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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(yīng)用
2020-06-14 21:05:39
載喔科技
抗震支吊架的概述
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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(guó)內(nèi)還是新鮮事物,但在國(guó)外尤其是地震多發(fā)的發(fā)達(dá)國(guó)家已有多年歷史。
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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。
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《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:
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1)直徑大于65mm 的室內(nèi)給水、熱水機(jī)消防管道;
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2)所有防排煙風(fēng)道、事故通風(fēng)風(fēng)道及設(shè)備;
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3)所有截面積大于等于0.70㎡ 的圓形風(fēng)管;
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4)所有截面積大于等于0.38㎡ 的矩形風(fēng)管;
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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。
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抗震支吊架抗震計(jì)算
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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。
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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(guò)程中的水平地震力按照等效側(cè)力法時(shí)為:
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F =γηζ 1ζ 2α maxG
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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。
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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。
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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(yè)8.2.3 條,查詢抗震支吊架間距,按12m 計(jì)算。
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G=G 水×L 水=0.7753×12=9.3036kN
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F =γηζ 1ζ 2α maxG
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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 。
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F =0.5×9.3036=4.6518kN
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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:
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S =γ GS GE+γ EHS EHK
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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)。
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根據(jù)計(jì)算簡(jiǎn)圖(見(jiàn)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(jiǎn)圖
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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。
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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。
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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(wèn)題
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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(wèn)題。
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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(wèn)題。現(xiàn)階段的國(guó)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?,F(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。
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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。
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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
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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(chē)站建筑的功能越來(lái)越強(qiáng)大,智能化程度越來(lái)越高,建筑內(nèi)的機(jī)電管線也越來(lái)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(lái)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。
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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)。
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抗震支吊架安裝及驗(yàn)收
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安裝及驗(yàn)收時(shí)應(yīng)考慮以下內(nèi)容。
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1)管道和電線套管允許縱向偏移,但不得超過(guò)最大側(cè)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。
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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(zhǎng)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。
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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。
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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。
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5)保溫管線的抗震吊架管線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。
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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。
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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。
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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)。
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9)側(cè)/ 縱向斜撐安裝的最佳垂直角度為45°,且不得小于30°。
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10)對(duì)水、電、風(fēng)系統(tǒng)的單管或多管共用門(mén)形吊架,無(wú)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。
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結(jié) 論
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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(wèn)題,但隨著國(guó)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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