淺談城市軌道交通（機電）工程抗震支吊架的應用

文/張先群 北京市建設工程安全質量監督總站 編輯整理/張緣舒

淺談城市軌道交通（機電）工程抗震支吊架的應用

文/張先群 北京市建設工程安全質量監督總站 編輯整理/張緣舒

1　抗震支吊架的概述

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電的抗震支撐系統，是一種在遭遇到設防烈度的地震時，能將管道、電纜槽盒及設備產生的地震作用傳到結構體上的抗震支撐措施。抗震支吊架在國內還是新鮮事物，但在國外尤其是地震多發的發達國家已有多年歷史。

機電抗震支吊架系統是實施抗震設防的地鐵結構設計的機電工程管路、線槽及設備安裝的支持系統，原有一般意義的普通支吊架系統是以機電設備和管道等重力為主要荷載的支撐系統，這兩種支撐系統的設置并不重復而是相輔相成的。

《建筑機電工程抗震設計規范》（GB 50981—2014）規定，抗震支吊架建筑機電工程中的應用范圍如下:

1）直徑大于65mm的室內給水、熱水機消防管道；

2）所有防排煙風道、事故通風風道及設備；

3）所有截面積大于等于0.70m2的圓形風管；

4）所有截面積大于等于0.38m2的矩形風管；

5）內徑不小于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。

2　抗震支吊架抗震計算

當地震發生時，抗震支吊架在地震中可對給排水系統、空調系統、電氣管線系統，在縱、橫兩個方向進行限制性位移，避免碰撞喪失其運行功能。水平方向的地震負荷可由兩個不同方向的抗震支撐承擔，即側向抗震支撐承擔側向負荷，縱向抗震支撐承擔縱向負荷。所有抗震支撐須和結構體做可靠連接。

抗震支吊架系統的安裝形式及布置原則都是依據嚴格的力學計算結果確定的，《建筑機電工程抗震設計規范》（GB 50981—2014）規定地震力的計算必須滿足規范要求。計算過程中的水平地震力按照等效側力法時為：

式中：F為沿最不利方向施加于機電工程設施重心處的水平地震作用標準值；γ為非結構構件功能系數，查表取值0.9；η為非結構構件類別系數；ζ1為狀態系數，對支撐點低于質心的任何設備和柔性體系宜取2.0，其余情況可取1.0；ζ2為位置系數，建筑的頂點宜取2.0，底部宜取1.0，沿高度線性分布；對結構要求采用時程分析法補充計算的建筑，應按其計算結果調整；αmax為地震影響系數最大值；G為非結構構件的重力，應包括運行時有關的人員、容器和管道的介質及儲運柜中的物品的重力。

在計算時，針對不同成品類型、不同組合、不同間距的抗震支吊架，核算出間距區間內所有管道的重力荷載值；再根據規范取得所計算的抗震支吊架的狀態系數、位置系數及功能和類別系數，從而計算得到此吊架的水平地震作用。根據計算所得的水平地震作用及所計算的抗震支吊架形式，對其中每個桿件進行受力分析，得出每個桿件的截面形式及尺寸。

例如：以DN200保溫管道為例，材質為鋼管，根據查到的相關數據可知：每延米鋼管重量為77.53kg/m，即G水=0.7753kN/m。

根據《建筑機電工程抗震設計規范》（GB 50981—2014）第27頁8.2.3條，查詢抗震支吊架間距，按12m計算。

根據《建筑機電工程抗震設計規范》（GB 50981—2014）中3.5章計算：

式中：S為機電工程設施或構件內力組合的設計值；γG為重力荷載分項系數，一般情況取1.2；γEH為水平地震作用分項系數，取1.3；SGE為重力荷載代表值的效應；SEHK為水平地震作用標準值的效應。

根據計算簡圖（見圖1）得出斜撐與吊桿的內力組合設計值：S斜撐=4.93kN，S吊桿=3.84kN。

圖1　內力計算簡圖

根據計算所得桿件內力值，對吊架構件進行選取。

抗震支吊架的設計及布置間距除需滿足《建筑機電工程抗震設計規范》（GB 50981—2014）中的構造距離要求外，還應滿足抗震的距離計算要求。根據不同的機電專業不同材質的管道，設置抗震支吊架的距離也會隨之調整。在實際工程中，根據機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行間距核算，達到安全、實用、經濟的目的。抗震支吊架結構示意如圖2所示。

