薛 晟

高層建筑燃?xì)庠O(shè)計(jì)有關(guān)問(wèn)題的探討

薛 晟

探討了高層建筑燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)過(guò)程中的問(wèn)題。

高層建筑；燃?xì)庠O(shè)計(jì)；沉降量；補(bǔ)償措施；附加壓頭；應(yīng)力計(jì)算

近年來(lái)，隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展和建筑業(yè)的興盛，在各大城市中，大量的高層建筑（10層以上建筑）乃至超高層建筑（40層以上或高100 m以上建筑）已經(jīng)建成和正在建設(shè)之中。其中尤以高層普通住宅和商住用房更突出。這類建筑要求燃?xì)獾墓?yīng)必須與之配套。鑒于高層建筑的特殊性，在進(jìn)行其燃?xì)夤艿脑O(shè)計(jì)時(shí)，就必須解決在多層建筑中對(duì)燃?xì)夤芎腿細(xì)夤?yīng)影響不大而可以忽略不計(jì)、但在高層建筑中的燃?xì)夤芎腿細(xì)夤?yīng)就不可忽略的一些因素。其影響因素主要有以下幾點(diǎn)：

①高層建筑因其體積和自重遠(yuǎn)大于普通建筑，其地基下沉對(duì)燃?xì)庖牍艿挠绊懀?/p>

②高層建筑高度較高，因燃?xì)獗戎嘏c空氣比重的差異所產(chǎn)生的附加壓頭對(duì)用戶灶具使用的影響；

③高層建筑燃?xì)饬⒐艿淖灾匾鸬膲嚎s應(yīng)力、管道因環(huán)境溫度變化所帶來(lái)伸縮量及熱應(yīng)力的影響；

④高層建筑在受到地震和風(fēng)荷載的影響下，會(huì)產(chǎn)生一定量的變形，設(shè)于其上的燃?xì)夤艿离S之產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力的影響等。

本文擬就上述幾點(diǎn)影響因素，提出一些消除方法。

1 消除高層建筑的沉降對(duì)燃?xì)庖牍艿挠绊懙姆绞?/h2>

高層建筑因自重會(huì)產(chǎn)生一定量的沉降，燃?xì)庖牍茏允彝膺M(jìn)入室內(nèi)時(shí)，此段管道在建筑物沉降過(guò)大時(shí)會(huì)受到損壞，為此必須在燃?xì)庖牍芴幉扇〕两盗康难a(bǔ)償措施。通常是在緊貼建筑物基礎(chǔ)外側(cè)設(shè)沉降箱，在沉降箱內(nèi)再采取如下方式。

方式一：采用多個(gè)絲扣聯(lián)接的彎頭按順時(shí)針?lè)较蚪M合，利用絲扣一定量的可旋轉(zhuǎn)性產(chǎn)生的管道上下位移進(jìn)行沉降量的補(bǔ)償。

方式二：利用鉛管的可撓性進(jìn)行補(bǔ)償。

方式三：選擇不銹鋼金屬波紋軟管，利用其可撓性進(jìn)行補(bǔ)償。

方式四：將通用型波紋補(bǔ)償器垂直安裝于引入管上，利用其伸縮能力進(jìn)行沉降量的補(bǔ)償。

方式一中，多個(gè)彎頭埋于地下，其螺紋部分軟管道易于腐蝕，且在施工過(guò)程中極易形成反時(shí)針現(xiàn)象。當(dāng)管道下沉?xí)r，某些絲扣會(huì)反時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，從而影響其氣密性。

方式二中，鉛管在彎曲過(guò)程中易于扁平，從而影響管道的通過(guò)能力。

方式四中，通用補(bǔ)償器可通過(guò)計(jì)算選擇滿足沉降量的補(bǔ)償，但對(duì)其他方向位移的補(bǔ)償能力有限。另外，波紋補(bǔ)償器的安裝要求也高于其他幾種方式。

方式一、二、四對(duì)地震頻發(fā)地區(qū)也不太適合。

因此，選擇何種方式，必須根據(jù)當(dāng)?shù)氐木唧w情況。本文中認(rèn)為，方式三是進(jìn)行燃?xì)庖牍艹两盗垦a(bǔ)償?shù)淖罴逊绞健?/p>

