载喔科技：浅谈城市轨道交通工程抗震支吊架的应用

2020-06-14 21:05:39 载喔科技

抗震支吊架的概述

　　抗震支吊架是以地震力为主要荷载的用于城市轨道交通机电的抗震支撑系统，是一种在遭遇到设防烈度的地震时，能将管道、电缆槽盒及设备产生的地震作用传到结构体上的抗震支撑措施。抗震支吊架在国内还是新鲜事物，但在国外尤其是地震多发的发达国家已有多年历史。

　　机电抗震支吊架系统是实施抗震设防的地铁结构设计的机电工程管路、线槽及设备安装的支持系统，原有一般意义的普通支吊架系统是以机电设备和管道等重力为主要荷载的支撑系统，这两种支撑系统的设置并不重复而是相辅相成的。

　　《建筑机电工程抗震设计规范》（GB50981—2014）规定，抗震支吊架建筑机电工程中的应用范围如下:

　　1）直径大于65mm 的室内给水、热水机消防管道；

　　2）所有防排烟风道、事故通风风道及设备；

　　3）所有截面积大于等于0.70㎡的圆形风管；

　　4）所有截面积大于等于0.38㎡的矩形风管；

　　5）内径不小于60mm 的电气配管及每米重力不小于150N/m 的电缆梯架、电缆槽盒及母线槽等。

抗震支吊架抗震计算

　　当地震发生时，抗震支吊架在地震中可对给排水系统、空调系统、电气管线系统，在纵、横两个方向进行限制性位移，避免碰撞丧失其运行功能。水平方向的地震负荷可由两个不同方向的抗震支撑承担，即侧向抗震支撑承担侧向负荷，纵向抗震支撑承担纵向负荷。所有抗震支撑须和结构体做可靠连接。

　　抗震支吊架系统的安装形式及布置原则都是依据严格的力学计算结果确定的，《建筑机电工程抗震设计规范》（GB50981—2014）规定地震力的计算必须满足规范要求。计算过程中的水平地震力按照等效侧力法时为：

　　F =γηζ 1ζ 2α maxG

　　式中：F 为沿最不利方向施加于机电工程设施重心处的水平地震作用标准值；γ 为非结构构件功能系数，查表取值0.9；η 为非结构构件类别系数；ζ 1 为状态系数，对支撑点低于质心的任何设备和柔性体系宜取2.0，其余情况可取1.0；ζ 2 为位置系数，建筑的顶点宜取2.0，底部宜取1.0，沿高度线性分布；对结构要求采用时程分析法补充计算的建筑，应按其计算结果调整；α max 为地震影响系数最大值；G 为非结构构件的重力，应包括运行时有关的人员、容器和管道的介质及储运柜中的物品的重力。

　　在计算时，针对不同成品类型、不同组合、不同间距的抗震支吊架，核算出间距区间内所有管道的重力荷载值；再根据规范取得所计算的抗震支吊架的状态系数、位置系数及功能和类别系数，从而计算得到此吊架的水平地震作用。根据计算所得的水平地震作用及所计算的抗震支吊架形式，对其中每个杆件进行受力分析，得出每个杆件的截面形式及尺寸。

　　例如：以DN200 保温管道为例，材质为钢管，根据查到的相关数据可知：每延米钢管重量为77.53kg/m，即G 水=0.7753kN/m。

　　根据《建筑机电工程抗震设计规范》（GB 50981—2014）第27 页8.2.3 条，查询抗震支吊架间距，按12m 计算。

　　G=G 水×L 水=0.7753×12=9.3036kN

　　F =γηζ 1ζ 2α maxG

　　水平地震力综合系数：αEK=0.9×1.4×2.0×2.0×0.08=0.4032＜0.5，依据《建筑机电工程抗震设计规范》（GB-50981）8.24,8.25的要求，不足0.5时取0.5 。

　　F =0.5×9.3036=4.6518kN

　　根据《建筑机电工程抗震设计规范》（GB 50981—2014）中3.5 章计算：

　　S =γ GS GE+γ EHS EHK

　　式中：S 为机电工程设施或构件内力组合的设计值；γ G 为重力荷载分项系数，一般情况取1.2；γ EH 为水平地震作用分项系数，取1.3；S GE 为重力荷载代表值的效应；S EHK 为水平地震作用标准值的效应。

　　根据计算简图（见下图）得出斜撑与吊杆的内力组合设计值：S 斜撑=4.93kN，S 吊杆=3.84kN。

内力计算简图

　　根据计算所得杆件内力值，对吊架构件进行选取。

　　抗震支吊架的设计及布置间距除需满足《建筑机电工程抗震设计规范》（GB50981—2014）中的构造距离要求外，还应满足抗震的距离计算要求。根据不同的机电专业不同材质的管道，设置抗震支吊架的距离也会随之调整。在实际工程中，根据机电管线布置及工程所需层高、净高要求等，选取合理的抗震支吊架形式进行间距核算，达到安全、实用、经济的目的。抗震支吊架结构示意如图所示。

