申晉益

(成都燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司,四川成都610041)

1 概述

作為高層、超高層建筑的附屬設(shè)施,燃?xì)夤艿兰霸O(shè)備運(yùn)行的安全性尤為重要。高層、超高層建筑燃?xì)夤艿兰霸O(shè)備不可避免地存在安裝工程量大的特點(diǎn),并且燃?xì)夤艿揽缭浇ㄖ母鲗?受到各類外荷載作用的影響大。若管道存在過度應(yīng)力集中或長期腐蝕等情況,則容易發(fā)生損壞或泄漏。因此,有必要對高層、超高層建筑燃?xì)夤艿赖膽?yīng)力進(jìn)行控制,旨在提高燃?xì)庠O(shè)施運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。

在進(jìn)行管道應(yīng)力控制時(shí),需要對高層、超高層建筑燃?xì)夤艿老到y(tǒng)可能受到的外荷載作用進(jìn)行分析,既包括因管道熱膨脹、不均勻沉降產(chǎn)生的直接作用,也包括因地震荷載、風(fēng)荷載造成主體結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)而產(chǎn)生的間接作用[1]。研究上述荷載作用對燃?xì)夤艿赖挠绊懗潭?并采取有效的控制措施,以避免發(fā)生管道失效或泄漏事故。

2 熱補(bǔ)償措施

2.1 熱補(bǔ)償分類

常用熱補(bǔ)償方式有自然補(bǔ)償、方形補(bǔ)償器補(bǔ)償(簡稱方形補(bǔ)償)、波紋管補(bǔ)償器補(bǔ)償(簡稱波紋管補(bǔ)償)、套筒式補(bǔ)償器補(bǔ)償(簡稱套筒式補(bǔ)償)。

① 自然補(bǔ)償能充分利用管道自身彈性變形,無須額外安裝補(bǔ)償器,但會(huì)產(chǎn)生橫向位移,補(bǔ)償量有限,難以滿足長距離豎直管道的要求。

② 方形補(bǔ)償簡單可靠,便于安裝,應(yīng)用范圍廣,能達(dá)到與管道同壽命。缺點(diǎn)是介質(zhì)阻力大,空間占用大,影響美觀。

③ 波紋管補(bǔ)償空間占用小,可吸振降噪,僅發(fā)生軸向變形,但受力性能差,安全性低,不耐腐蝕。

④ 套筒式補(bǔ)償介質(zhì)阻力小,空間占用小,但不適應(yīng)橫向變形,需要經(jīng)常檢修及更換填料。

另外,目前推出了一種新型波紋管補(bǔ)償器,安裝實(shí)例見圖1。首先,其體積更小,補(bǔ)償量可達(dá)30 mm。其次,該補(bǔ)償器的波紋管外增加了保護(hù)罩,提高了防腐能力,壽命得到了大幅延長。再次,補(bǔ)償器上自帶溫度修正裝置,可按照安裝時(shí)的環(huán)境溫度預(yù)設(shè)初始長度,操作簡單易行,便于施工人員掌握。另外,這種新型波紋管補(bǔ)償器可根據(jù)管道材質(zhì)、管徑的不同,適配焊接、螺紋連接、機(jī)械連接、法蘭連接等連接方式,應(yīng)用面廣,適應(yīng)性強(qiáng)。

圖1 新型波紋管補(bǔ)償器安裝實(shí)例

2.2 熱補(bǔ)償建議

① 室外燃?xì)夤艿缿?yīng)保證兩個(gè)固定支架間(即一個(gè)變形單元內(nèi))采取有效的補(bǔ)償措施。為最大限度發(fā)揮補(bǔ)償器的補(bǔ)償作用,應(yīng)通過定量分析計(jì)算一個(gè)變形單元的補(bǔ)償量,確定補(bǔ)償形式、補(bǔ)償器安裝位置和安裝數(shù)量。

