī)電設(shè)備管線在狹小的空間需要分專業(yè)、分層、交叉布置。這對(duì)抗震支吊架系統(tǒng)的設(shè)置及形式提出了很多要求，很難給出準(zhǔn)確的計(jì)算模型。

　　例如，各專業(yè)管線分層布置，支吊架的高度會(huì)加大，這造成需要支吊架系統(tǒng)有足夠的強(qiáng)度及剛度滿足抗震計(jì)算的要求。在《建筑機(jī)電工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50981—2014）中，對(duì)抗震支吊架體統(tǒng)的描述示意圖是增加斜向支撐，角度在45°為適宜，這與實(shí)際工程中多專業(yè)管線交叉布置會(huì)存在矛盾，斜向支撐是否會(huì)與某專業(yè)的管線沖突仍需進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

機(jī)電管線綜合深化設(shè)計(jì)及抗震支吊架的布置原則

　　隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，城市軌道交通工程車站建筑的功能越來越強(qiáng)大，智能化程度越來越高，建筑內(nèi)的機(jī)電管線也越來越多。各種不同功能的管線交叉、交錯(cuò)，經(jīng)常出現(xiàn)專業(yè)間的交叉打架現(xiàn)象，因此，對(duì)機(jī)電管線進(jìn)行綜合化設(shè)計(jì)越來越有必要性。機(jī)電管線綜合深化設(shè)計(jì), 就是將同一區(qū)域內(nèi)的機(jī)電管線進(jìn)行綜合, 根據(jù)不同管線的不同性質(zhì)、不同功能、不同施工要求，同時(shí)結(jié)合建筑裝修的要求, 對(duì)管線位置進(jìn)行統(tǒng)籌排布。其解決手段是應(yīng)用BIM（建筑信息模型）技術(shù)模擬深化設(shè)計(jì)、模擬施工。

　　應(yīng)用BIM 技術(shù)對(duì)機(jī)電管線綜合深化設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)對(duì)不同專業(yè)間管線進(jìn)行空間管線間的交叉避讓處理，從而實(shí)現(xiàn)原始的設(shè)計(jì)意圖，保證建筑工程的功能實(shí)現(xiàn)。

抗震支吊架安裝及驗(yàn)收

　　安裝及驗(yàn)收時(shí)應(yīng)考慮以下內(nèi)容。

　　1）管道和電線套管允許縱向偏移，但不得超過最大側(cè)向支撐間距的1/16；風(fēng)管允許偏移，但不得超過風(fēng)管寬度的2倍。

　　2）水平管道在90°轉(zhuǎn)彎時(shí)，需設(shè)抗震支吊架；其他角度轉(zhuǎn)彎長度大于抗震設(shè)計(jì)間距的1/16 時(shí)，需設(shè)側(cè)向及縱向抗震支吊架。

　　3）計(jì)算水平地震力荷載時(shí)，只需考慮滿負(fù)荷重量，而不需要考慮其他因素。

　　4）抗震吊架不應(yīng)限制管線熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力，當(dāng)把熱脹冷縮因素考慮在內(nèi)時(shí)，縱向吊架在構(gòu)件選型上，應(yīng)考慮所選型號(hào)能抵抗管線的熱脹冷縮應(yīng)力。

　　5）保溫管線的抗震吊架管線需按保溫后的尺寸考慮，門形吊架用于保溫風(fēng)管，水管亦按此考慮。

　　6）用于剛性管道的抗震支撐不能安裝于建筑的不同結(jié)構(gòu)部位或功能部位，否則會(huì)因地震作用而產(chǎn)生不同的位移。

　　7）單管抗震支撐、雙向側(cè)向或縱向或具有側(cè)/ 縱向作用的拐點(diǎn)抗震支撐，應(yīng)直接與管線或電線套管連接。應(yīng)注意支管或小一級(jí)管線的支撐不能作為主管的抗震支撐，即不能作為另一方向（主管）的支撐。

　　8）管線穿越建筑沉降縫時(shí)，應(yīng)考慮沉降位移的設(shè)計(jì)。

　　9）側(cè)/ 縱向斜撐安裝的最佳垂直角度為45°，且不得小于30°。

　　10）對(duì)水、電、風(fēng)系統(tǒng)的單管或多管共用門形吊架，無論側(cè)向或縱向斜撐，斜撐偏離中心線2.5°時(shí)不會(huì)影響其承載力。

結(jié) 論

　　為保證在突發(fā)地震時(shí)，機(jī)電系統(tǒng)管道、設(shè)備在設(shè)防烈度的地震作用下不跌落，保證生命線系統(tǒng)（如消防噴淋和防排煙系統(tǒng)）能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)城市軌道交通機(jī)電工程進(jìn)行抗震措施設(shè)防刻不容緩。雖然，對(duì)于城市軌道交通工程中的抗震支吊架的計(jì)算仍然存在一些問題，但隨著國家規(guī)范的健全及相關(guān)技術(shù)的完善，抗震支吊架系統(tǒng)將會(huì)貫穿之后的所有工程設(shè)計(jì)中，最大力度地保障人民的財(cái)產(chǎn)及生命安全。

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