2 燃?xì)饬⒐苌细郊訅侯^的影響的消除方式

因燃?xì)馀c空氣的容重有差異，燃?xì)饣蜉p于空氣或重于空氣，造成燃?xì)饬⒐苌细郊訅侯^的產(chǎn)生。

式中：ΔP——附加壓頭，Pa；

H——管道始末端的高程差，對(duì)于上升管段，H值取正值，反之取負(fù)值，m；

Ra——空氣密度，1.293 kg/m3；

Rg——燃?xì)饷芏?，kg/m3；

g——重力加速度，取9.81 m/s2。

以上升管段為例，當(dāng)燃?xì)馊葜匦∮诳諝馊葜貢r(shí)，ΔP值為負(fù)，反之ΔP值為正值。

對(duì)家用燃?xì)庠顏?lái)說(shuō)，其灶前允許壓力波動(dòng)范圍是灶具額定工作壓力的0.5～1.5倍。在家用燃?xì)庠畹念C布標(biāo)準(zhǔn)（CJ-83）中也列出了與灶具工作壓力有關(guān)的灶具性能參數(shù)，即必須以灶具額定工作壓力的0.5～1.5倍壓力進(jìn)行測(cè)試并符合要求的規(guī)定。當(dāng)灶具在灶前壓力大于1.5倍額定工作壓力下使用時(shí)，將會(huì)使灶具的熱效率下降，火焰的穩(wěn)定性（離焰、脫火） 下降，帶電子點(diǎn)火裝置的灶的點(diǎn)火成功率下降；同時(shí)使灶具的燃燒噪聲加大，煙氣中一氧化碳的含量也會(huì)有所增加。

當(dāng)整個(gè)低壓管網(wǎng)只有極少數(shù)用戶在用氣，而高層建筑又離調(diào)壓房較近時(shí)，自調(diào)壓房出口管至表前的整個(gè)管段的壓降微乎其微，可認(rèn)為引入管前壓力接近于調(diào)壓房出口壓力，附加壓頭的疊加就極易使某些層次以上的用戶灶前壓力超過(guò)其最高允許壓力波動(dòng)范圍。這種工況是高層建筑燃?xì)夤芫W(wǎng)的最不利運(yùn)行工況。把這種運(yùn)行工況作為考慮對(duì)象，用戶灶前壓力按下述公式計(jì)算：

式中：P2——灶前壓力，Pa；

P1——調(diào)壓房（器）出口壓力，Pa；

ΔP1——主干管及庭院支管壓降，Pa；

ΔP2——立管至灶前分支管壓力降，取200 Pa（表壓降為150 Pa左右）；

P附——附加壓頭，Pa。

在最不利工況下，ΔP1忽略不計(jì)，當(dāng)灶前壓力達(dá)到灶具額定工作壓力的 1.5倍時(shí)，式 （1） 變?yōu)椋?/p>

式（2） 可用于確定附加壓頭增加至多少時(shí)，灶前壓力會(huì)超過(guò)其額定工作壓力。

以南京市燃?xì)夤?yīng)為例，人工煤氣的灶具額定工作壓力為1 000 Pa，調(diào)壓房出口壓力為1 500 Pa。取式（2）中P1=1 500 Pa（低壓管網(wǎng)處于最不利運(yùn)行工況），當(dāng)附加壓頭大于200 Pa時(shí)，灶前壓力會(huì)超出最高允許壓力，因此附加壓頭的允許極限取200 Pa為宜。

煤氣容重為 0.42 kg/m3～0.59 kg/m3（一般取0.55 kg/m3），附加壓頭約為6 Pa/m。當(dāng)住宅高度超過(guò)33 m時(shí)，就應(yīng)考慮附加壓頭的影響。

消除附加壓頭影響的方式：

方式一，通過(guò)管道水力計(jì)算，用增加管道阻力的方式消除附加壓頭的影響，如改變立管口徑、立管上增加閥門等。

方式二，從附加壓頭超過(guò)200 Pa的層次開(kāi)始，在立管上設(shè)置低-低壓調(diào)壓器，使灶前壓力穩(wěn)定在額定工作壓力范圍內(nèi)。