② 應(yīng)考慮安裝溫度對補(bǔ)償量的影響。

③ 由于補(bǔ)償器位置容易發(fā)生銹蝕,當(dāng)補(bǔ)償器使用法蘭連接時(shí),推薦使用凸面對焊帶頸法蘭。

3 沉降

管道的沉降是指建筑物的地基土與周圍土體之間,或者相互獨(dú)立的緊鄰建筑物之間的不均勻沉降,使上述位置的管道設(shè)施出現(xiàn)變形和應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

3.1 沉降原因分析

① 單個(gè)建筑主體沉降

對單個(gè)建筑主體沉降而言,當(dāng)建筑物沉降量大于周圍土體時(shí),主要由于建筑物自重導(dǎo)致沉降長期自然積累。沉降速率先快后慢,總體上保持緩慢下降的趨勢。隨著建筑使用年限增加,沉降量積累情況逐年增加,這類沉降問題在服役年限較長的建筑中尤其明顯。燃?xì)夤艿赖囊牍芗巴ピ汗苈裨O(shè)于建筑周圍回填土中,當(dāng)周圍回填土密實(shí)度未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí),回填土沉降量大于建筑物沉降量,會(huì)造成管道的應(yīng)力集中及變形。這類現(xiàn)象不僅存在于高層、超高層建筑中,在多層建筑中也不少見。回填土體密實(shí)度不足的問題,從根本上講還是人為影響,應(yīng)予避免。

② 緊鄰建筑之間沉降

對緊鄰建筑之間沉降而言,主要為高層建筑主塔樓與裙樓之間的沉降量差異。高層、超高層建筑在主塔樓周圍設(shè)置裙樓的情況已經(jīng)十分常見。當(dāng)水平燃?xì)夤艿揽缭礁邔咏ㄖ闹魉桥c裙樓的沉降縫時(shí),兩類結(jié)構(gòu)主體完全斷開,成為獨(dú)立單元,各自的沉降速率、沉降量不同步,造成跨越位置水平燃?xì)夤艿赖膽?yīng)力集中與變形。人們往往關(guān)注引入管及埋地庭院管的沉降問題,而這類沉降問題很容易被忽視。

在建筑物周圍場地回填土壓實(shí)度合格的前提下,隨著使用年限積累,建筑物本身的沉降、主塔樓與裙樓之間的沉降差異均不可避免,應(yīng)采取必要的防沉降措施,減輕由此造成的管道應(yīng)力集中與變形。對由于建筑周圍場地回填土壓實(shí)度不合格而產(chǎn)生的沉降問題,則需要在庭院管道埋設(shè)前,要求土建工程的施工方完成場地回填土的壓實(shí)工作,并達(dá)到規(guī)范要求的工程質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 沉降控制措施

根據(jù)前文所述,引入管豎直出地面處、引入管與立管水平連接處、水平管跨越(非穿越)建筑物之間的沉降縫處,均為燃?xì)夤艿朗艹两涤绊懽畲蟮奈恢?。針對以上這些位置的燃?xì)夤艿莱两祮栴},結(jié)合工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),建議采取如下控制措施。

① 引入管豎直出地面位置,應(yīng)設(shè)置鋼套管,避免管道的豎向位移受到硬化地面的限制。套管與引入管之間應(yīng)留有間隙,采用密封性能良好的柔性防腐、防水材料填充,端口用熱縮套密封,以加強(qiáng)引入管的防腐能力。

② 由于建筑主體與周圍土體的沉降差難以完全避免,為減小沉降對埋地管道的影響,中低壓引入管埋地部分推薦采用PE管。相比鋼管,PE管具有更為良好的彈塑性,可利用PE管更大的容許變形量吸收部分沉降變形。

③ 在管道與建筑主體牢固連接的前提下,管道與建筑物的沉降保持一致。而引入管受建筑周圍土體沉降影響,無法達(dá)到與建筑物沉降同步,致使引入管與立管的水平連接處是沉降應(yīng)力集中問題十分顯著的位置。因此,應(yīng)在引入管水平段上設(shè)置柔性連接管,見圖2。要特別注意的是,柔性連接管的兩端不得同時(shí)固定,否則其無法發(fā)揮防沉降的作用。

