淺談高層建筑燃氣管道設計注意事項

深圳機械院建筑設計有限公司

摘要：隨著建筑行業的發展，越來越多的高層建筑拔地而起。鑒于高層建筑其自身的特殊性及深圳市燃氣管道的供應特點，在高層建筑天然氣管道的設計中要綜合考慮燃氣附加壓力、高層建筑的沉降、立管自重及熱伸縮等問題。

關鍵詞：高層建筑；燃氣；設計

前言

近年來，隨著城市建設的不斷發展和建筑業的興盛，在各大城市中，大量的高層建筑乃至超高層建筑已經普遍。其中以高層普通住宅和商住用房尤為突出。這類建筑要求燃氣的供應必須與之配套。鑒于高層建筑的特殊性，在進行其燃氣管道設計時，就必須解決在多層建筑中對燃氣管和燃氣供應影響不大而可以忽略不計、但在高層建筑中的燃氣管和燃氣供應就不可忽略的一些因素。其影響因素主要有以下幾點：1）高層建筑因其體積和自重遠大于普通建筑，其地基下沉對燃氣引入管的影響2）高層建筑高度較高，因燃氣比重與空氣比重的差異所產生的附加壓頭對用戶灶具使用的影響；3）高層建筑燃氣立管的自重引起的壓縮應力、管道因環境溫度變化所帶來的伸縮量及熱應力的影響；4）高層建筑在受到地震和風荷載的影響下，會產生一定量的變形，設于其上的燃氣管道隨之產生的彎曲應力的影響等。

本文擬就上述幾點影響因素，提出一些消除方法。

1 消除高層建筑的沉降對燃氣引入管的影響的方式

高層建筑因自重會產生一定量的沉降，燃氣引入管自室外進入室內時，此段管道在建筑物沉降過大時會受到損壞，為此必須在燃氣引入管處采取沉降量的補償措施。通常是在緊貼建筑物基礎外側設沉降，在沉降箱內再采取如下方式。

方式一：采用多個絲扣聯接的彎頭按順時針方向組合，利用絲扣一定量的可旋轉性產生的管道上下位移進行沉降量的補償。

方式二：利用鉛管的可撓性進行補償。

方式三：選擇不銹鋼金屬波紋軟管，利用其可撓性進行補償。

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

方式一中，多個彎頭埋于地下，其螺紋部分軟管道易于腐蝕，且在施工過程中極易形成反時針現象。當管道下沉時，某些絲扣會反時針方向轉動，從而影響其氣密性。

方式二中，鉛管在彎曲過程中易于扁平，從而影響管道的通過能力。

方式四中，通用補償器可通過計算選擇滿足沉降量的補償，但對其他方向位移的補償能力有限。另外，波紋補償器的安裝要求也高于其他幾種方式。還有方式一、二、四在地震頻發地區也不太適合。因此，選擇何種方式，必須根據當地的具體情況。佛山地區、廣州南沙及珠海地區正是采用不銹鋼金屬波紋軟管來防止沉降。

對于深圳地區高層建筑一般采取上行下給方式，即燃氣自庭院從上升管到達樓頂成環狀或枝狀，再通過各下降立管，中壓進戶調壓計量后引至燃具。根據深圳市高層建筑管道燃氣的供氣形式，在設計及施工中應考慮以下措施：

在上升管與庭院管連接處，燃氣鋼管盡可能采取煨彎減少焊縫，對該處焊縫要求100%探傷。庭院管與上升管的接口應在高層建筑建成沉降一段時間后，并在室內管全部竣工后施工安裝，這樣能減少沉降對接口處的應力。

上升管應在出地總閥后的管道上盡可能采取多個彎頭組合方式來進行沉降量的補償。

如果高層建筑基礎周圍為非原土層或建筑沉降較大，可在上升管出庭院地面0.3～0.5 m處設一個Π型補償器，以補償高層建筑及庭院管的沉降。

2 燃氣立管上附加壓頭的影響的消除方式

因燃氣與空氣的容重有差異，燃氣輕于空氣，造成燃氣立管附加壓頭的產生。ΔP=H（Ra-Rg）g，

式中，ΔP為附加壓頭，Pa；H為管道始末端的高程差，對于上升管段，H值取負值，反之取正值，m；Ra為空氣密度，1.293kg/m3；Rg為燃氣密度，kg/m3；g為重力加速度，取9.81 m/s2。

