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載喔科技：淺談城市軌道交通工程抗震支吊架的應用

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電的抗震支撐系統，是一種在遭遇到設防烈度的地震時(shí)，能將管道、電纜槽盒及設備產(chǎn)生的地震作用傳到結構體上的抗震支撐措施?？拐鹬У跫茉趪鴥冗€是新鮮事物，但在國外尤其是地震多發(fā)的發(fā)達國家已有多年歷史。

　　機電抗震支吊架系統是實(shí)施抗震設防的地鐵結構設計的機電工程管路、線(xiàn)槽及設備安裝的支持系統，原有一般意義的普通支吊架系統是以機電設備和管道等重力為主要荷載的支撐系統，這兩種支撐系統的設置并不重復而是相輔相成的。

　　《建筑機電工程抗震設計規范》（GB50981—2014）規定，抗震支吊架建筑機電工程中的應用范圍如下:

　　1）直徑大于65mm 的室內給水、熱水機消防管道；

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

　　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(xiàn)槽等。

抗震支吊架抗震計算

　　當地震發(fā)生時(shí)，抗震支吊架在地震中可對給排水系統、空調系統、電氣管線(xiàn)系統，在縱、橫兩個(gè)方向進(jìn)行限制性位移，避免碰撞喪失其運行功能。水平方向的地震負荷可由兩個(gè)不同方向的抗震支撐承擔，即側向抗震支撐承擔側向負荷，縱向抗震支撐承擔縱向負荷。所有抗震支撐須和結構體做可靠連接。

　　抗震支吊架系統的安裝形式及布置原則都是依據嚴格的力學(xué)計算結果確定的，《建筑機電工程抗震設計規范》（GB50981—2014）規定地震力的計算必須滿(mǎn)足規范要求。計算過(guò)程中的水平地震力按照等效側力法時(shí)為：

　　F =γηζ 1ζ 2α maxG

　　式中：F 為沿最不利方向施加于機電工程設施重心處的水平地震作用標準值；γ 為非結構構件功能系數，查表取值0.9；η 為非結構構件類(lèi)別系數；ζ 1 為狀態(tài)系數，對支撐點(diǎn)低于質(zhì)心的任何設備和柔性體系宜取2.0，其余情況可取1.0；ζ 2 為位置系數，建筑的頂點(diǎn)宜取2.0，底部宜取1.0，沿高度線(xiàn)性分布；對結構要求采用時(shí)程分析法補充計算的建筑，應按其計算結果調整；α max 為地震影響系數最大值；G 為非結構構件的重力，應包括運行時(shí)有關(guān)的人員、容器和管道的介質(zhì)及儲運柜中的物品的重力。

　　在計算時(shí)，針對不同成品類(lèi)型、不同組合、不同間距的抗震支吊架，核算出間距區間內所有管道的重力荷載值；再根據規范取得所計算的抗震支吊架的狀態(tài)系數、位置系數及功能和類(lèi)別系數，從而計算得到此吊架的水平地震作用。根據計算所得的水平地震作用及所計算的抗震支吊架形式，對其中每個(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，根據查到的相關(guān)數據可知：每延米鋼管重量為77.53kg/m，即G 水=0.7753kN/m。

　　根據《建筑機電工程抗震設計規范》（GB 50981—2014）第27 頁(yè)8.2.3 條，查詢(xún)抗震支吊架間距，按12m 計算。

　　G=G 水×L 水=0.7753×12=9.3036kN

　　F =γηζ 1ζ 2α maxG

　　水平地震力綜合系數：αEK=0.9×1.4×2.0×2.0×0.08=0.4032＜0.5，依據《建筑機電工程抗震設計規范》（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《建筑機電工程抗震設計規范》（GB 50981—2014）中3.5 章計算：

　　S =γ GS GE+γ EHS EHK

　　式中：S 為機電工程設施或構件內力組合的設計值；γ G 為重力荷載分項系數，一般情況取1.2；γ EH 為水平地震作用分項系數，取1.3；S GE 為重力荷載代表值的效應；S EHK 為水平地震作用標準值的效應。

　　根據計算簡(jiǎn)圖（見(jiàn)下圖）得出斜撐與吊桿的內力組合設計值：S 斜撐=4.93kN，S 吊桿=3.84kN。

內力計算簡(jiǎn)圖

　　根據計算所得桿件內力值，對吊架構件進(jìn)行選取。

　　抗震支吊架的設計及布置間距除需滿(mǎn)足《建筑機電工程抗震設計規范》（GB50981—2014）中的構造距離要求外，還應滿(mǎn)足抗震的距離計算要求。根據不同的機電專(zhuān)業(yè)不同材質(zhì)的管道，設置抗震支吊架的距離也會(huì )隨之調整。在實(shí)際工程中，根據機電管線(xiàn)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，達到安全、實(shí)用、經(jīng)濟的目的?？拐鹬У跫芙Y構示意如圖所示。