圖2 引入管水平柔性連接管

④ 為避免不同建筑物之間的沉降差問題,室外水平燃?xì)夤艿啦粦?yīng)穿過建筑物的沉降縫(或伸縮縫、抗震縫等),盡量避免跨越建筑物設(shè)縫的位置。若由于供氣需要,水平燃?xì)夤艿啦坏貌豢缭匠两悼p時(shí),必須考慮設(shè)置水平柔性連接管等必要的應(yīng)力補(bǔ)償措施。

4 風(fēng)荷載

4.1 建筑的風(fēng)荷載響應(yīng)

相比低層、多層建筑,高層、超高層建筑對風(fēng)荷載更為敏感。當(dāng)風(fēng)荷載施加在建筑物上時(shí),會(huì)呈現(xiàn)如下特點(diǎn)。

① 風(fēng)荷載與受荷建筑的平面形狀、空間尺寸有直接關(guān)系。在高層、超高層建筑中,平面形狀越規(guī)則、均勻,越有利于減小風(fēng)荷載的作用。有利于抗風(fēng)的建筑平面形狀包括圓形、正多邊形等,其中圓形平面為最佳。相反,如果建筑平面形狀有較大突變、非對稱,或者存在局部內(nèi)凹,則會(huì)在一定程度上增大風(fēng)荷載的作用。因此,在風(fēng)荷載的計(jì)算中考慮了建筑物體型的影響,引入了風(fēng)荷載體型系數(shù)。

② 風(fēng)荷載與建筑周圍環(huán)境存在很大的關(guān)聯(lián)性。大中型城市往往高樓密布,風(fēng)荷載效應(yīng)很容易被城市建筑群放大。這種相鄰建筑間的狹窄區(qū)域使得風(fēng)力陡然增大的現(xiàn)象,被稱為群樓效應(yīng)。同時(shí),群樓之間的非對稱遮擋也會(huì)增加風(fēng)荷載作用的偏心,對建筑物的受荷不利。

③ 風(fēng)荷載對建筑物的作用存在不規(guī)則性。風(fēng)荷載作用的頻率高、時(shí)間長,并伴隨著風(fēng)速、風(fēng)向時(shí)刻變化。

④ 風(fēng)荷載具有靜力和動(dòng)力的雙重屬性。作用在建筑物立面上的穩(wěn)定風(fēng)壓可以被視為靜力作用。但風(fēng)荷載中存在一定波動(dòng)的脈動(dòng)風(fēng)壓,使建筑物產(chǎn)生不同頻率的振動(dòng),屬于動(dòng)力作用。2021年5月,深圳市賽格廣場大廈產(chǎn)生了非常顯著的振動(dòng)現(xiàn)象,引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。經(jīng)過專家組的調(diào)查,造成大廈振動(dòng)的主要原因之一,就是風(fēng)荷載的風(fēng)振效應(yīng)引起了大廈的共振。對于總體高度大、側(cè)向剛度相對較小(基本自振周期較長)的高層、超高層建筑物,受脈動(dòng)風(fēng)壓的動(dòng)力效應(yīng)影響大,必須考慮風(fēng)振的作用。故有關(guān)規(guī)范在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算中引入了風(fēng)振系數(shù)。

⑤ 從風(fēng)壓沿高度的變化情況可知,由于受地面粗糙度的影響,風(fēng)壓隨著距地面高度的提升,不斷增大。風(fēng)荷載的這一特點(diǎn),體現(xiàn)在風(fēng)壓高度變化系數(shù)。

4.2 風(fēng)荷載計(jì)算

基于建筑物的風(fēng)荷載響應(yīng)特點(diǎn),相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出了風(fēng)荷載的計(jì)算方法。根據(jù)JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第4.2.1條,風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算式為:

pk=βhμsμzp0

(1)

式中pk——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m2

βh——高度h處的風(fēng)振系數(shù)