以上升管段為例，因天然氣容重小于空氣容重時，ΔP值為負。

對家用燃氣灶來說，其灶前允許壓力波動范圍是灶具額定工作壓力的0.75倍～1.5 倍。在家用燃氣灶的頒布標準（CJ-83）中也列出了與灶具工作壓力有關的灶具性能參數，即必須以灶具額定工作壓力的0.75～1.5 倍壓力進行測試并符合要求的規定。當灶具在灶前壓力大于1.5倍額定工作壓力下使用時，將會使灶具的熱效率下降，火焰的穩定性（離焰、脫火）下降，帶電子點火裝置的灶的點火成功率下降；同時使灶具的燃燒噪聲加大，煙氣中一氧化碳的含量也會有所增加。

深圳市采用中壓進戶供氣方式可以消除附加壓力的影響，保證灶具壓力穩定。

3 燃氣立管的應力計算及應力消除方式

高層建筑因立管（上升管、下降管）較長，管道自重大，管道上會產生壓縮應力。因受環境溫度變化影響，立管會產生脹縮變形和熱應力。另外，高層建筑物在受到風荷載和可能發生的地震影響時均會產生一定的擺動，燃氣立管因此產生彎曲應力。

以上三種應力在高層建筑設計時均不可忽視，設計不當有可能使管道自身和支架達到破壞的程度，而造成管道彎曲、斷裂，致使燃氣泄漏，引發事故。

（1）壓縮應力及補償措施

深圳市高層建筑燃氣供應一般采用中壓進戶方式，中壓立管均為10#外鍍鋅鋼管或20#外鍍鋅鋼管。

管道自重產生的壓縮應力：

式中：——壓縮應力，MPa；

——燃氣管道自重，N；

——立管截面積，mm2。

以外鍍鋅鋼管為例，分別計算在不同高度時，自重產生的壓縮應力，計算結果見表2。

表2 立管長度與壓縮應力計算表

立管長度（m）5075100125150175200

壓縮應力（MPa）3.8755.8127.7509.68711.62513.56215.500

注：鋼管密度按計算。

20#鍍鋅鋼管許用應力為130MPa，因此對于200m以下的高層建筑，其立管自重產生的壓縮應力不足許用應力的20%，通常不會發生破壞。

（2）伸縮量與熱應力及補償措施

管道自由膨脹時，伸縮量按下式計算：

ΔL=α.Δt.L=α.（t1-t2）.L

式中：ΔL-管道伸縮量 m；

α-管材線膨脹系數 m/m℃；

鋼管管壁在20℃時為11.8×10-6 m/m℃；

t1-管道安裝溫度 ℃；

t2-燃氣溫度 ℃；

L-管長度 m。

如果將管道兩端固定，所產生的熱應力：

σt=E.α.Δt

式中：σt-熱應力 MPa；

E-彈性模數 MPa，鋼取2.1×105 MPa。

熱應力只與管道材質和溫度變化有關，與管長、管徑無關。無縫鋼管在不同溫差下的伸縮量及熱應力計算結果如下：

表2 不同溫差時的熱應力及不同管長時的伸縮量

溫差/℃伸縮量/mm熱應力/N·mm2

管長50mm管長100mm管長150mm

106121825.2

2012243650.4

40244872100.8

603672108151.2

因此，必須對立管的伸縮量和熱應力采取有效的補償措施。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行補償；方式二，在立管上設置一個或多個波紋補償器進行補償。

近些年一些高層樓盤為了美觀，在外立面多有美化裝飾線，燃氣立管必須做焊接龍門繞行，相當于做了方式一的補償；而方式二選擇波紋補償器時，則需要注意根據管道伸縮量和補償器的補償能力來確定選一個或多個補償器。所以，在高層建筑燃氣設計工作中，我們應從現場實際情況出發，選擇最佳的補償方式。

（3）彎曲應力

高層建筑在地震7 度的地區受地震影響時的允許層間相對水平位移量一般取層高的1/1 500。高層建筑受風荷載影響時的允許層間相對水平位移量一般取層高的1/3 000。設于高層建筑內的燃氣立管的層間相對水平位移量取建筑物的層間相對水平位移量的1.5 倍。根據管道彎曲應力應小于其管材許用應力[σ]，計算出不同口徑管道的允許層間相對位移量（見表3）。

在受地震影響時（地震烈度7度以下地區），建筑物允許層間相對水平位移