基礎隔震結構的管線處理

劉云濤 楊雅靜

0 引言

在建筑物基礎與上部結構之間設置一層隔震層,把房屋結構與基礎隔離開來。隔離地面運動能量向建筑物的傳遞以減少建筑物的地震反應,實現地震時建筑物只發生較輕微的運動和變形,從而保證建筑物的安全,這就是基礎隔震。

目前基礎隔震實施方案主要有三類:以橡膠支座為代表的隔震元件;摩擦滑移隔震元件;以懸吊、滾軸、滾珠、滾擺、柔性柱等為手段的隔震元件。其中橡膠支座具備很高的抗壓承載能力和很低的水平剪切剛度,是基礎隔震用得最多的方式,迄今90%以上的房屋隔震用此元件。到20世紀90年代中期,美、日、新、法、意等國建造了400棟左右的采用橡膠支座的隔震建筑和橋梁。在1994年美國洛杉磯北嶺地震和1995年日本神戶大地震中,隔震建筑顯示了令人驚嘆的隔震效果。之后,世界各國加快了對隔震建筑的研究和工程應用,并相繼制定出自己的更加詳盡和嚴格的隔震建筑設計規范和隔震支座的質量、驗收和維護標準。例如,中國2000年頒布了《建筑隔震橡膠支座》,規定了建筑隔震橡膠支座的產品定義、分類、要求、試驗方法、檢驗規則、標志、包裝、運輸和貯存,適用于工業與民用建筑所用的建筑隔震橡膠支座;2001年頒布的GB 50011-2001建筑抗震設計規范[1]新加了“隔震和消能減震設計”,同年頒布了《疊層橡膠支座隔震技術規程》[2],對隔震結構的設計、施工和維護的技術要求作出了配套的規定,并于2003年頒布了《建筑結構隔震構造詳圖》[3],是關于隔震層的結構布置、節點設計、構造連接等方面的國家標準圖集;美國在1997年對建筑統一設計規范(UBC,1997年)[4]中的“基礎隔震結構的抗震規程”部分進行了修訂,對彈性隔震支座(天然橡膠支座、鉛橡膠支座、高阻尼橡膠支座等)、滑移隔震支座以及混合隔震裝置分別作了規定;2006年頒布的國際建筑規范(International Building Code,2006)[5]中亦增加了“隔震結構”一章。ASCE/SEI 7-05建筑和其他結構最小設計荷載[6]對隔震減震結構也較為細致的作了具體規定。日本建筑學會在1989年制定了《隔震建筑結構設計指南》[7],專門針對疊層鋼板橡膠支座隔震體系,對天然橡膠支座、高阻尼橡膠支座、帶鉛軸的橡膠支座的機械性質、設計法及耐久性等作了相應的規定,并在1991年、1997年更新了隔震結構設計指南,1998年編寫了《隔震結構入門》[8]一書,深入研究和介紹了建筑物隔震結構的設計方法和性能及施工;日本免震構造協會在《國外建筑設計詳圖圖集8》[9]中,著重給出減震建筑設計與細部圖集,是比較系統介紹隔震結構詳細構造的一部圖集。

本文參閱中國、美國、日本等國家的建筑結構抗震規范中關于“基礎隔震中的管道處理”有關規定,對其進行歸納、比較,并指出了建筑結構基礎隔震標準化進程中需要進一步研究的問題。

1 美國規范

美國規范體系繁雜,抗震規范大約在20世紀90年代中期才開始進行統一。1995年,UBC,NBC與SBC三本規范的編制機構成立了國際規范協會ICC(International Code Council),開始推動規范的統一。1997年,SEAOC推出了最新版的 UBC。同年,SEAOC與ASCE,ICC等機構合作編制了最新版的NEHRP Provision。2000年,以1997 NEHRP Provision為基礎的2000 IBC規范正式發布實施,取代了UBC,SBC和NBC等規范,從而使美國的新建建筑規范達到了統一。IBC每3年修訂一次,目前最新版本是IBC(2006年)。可以把IBC視為一個規范門戶,由它通向各個專門規范。在抗震設計方面,IBC大多引用了ASCE 7的內容。因此ASCE 7-05是敘述隔震設計最全面的一個規范,本文重點研究了ASCE 7-05在管道處理方面的內容,ASCE在13.6.8節對隔震結構管線處理及各種管道進行了比較具體的規定,但除去對管道本身的材料、強度和延性進行了規定之外,在管道處理方面僅對穿過隔震層的管線要設計成能夠承受最大位移等進行了概念化的規定。目前尚未發現有切實可行的標準圖集。