抗震支吊架結構示意

城市軌道交通工程中抗震支吊架設計中的問(wèn)題

　　城市軌道交通工程中的抗震支吊架系統，其計算及布置安裝均遵循《建筑機電工程抗震設計規范》（GB 50981—2014）相關(guān)規定，但其中仍然存在問(wèn)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算問(wèn)題?，F階段的國家相關(guān)技術(shù)規范中，地下工程的地震力計算（考慮工程周邊土體的影響）仍處于研究階段?，F階段施行的抗震規范對地下工程的地震力的計算未提供詳細的計算模型，只給出了比較籠統的概述及計算要求，考慮結構周邊土體的影響需使用有限元進(jìn)行分析并結合實(shí)驗數據支持。

　　2）軌道交通工程中布置的抗震支吊架的形式與《建筑機電工程抗震設計規范》（GB 50981—2014）相關(guān)規定的定義與實(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，機電設備管線(xiàn)在狹小的空間需要分專(zhuān)業(yè)、分層、交叉布置。這對抗震支吊架系統的設置及形式提出了很多要求，很難給出準確的計算模型。

　　例如，各專(zhuān)業(yè)管線(xiàn)分層布置，支吊架的高度會(huì )加大，這造成需要支吊架系統有足夠的強度及剛度滿(mǎn)足抗震計算的要求。在《建筑機電工程抗震設計規范》（GB 50981—2014）中，對抗震支吊架體統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(zhuān)業(yè)管線(xiàn)交叉布置會(huì )存在矛盾，斜向支撐是否會(huì )與某專(zhuān)業(yè)的管線(xiàn)沖突仍需進(jìn)行設計優(yōu)化。

機電管線(xiàn)綜合深化設計及抗震支吊架的布置原則

　　隨著(zhù)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(chē)站建筑的功能越來(lái)越強大，智能化程度越來(lái)越高，建筑內的機電管線(xiàn)也越來(lái)越多。各種不同功能的管線(xiàn)交叉、交錯，經(jīng)常出現專(zhuān)業(yè)間的交叉打架現象，因此，對機電管線(xiàn)進(jìn)行綜合化設計越來(lái)越有必要性。機電管線(xiàn)綜合深化設計, 就是將同一區域內的機電管線(xiàn)進(jìn)行綜合, 根據不同管線(xiàn)的不同性質(zhì)、不同功能、不同施工要求，同時(shí)結合建筑裝修的要求, 對管線(xiàn)位置進(jìn)行統籌排布。其解決手段是應用BIM（建筑信息模型）技術(shù)模擬深化設計、模擬施工。

　　應用BIM 技術(shù)對機電管線(xiàn)綜合深化設計時(shí)，會(huì )對不同專(zhuān)業(yè)間管線(xiàn)進(jìn)行空間管線(xiàn)間的交叉避讓處理，從而實(shí)現原始的設計意圖，保證建筑工程的功能實(shí)現。

抗震支吊架安裝及驗收

　　安裝及驗收時(shí)應考慮以下內容。

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

　　2）水平管道在90°轉彎時(shí)，需設抗震支吊架；其他角度轉彎長(cháng)度大于抗震設計間距的1/16 時(shí)，需設側向及縱向抗震支吊架。

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

　　4）抗震吊架不應限制管線(xiàn)熱脹冷縮產(chǎn)生的應力，當把熱脹冷縮因素考慮在內時(shí)，縱向吊架在構件選型上，應考慮所選型號能抵抗管線(xiàn)的熱脹冷縮應力。

　　5）保溫管線(xiàn)的抗震吊架管線(xiàn)需按保溫后的尺寸考慮，門(mén)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構部位或功能部位，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、雙向側向或縱向或具有側/ 縱向作用的拐點(diǎn)抗震支撐，應直接與管線(xiàn)或電線(xiàn)套管連接。應注意支管或小一級管線(xiàn)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(xiàn)穿越建筑沉降縫時(shí)，應考慮沉降位移的設計。

　　9）側/ 縱向斜撐安裝的最佳垂直角度為45°，且不得小于30°。

　　10）對水、電、風(fēng)系統的單管或多管共用門(mén)形吊架，無(wú)論側向或縱向斜撐，斜撐偏離中心線(xiàn)2.5°時(shí)不會(huì )影響其承載力。

結論

　　為保證在突發(fā)地震時(shí)，機電系統管道、設備在設防烈度的地震作用下不跌落，保證生命線(xiàn)系統（如消防噴淋和防排煙系統）能正常運轉，對城市軌道交通機電工程進(jìn)行抗震措施設防刻不容緩。雖然，對于城市軌道交通工程中的抗震支吊架的計算仍然存在一些問(wèn)題，但隨著(zhù)國家規范的健全及相關(guān)技術(shù)的完善，抗震支吊架系統將會(huì )貫穿之后的所有工程設計中，最大力度地保障人民的財產(chǎn)及生命安全。

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