μs——風(fēng)荷載體型系數(shù)

μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù)

p0——基本風(fēng)壓,kN/m2

對風(fēng)荷載較為敏感的高層、超高層建筑,標(biāo)準(zhǔn)要求基本風(fēng)壓應(yīng)乘以1.1的放大系數(shù)。

4.3 管道抗風(fēng)措施

建筑外墻面上的燃?xì)夤艿罏閳A形截面,且迎風(fēng)面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于建筑物的立面,所以作用于管道表面上的風(fēng)壓極為有限。因此,實(shí)質(zhì)上建筑結(jié)構(gòu)本身才是承受風(fēng)荷載的主體,風(fēng)荷載主要作用在建筑立面上。假定燃?xì)饬⒐芾喂贪惭b在建筑外墻面上,當(dāng)高層、超高層建筑在風(fēng)荷載作用下發(fā)生層間位移變形時(shí),立管由于這種層間位移發(fā)生彎曲變形,同時(shí)管道上產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。若管道中的彎曲應(yīng)力沒有超過允許值,則可以認(rèn)為管道是安全的。

經(jīng)過上述分析,可以得出風(fēng)荷載對高層、超高層建筑燃?xì)夤艿赖淖饔镁哂虚g接性,這種作用需要通過主體結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移來進(jìn)行傳導(dǎo)。因此,主體結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的抗側(cè)移剛度,很大程度上決定了燃?xì)夤艿赖氖芰η闆r。

考慮到高層、超高層建筑的重要性程度,其在設(shè)計(jì)過程中會(huì)進(jìn)行抗風(fēng)驗(yàn)算,所以可以認(rèn)為建筑由于風(fēng)荷載產(chǎn)生的位移能夠控制在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

在風(fēng)荷載作用下,只有當(dāng)燃?xì)夤艿览喂踢B接在建筑物上時(shí),才能與主體結(jié)構(gòu)保持協(xié)同響應(yīng)。若部分管道支架在受振動(dòng)時(shí)與主體結(jié)構(gòu)脫離,則可能使管道因失去部分有效約束而發(fā)生過大變形或失穩(wěn)破壞。所以,保證管道的穩(wěn)管體系的有效性,使管道能夠與主體結(jié)構(gòu)牢固連接,在受迫振動(dòng)時(shí)達(dá)到協(xié)同變形,才是燃?xì)夤艿揽癸L(fēng)的最有效措施。

5 地震荷載

5.1 管道震害分析

對于燃?xì)夤艿赖恼鸷Ψ治?已有很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究。早在2007年,孫磊[2]研究了高層建筑中燃?xì)夤艿赖目拐鹦阅?他認(rèn)為在主體結(jié)構(gòu)彈性反應(yīng)階段,主體結(jié)構(gòu)的允許層間位移量小于管道的允許層間水平位移量。劉志斌等人[3]在研究室內(nèi)燃?xì)夤艿揽拐鹦阅軙r(shí),認(rèn)為建筑主體結(jié)構(gòu)變形是造成管道破壞的主要因素。劉志斌[4]的研究結(jié)果表明,燃?xì)饬⒐芡瑫r(shí)受慣性力和變形的影響,不僅需要保證立管具有足夠的變形能力,同時(shí)管道支架、管卡也需要有較強(qiáng)的剛度來抵抗慣性力。

從上述分析可以發(fā)現(xiàn),作為建筑的附屬設(shè)施,燃?xì)夤艿朗艿卣鹆Φ挠绊懗潭扰c建筑本身的抗震能力息息相關(guān)。主體結(jié)構(gòu)的抗震能力在很大程度上決定了燃?xì)夤艿肋@類非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的震后損傷程度。另外,管道抵抗變形的能力、支架與主體結(jié)構(gòu)的連接強(qiáng)度等因素,均在抗震中起到了至關(guān)重要的作用。

5.2 地震作用分析

根據(jù)GB 50981—2014《建筑機(jī)電工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.4.5條,沿最不利方向施加于構(gòu)件重心處的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算式為:

F=γηζ1ζ2αmaxG

(2)

式中F——沿最不利方向施加于構(gòu)件重心處的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值,kN

γ——非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的功能系數(shù)

η——非結(jié)構(gòu)構(gòu)件類系數(shù)

ζ1——狀態(tài)系數(shù)

ζ2——位置系數(shù)

αmax——地震影響系數(shù)最大值

G——非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重力,kN

式(2)可以等價(jià)于:

F=αEkG

(3)

αEk=γηζ1ζ2αmax

(4)

式中αEk——水平地震力綜合系數(shù)

當(dāng)按式(4)計(jì)算得到的αEk小于0.5時(shí),水平地震力綜合系數(shù)取0.5。

當(dāng)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件種類確定時(shí),水平地震力綜合系數(shù)為確定值,則水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值F與非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重力G成正比。高層、超高層建筑燃?xì)夤艿拦軓捷^大時(shí),單位長度的管道所承受的地震荷載更大,對穩(wěn)管體系的承載能力、抗變形能力、布置均提出了更高的要求。

5.3 管道抗震措施

高層、超高層建筑燃?xì)夤艿赖目拐鹉繕?biāo)是:當(dāng)建筑物受地震作用發(fā)生相對層間側(cè)移時(shí),燃?xì)饬⒐苣軌蚺c主體結(jié)構(gòu)保持協(xié)同變形,保證管道能夠在震動(dòng)中與建筑物牢固連接而不松脫。鑒于燃?xì)夤艿辣旧砭邆湟欢ǖ膹?qiáng)度和彈性變形能力,因此管道抗震措施的關(guān)鍵是穩(wěn)管體系。結(jié)合前述管道的震害分析結(jié)果,建議高層、超高層建筑燃?xì)夤艿啦扇∪缦驴拐鸫胧?/p>

① 在管道選材上,可以考慮采用抗震性能更優(yōu)的不銹鋼材料。由于不銹鋼管的壁厚可以更薄,不僅降低了管道自重,也在一定程度上提高了變形能力。

② 穩(wěn)管體系的布置是管道抗震措施的核心。首先,承重支架用于支撐整個(gè)管道系統(tǒng),必須使其與建筑主體結(jié)構(gòu)保持有效固定。其次,導(dǎo)向支架應(yīng)該能夠有效約束管道的側(cè)向位移,保證在地震時(shí)不發(fā)生松脫。最后,可在建筑物側(cè)向變形相對較大的位置設(shè)置抗震支架,抗震支架應(yīng)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì),以保證管道與建筑物能夠在地震中協(xié)同變形。

③ 充分利用管道的自然補(bǔ)償,通過改變管道幾何形狀,起到耗散地震力的作用。

④ 當(dāng)發(fā)生地震時(shí),抗震縫兩側(cè)的位移及變形很大。為避免該處的管道損壞,水平燃?xì)夤艿啦粦?yīng)穿越建筑物的抗震縫。

6 結(jié)論

① 推薦在補(bǔ)償器安裝時(shí)進(jìn)行溫度修正,考慮安裝溫度的影響。

② 引入管豎直出地面處、引入管與立管水平連接處、水平管跨越建筑物之間的沉降縫處,均為燃?xì)夤艿朗艹两涤绊懽畲蟮奈恢?。中低壓引入管埋地部分推薦采用PE管,在引入管的水平段上設(shè)置柔性連接管。室外水平燃?xì)夤艿啦粦?yīng)穿過建筑物的沉降縫(或伸縮縫、抗震縫等),盡量避免跨越建筑物設(shè)縫的位置。

③ 管道抗風(fēng)與抗震方面,應(yīng)保證管道穩(wěn)管體系的有效性,使管道能夠與建筑物墻體牢固連接,在受迫振動(dòng)時(shí)達(dá)到協(xié)同變形。考慮采用抗震性能更優(yōu)的不銹鋼管道材料。