2 我國規范

我國《疊層橡膠支座隔震技術規程》中規定:穿過隔震層的設備配管、配線,應采用柔性連接或其他有效措施,以適應隔震層在罕遇地震下的水平位移。另外規定,穿過隔震層的豎向管線應符合下列要求:

1)直徑較小的柔性管線在隔震層處應預留伸展長度,其值不應小于隔震層在罕遇地震作用下最大水平位移的1.2倍;

2)直徑較大的管道在隔震層處宜采用柔性材料或柔性接頭;

3)重要管道、可能泄漏有害介質或可燃介質的管道,在隔震層處應采用柔性接頭。

最大位移限制較其他國家更為嚴格,其他基本思路是一致的。

在《建筑結構隔震構造詳圖》圖集中,對立管的柔性連接和水平管的柔性連接有了較為具體的規定。

3 日本規范

日本是地震遍布全國的地方,地震多而大,因而抗震工作開展的較早。早在1924年,日本就已經編寫了抗震規范。日本規范的發展趨勢可以概括為:

1)提高了設計地震力的水平;

2)設計方法變化不大,但強調了非線性的重要性;

3)引入了減震和消能設計的條款;

4)對構造措施和細節作了詳細的規定,可操作性強。日本也是最早對隔震減震設計給出圖集的國家。在《國外建筑設計詳圖圖集8》中編輯整理了大量設計人員應注意的設計事項,詳細的構造做法實例以及對提高減震性能頗有益處的各種資料,對隔震建筑管線處理的規定:

當隔震層被豎向切斷時,把管道豎井與隔震層劃為同一防火區間。管道井在隔震層開敞,通過接縫連接上下適應變位。通過隔震層設備管線處于較特殊的部位,要適應地震時產生的大的變位。因此,需考慮主要設備的配置而且布置越緊湊越好。

水平管柔性連接:

1)輥輪支承,通過隔震臺與調節裝置來適應變形,根據現場情況,隔震臺可設置在下部結構或吊掛于上部結構。

2)球形接頭,在曲軸部位分別設三處球形接頭,以適應地震時兩個方向的水平位移。

3)吊掛支承,將接合部位及彎管吊掛在頂棚上,為防止配管扭曲并保證起水平移動,使用耐張拉的吊掛材料。

立管柔性連接:在立管上使用強柔軟性、可撓性的接合,吸收配管上產生的位移。柔性管合卡箍式接頭應根據管道使用功能和可靠性要求不同,如消防管、燃氣管及上下水道管等,由設計人員選定。

4 結語

對于基礎隔震結構的管道處理方面,各國標準都有一定的敘述和規定,但大多比較籠統,相比較而言,日本設計圖集更為詳實一些。我國的中國建筑科學研究院和中國建筑標準設計研究所編制的03SG610-1建筑結構隔震構造詳圖,在各國隔震規程中,也屬于可操作性較強的。但是隨著隔震技術的大量推廣應用,與之相關的配套技術的研究和規范化尚顯不足,所需工作仍舊很多,已經成為急需解決的問題。

[1]GB 50011-2000,建筑抗震設計規范[S].

[2]CECS 126-2001,疊層橡膠支座隔震設計技術規程[S].

[3]03SG610-1,建筑結構隔震構造詳圖[Z].

[4]InternationalConference of Building Officials(ICBO).Uniform Building Code,Whittier,Calif,1997.

[5]International Code Council.INC,2006 International Building Code[S].

[6]ASCE/SEI 7-05,Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures[S].

[7]日本建筑學會.日本建筑隔震設計指南[M].王廣軍,李永紅,譯.北京:科學出版社,1992.

[8]日本免震構造協會.隔震結構入門[M].北京:科學出版社,1998.

[9][日]日本免震構造協會.國外建筑設計詳圖圖集8——減震建筑設計與細部[M].慕春暖,譯.北京:中國建筑工業出版社,2002.