方式一中，當(dāng)高層建筑自頂層開(kāi)始有極少數(shù)用戶用氣時(shí)，其附加壓頭幾乎未有所減少。

方式二中，當(dāng)調(diào)壓器出現(xiàn)故障時(shí)，其后的用戶將受其影響。

方式三應(yīng)該是消除附加壓頭的最理想的方式。

在日本名古屋市一棟高層高級(jí)公寓中，自20層開(kāi)始的天燃?xì)庥脩舯砬埃褂昧擞蓯?ài)知時(shí)針電機(jī)株式會(huì)社生產(chǎn)的HRT-7型調(diào)壓裝置，該裝置的入口壓力范圍為1 500 Pa～5 000 Pa，出口壓力為2 100 Pa，通過(guò)流量為7 m3/h。

目前在國(guó)內(nèi)的一些燃?xì)庠O(shè)備展覽會(huì)上也有一種用戶低-低壓調(diào)壓器，調(diào)壓器的進(jìn)口壓力為1 500 Pa，出口壓力為1 000 Pa，最大流量為5.6 m3/h。

3 燃?xì)饬⒐艿膽?yīng)力計(jì)算及應(yīng)力消除方式

高層建筑內(nèi)因立管較長(zhǎng)，管道較重，管道上會(huì)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。因受環(huán)境溫度變化的影響，立管會(huì)產(chǎn)生伸縮變形和熱應(yīng)力。另外，建筑物在受到風(fēng)荷載和地震的影響時(shí)均會(huì)產(chǎn)生一定的擺動(dòng)，燃?xì)饬⒐芤蚴艽前逄椎南拗埔矔?huì)隨之?dāng)[動(dòng)從而產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。此3種應(yīng)力在高層建筑燃?xì)饬⒐艿脑O(shè)計(jì)中均不可忽視。

3.1 壓縮應(yīng)力

因管道自重產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力：

近年來(lái)，文化例外條款是全球多邊貿(mào)易談判中一個(gè)不可避免要被談及的問(wèn)題，其本質(zhì)是強(qiáng)調(diào)文化產(chǎn)品的文化屬性，要求將其與一般商品區(qū)分開(kāi)。對(duì)文化遺產(chǎn)的保護(hù)屬于人類共同利益，我們需要考慮，是否應(yīng)該擴(kuò)大對(duì)于文化例外條款內(nèi)涵的理解，并將其同樣適用于國(guó)際投資法領(lǐng)域？

式中：σ——壓縮應(yīng)力，N/mm2；

W——管道自重，當(dāng)立管上無(wú)承重支撐時(shí)為全部立管之重量，N；

A——立管截面積，A=π（D-d）2/4，mm2；

D——管道外徑，mm；

d——管道內(nèi)徑，mm。

普通碳鋼（A3） 在工作環(huán)境溫度小于100℃時(shí)的許用應(yīng)力 [σ]=113 N/mm2，根據(jù)管道允許自重W允許≤ [σ]×A可計(jì)算出不同管徑的允許管長(zhǎng)（見(jiàn)表1）。

表1 根據(jù)管道允許自重計(jì)算的不同管徑的允許管長(zhǎng)

根據(jù)表1計(jì)算可知，當(dāng)管長(zhǎng)超過(guò)1 400 m時(shí)，因管重引起的壓縮應(yīng)力會(huì)超過(guò)管材的許用應(yīng)力，而如此高的立管長(zhǎng)度對(duì)一般高層建筑是不可能的，故該壓縮應(yīng)力對(duì)管材的破壞性可不予考慮，但在考慮管道推力和綜合應(yīng)力時(shí)則不可忽視，為此必須將立管重量采用分層支撐的方式給予均攤。

3.2 伸縮量與熱應(yīng)力及其消除方式

隨著立管周圍環(huán)境溫度的變化，會(huì)產(chǎn)生伸縮變形和熱應(yīng)力。管道兩端不固定時(shí)伸縮量的計(jì)算公式：

式中：Δl——伸縮量，mm；

C——線膨脹系數(shù)（碳鋼C=12×10-2mm/℃m）

Δt——環(huán)境溫差，℃。

一般室外取60℃，室內(nèi)無(wú)空調(diào)時(shí)取40℃、有空調(diào)時(shí)取20℃，如果將管道兩端固定，產(chǎn)生的熱應(yīng)力的計(jì)算公式為：