圖2　抗震支吊架結構示意

3　城市軌道交通工程中抗震支吊架設計中存在的問題

城市軌道交通工程中的抗震支吊架系統，其計算及布置安裝均遵循《建筑機電工程抗震設計規范》（GB 50981—2014）相關規定，但其中仍然存在問題。

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算問題。現階段的國家相關技術規范中，地下工程的地震力計算（考慮工程周邊土體的影響）仍處于研究階段。現階段施行的抗震規范對地下工程的地震力的計算未提供詳細的計算模型，只給出了比較籠統的概述及計算要求，考慮結構周邊土體的影響需使用有限元進行分析并結合實驗數據支持。

2）軌道交通工程中布置的抗震支吊架的形式與《建筑機電工程抗震設計規范》（GB 50981—2014）相關規定的定義與實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，機電設備管線在狹小的空間需要分專業、分層、交叉布置。這對抗震支吊架系統的設置及形式提出了很多要求，很難給出準確的計算模型。

例如，各專業管線分層布置，支吊架的高度會加大，這造成需要支吊架系統有足夠的強度及剛度滿足抗震計算的要求。在《建筑機電工程抗震設計規范》（GB 50981—2014）中，對抗震支吊架體統的描述示意圖是增加斜向支撐，角度在45°為適宜，這與實際工程中多專業管線交叉布置會存在矛盾，斜向支撐是否會與某專業的管線沖突仍需進行設計優化。

4　機電管線綜合深化設計及抗震支吊架的布置原則

隨著社會的不斷發展和科技的不斷進步，城市軌道交通工程車站建筑的功能越來越強大，智能化程度越來越高，建筑內的機電管線也越來越多。各種不同功能的管線交叉、交錯，經常出現專業間的交叉打架現象，因此，對機電管線進行綜合化設計越來越有必要性。機電管線綜合深化設計,就是將同一區域內的機電管線進行綜合,根據不同管線的不同性質、不同功能、不同施工要求，同時結合建筑裝修的要求,對管線位置進行統籌排布。其解決手段是應用BIM（建筑信息模型）技術模擬深化設計、模擬施工。

應用BIM技術對機電管線綜合深化設計時，會對不同專業間管線進行空間管線間的交叉避讓處理，從而實現原始的設計意圖，保證建筑工程的功能實現。

5　抗震支吊架安裝及驗收

安裝及驗收時應考慮以下內容。

1）管道和電線套管允許縱向偏移，但不得超過最大側向支撐間距的1/16；風管允許偏移，但不得超過風管寬度的2倍。

2）水平管道在90°轉彎時，需設抗震支吊架；其他角度轉彎長度大于抗震設計間距的1/16時，需設側向及縱向抗震支吊架。

3）計算水平地震力荷載時，只需考慮滿負荷重量，而不需要考慮其他因素。

4）抗震吊架不應限制管線熱脹冷縮產生的應力，當把熱脹冷縮因素考慮在內時，縱向吊架在構件選型上，應考慮所選型號能抵抗管線的熱脹冷縮應力。

5）保溫管線的抗震吊架管線需按保溫后的尺寸考慮，門形吊架用于保溫風管，水管亦按此考慮。

6）用于剛性管道的抗震支撐不能安裝于建筑的不同結構部位或功能部位，否則會因地震作用而產生不同的位移。

7）單管抗震支撐、雙向側向或縱向或具有側/縱向作用的拐點抗震支撐，應直接與管線或電線套管連接。應注意支管或小一級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。

8）管線穿越建筑沉降縫時，應考慮沉降位移的設計。

9）側/縱向斜撐安裝的最佳垂直角度為45°，且不得小于30°。

10）對水、電、風系統的單管或多管共用門形吊架，無論側向或縱向斜撐，斜撐偏離中心線2.5°時不會影響其承載力。

6　結論

為保證在突發地震時，機電系統管道、設備在設防烈度的地震作用下不跌落，保證生命線系統（如消防噴淋和防排煙系統）能正常運轉，對城市軌道交通機電工程進行抗震措施設防刻不容緩。雖然，對于城市軌道交通工程中的抗震支吊架的計算仍然存在一些問題，但隨著國家規范的健全及相關技術的完善，抗震支吊架系統將會貫穿之后的所有工程設計中，最大力度地保障人民的財產及生命安全。