抗震支吊架结构示意

城市轨道交通工程中抗震支吊架设计中的问题

　　城市轨道交通工程中的抗震支吊架系统，其计算及布置安装均遵循《建筑机电工程抗震设计规范》（GB 50981—2014）相关规定，但其中仍然存在问题。

　　1）轨道交通工程中处于地下部分的地铁工程的抗震支吊架地震力的计算问题。现阶段的国家相关技术规范中，地下工程的地震力计算（考虑工程周边土体的影响）仍处于研究阶段。现阶段施行的抗震规范对地下工程的地震力的计算未提供详细的计算模型，只给出了比较笼统的概述及计算要求，考虑结构周边土体的影响需使用有限元进行分析并结合实验数据支持。

　　2）轨道交通工程中布置的抗震支吊架的形式与《建筑机电工程抗震设计规范》（GB 50981—2014）相关规定的定义与实际情况并不完全相符，且存在空间的差异。一般在城市轨道交通工程中，机电设备管线在狭小的空间需要分专业、分层、交叉布置。这对抗震支吊架系统的设置及形式提出了很多要求，很难给出准确的计算模型。

　　例如，各专业管线分层布置，支吊架的高度会加大，这造成需要支吊架系统有足够的强度及刚度满足抗震计算的要求。在《建筑机电工程抗震设计规范》（GB 50981—2014）中，对抗震支吊架体统的描述示意图是增加斜向支撑，角度在45°为适宜，这与实际工程中多专业管线交叉布置会存在矛盾，斜向支撑是否会与某专业的管线冲突仍需进行设计优化。

机电管线综合深化设计及抗震支吊架的布置原则

　　随着社会的不断发展和科技的不断进步，城市轨道交通工程车站建筑的功能越来越强大，智能化程度越来越高，建筑内的机电管线也越来越多。各种不同功能的管线交叉、交错，经常出现专业间的交叉打架现象，因此，对机电管线进行综合化设计越来越有必要性。机电管线综合深化设计, 就是将同一区域内的机电管线进行综合, 根据不同管线的不同性质、不同功能、不同施工要求，同时结合建筑装修的要求, 对管线位置进行统筹排布。其解决手段是应用BIM（建筑信息模型）技术模拟深化设计、模拟施工。

　　应用BIM 技术对机电管线综合深化设计时，会对不同专业间管线进行空间管线间的交叉避让处理，从而实现原始的设计意图，保证建筑工程的功能实现。

抗震支吊架安装及验收

　　安装及验收时应考虑以下内容。

　　1）管道和电线套管允许纵向偏移，但不得超过最大侧向支撑间距的1/16；风管允许偏移，但不得超过风管宽度的2倍。

　　2）水平管道在90°转弯时，需设抗震支吊架；其他角度转弯长度大于抗震设计间距的1/16 时，需设侧向及纵向抗震支吊架。

　　3）计算水平地震力荷载时，只需考虑满负荷重量，而不需要考虑其他因素。

　　4）抗震吊架不应限制管线热胀冷缩产生的应力，当把热胀冷缩因素考虑在内时，纵向吊架在构件选型上，应考虑所选型号能抵抗管线的热胀冷缩应力。

　　5）保温管线的抗震吊架管线需按保温后的尺寸考虑，门形吊架用于保温风管，水管亦按此考虑。

　　6）用于刚性管道的抗震支撑不能安装于建筑的不同结构部位或功能部位，否则会因地震作用而产生不同的位移。

　　7）单管抗震支撑、双向侧向或纵向或具有侧/ 纵向作用的拐点抗震支撑，应直接与管线或电线套管连接。应注意支管或小一级管线的支撑不能作为主管的抗震支撑，即不能作为另一方向（主管）的支撑。

　　8）管线穿越建筑沉降缝时，应考虑沉降位移的设计。

　　9）侧/ 纵向斜撑安装的最佳垂直角度为45°，且不得小于30°。

　　10）对水、电、风系统的单管或多管共用门形吊架，无论侧向或纵向斜撑，斜撑偏离中心线2.5°时不会影响其承载力。

结论

　　为保证在突发地震时，机电系统管道、设备在设防烈度的地震作用下不跌落，保证生命线系统（如消防喷淋和防排烟系统）能正常运转，对城市轨道交通机电工程进行抗震措施设防刻不容缓。虽然，对于城市轨道交通工程中的抗震支吊架的计算仍然存在一些问题，但随着国家规范的健全及相关技术的完善，抗震支吊架系统将会贯穿之后的所有工程设计中，最大力度地保障人民的财产及生命安全。

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