式中：σr——熱應(yīng)力；

E——彈性模數(shù)（鋼取2.1×105MPa）。熱應(yīng)力只與管道材質(zhì)和溫度變化有關(guān)，與管長(zhǎng)、管徑無(wú)關(guān)。不同溫差時(shí)的熱應(yīng)力、不同管長(zhǎng)時(shí)的伸縮量的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同溫差時(shí)的熱應(yīng)力及不同管長(zhǎng)時(shí)的伸縮量

當(dāng)管道兩端固定時(shí)，因不能自由伸縮，故將對(duì)兩固定端形成推力，計(jì)算公式如下：

以口徑DN50的管道為例，在不同溫度下的推力計(jì)算如下：

如此大的推力，如果作用在樓板等處，將形成極大的破壞力。因此，必須對(duì)立管的伸縮量和熱應(yīng)力采取有效的補(bǔ)償措施。一般采取如下方式：

方式一，在立管上采用多處彎頭的組合進(jìn)行補(bǔ)償；

方式二，在立管上設(shè)置一個(gè)或多個(gè)波紋補(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)償。

多個(gè)彎頭設(shè)于戶內(nèi)將影響美觀；另外，如果采用絲扣彎頭長(zhǎng)期進(jìn)行伸縮量的補(bǔ)償，將造成絲口的松動(dòng)。因此，方式一不便于采用，方式二為理想的補(bǔ)償方式。

選擇波紋補(bǔ)償器時(shí)必須根據(jù)管道伸縮量和補(bǔ)償器的補(bǔ)償能力來(lái)確定選一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)償器。南京目前普通采用的是工作壓力為0.25 MPa的通用型波紋補(bǔ)償器。

用波紋補(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)償?shù)墓芏伍g兩端必須固定，固定方式可和管承重支撐一并考慮。

3.3 彎曲應(yīng)力

彎曲應(yīng)力的計(jì)算公式：

式中：σ——彎曲應(yīng)力，N/mm2；

E——彈性模數(shù)；

I——管道斷面回轉(zhuǎn)半徑，mm；

H——層高，mm。

高層建筑在地震7度的地區(qū)受地震影響時(shí)的允許層間相對(duì)水平位移量一般取層高的1/1 500。

高層建筑受風(fēng)荷載影響時(shí)的允許層間相對(duì)水平位移量一般取層高的1/3 000。

設(shè)于高層建筑內(nèi)的燃?xì)饬⒐艿膶娱g相對(duì)水平位移量取建筑物的層間相對(duì)水平位移量的1.5倍。

根據(jù)管道彎曲應(yīng)力應(yīng)小于其管材許用應(yīng)力 [σ]，計(jì)算出不同口徑管道的允許層間相對(duì)位移量，見(jiàn)第19頁(yè)表3。

在受地震影響時(shí)（地震烈度7度以下地區(qū)），建筑物允許層間相對(duì)水平位移量在層高為3 m時(shí)為2 mm，該值遠(yuǎn)小于管道的允許位移量（見(jiàn)表3）。所以，當(dāng)立管已采取承重支撐和伸縮補(bǔ)償措施后，在這種情況下產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力對(duì)管道的破壞作用可不予考

Issues on Design to Gas for High-rise Building

Xue Sheng

This article mainly studies the design to gas pipeline for the high-rise building and points out the problems during design.

high-rise building;gas design;settlement;compensation measures;additional pressure head;stress calculation

TU996.7

A

1000-4866（2011）01-0014-03

表3 不同口徑管道的允許層間相對(duì)位移量

薛晟，男，1970年出生，1994年畢業(yè)于太原工業(yè)大學(xué)（化工系），工學(xué)學(xué)士，現(xiàn)在大同煤礦集團(tuán)公司煤氣廠工作，工程師。

2010－11－26

2010－12－22