建筑給水直管段抗震支吊架間距計算分析

黎仕國

（廣州設計院集團有限公司，廣東 廣州 510620）

0 前言

機電抗震支架是一種能把機電設施的地震作用荷載傳遞至承載結構上的組件或裝置成品。機電抗震支架能夠限制在地震作用下附屬機電設施的位移，能夠控制機電設施的振動幅度。抗震支吊架的設計流程如下：分析土建圖紙→依據抗震規范選取抗震需求管線→確定間距，布置抗震支吊架→繪制節點、構造詳圖→荷載校核、編支吊架力學計算書。其中第一步和第二步一般屬于設計院的工作內容；第三步設計院圖紙一般采用通用節點大樣圖，實施前由成品抗震支吊架廠家深化；第五步則一般由中標成品抗震支吊架廠家出具。

1 分析計算過程

為了確定抗震支架的間距，需要按《建筑機電工程抗震設計規范》中，水平管線抗震支吊架計算間距公式計算取得，計算間距公式見式（1）：

式中：l-水平管線抗震支吊架的計算間距，m；lo-水平管線抗震支吊架的間距基準值，m；k-抗震支吊架斜撐角度的調整系數；αEK-水平地震力綜合系數。

以下對式（1）中的參數進行逐個分析：

1.1 lo水平管線抗震支吊架的間距基準值分析

給水管道包括生活冷水給水管道、熱水給水管道和消防給水管道。抗震支吊架的間距基準值分成以下四種情況：①對于新建工程剛性連接的金屬管，側向支架基準值為12m，縱向支架為24m；②對于新建工程柔性連接的金屬管，側向支架基準值為6m，縱向支架為12m；③對于改建工程剛性連接的金屬管，側向支架基準值為6m，縱向支架為12m；④對于改建工程柔性連接的金屬管，側向支架基準值為3m，縱向支架為6m。

可以看出，任何工況下，縱向支架的基準值均為側向支架的2倍，這給抗震支架的計算和布置帶來了極大的方便。故計算間距時，只需要計算側向支架即可。布置抗震支架時，只需要按側向支架的間距進行布置，然后按間隔把側向支架替換為縱向支架即可。

1.2 k斜撐角度的調整系數的分析

斜撐角度的調整系數是一個與抗震支吊架斜撐角度相關的調整系數。抗震支吊架斜撐角度指抗震斜撐桿與承重垂直吊桿的夾角θ，在規范中表述為斜桿垂直長度與水平長度之比。為便于理解，已列出如表1所示所對照表。

從表1可以看出，當斜撐桿與垂直吊桿的夾角θ越小，即斜撐桿越接近垂直的時候，斜撐角度的調整系數k值越大，則抗震支吊架的計算間距l則越小。這是因為根據力學特性，斜撐桿越接近垂直，當其承受相同軸向應力時，水平分量更小，故需要設置更多的斜撐桿。規范同時要求側向、縱向抗震支架的斜撐安裝，垂直角度θ宜為45°，且不得小于30°。當垂直角度θ為30°時，斜桿垂直長度與水平長度之比為1.732，斜撐角度調整系數k值用內插法得到為1.976。即斜撐角度調整系數k值即宜為1，且不得大于1.976。

表1 斜撐角度的調整系數對照

1.3 αEK水平地震力綜合系數分析

當水平地震力綜合系數αEK≤1.0時，按1.0取。當αEK＞1.0時，按計算值。αEK的計算公式見式（2）：

式中：γ-功能系數；η-類別系數；ζ1-狀態系數；ζ2-位置系數；αmax-地震影響系數最大值。

以下對式（2）中的參數進行逐個分析。

1.3.1 γ（功能系數）及η（類別系數）分析

首先把給水分層消防與非消防給水管兩類，然后按表2進行選擇。

表2 功能系數γ和類別系數η

表2中的甲類建筑、乙類建筑及丙類建筑的分類，屬于按建筑物使用功能重要性的分類。具體可以詳《建筑抗震設防分類標準（GB 50223—2008）》。工程設計時，可以按結構專業提資為準。

1.3.2 ζ1（狀態系數）分析

按照規范中的說法，狀態系數ζ1當支承點低于管道質心時，宜取2.0；其余情況取1.0。故當采用支架時，支承點均位于管道上方，故取1.0；但應注意當采用支撐托架時，支承點均位于管道下方，此時宜取2.0。

1.3.3 ζ2（位置系數）分析

當管道位于建筑物的頂點時，宜取2.0；當管道位于建筑物的底部時，宜取1.0。當管道位于建筑物中部時，位置系數ζ2值用線型內插值就得。注意此處建筑物底部指首層，而地下室均取1.0。按可見，同一類管道位于不同樓層時，其位置系數是不一樣的，也就說明不同樓層的抗震支架的間距將有可能不同。

1.3.4 αmax（地震影響系數最大值）分析

地震影響系數αmax值按多遇地震，并按抗震設防烈度及不同的設計基本地震加速度值進行選取。抗震設防及設計基本地震加速度值詳《建筑抗震設計規范（GB 50011—2010）》（2016年版）。工程設計時，可以按結構專業提資為準。地震影響系數最大值αmax見表3。

表3 地震影響系數最大值αmax

2 布置抗震支吊架方式對間距的影響

抗震支架進行手工排布時，可以采取兩種方式——終點不等間距布置法以及全程等間距布置法。以上兩種方法將對抗震支吊架的最終間距產生影響，以下進行分析。

（1）終點不等間距布置法的布置原理如下。根據式（1）求得計算間距l，從直管道的起點段（距離端點不大于600mm）開始布置第一個支架，然后按計算間距l布置后續支架，當支架距終點端點不大于600mm時，布置結束；支架距終點端點大于600mm時，隨后再布置最后一個支架，布置結束。但也可適量減少倒數第二個支架與倒數第三個支架的間距。這種布置方法特點是除最后兩個支架間距外，直管段的支架間距均等于計算間距l。對于手工繪圖布置來講，終點不等間距布置法具有過程簡單、速度快的優點。

（2）全程等間距布置法的布置原理如下。測量需布置抗震支架的管道的直線長度，然后除以計算間距l，得出支架數No；No一般為帶小數的實數，No往上取為整數后得N，用管道直線長度除以N，得到抗震支吊架的實際間距ls，然后在直管道上按實際間距ls依次均勻布置支架。這種布置方法特點是直管段上的支架間距均相等，并且實際間距小于計算間距l。但對于手工繪圖布置來講，等間距布置法的布置過程稍復雜、繪圖速度較終點不等間距布置法慢。

3 結論

（1）根據上述對影響水平地震力綜合系數αEK的各參數分析，可知得出以下結論：

①當抗震設防烈度為Ⅶ度級及以下時，αEK的計算值均小于1.0，故αEK取1.0即可，無須再計算；

②當抗震設防烈度為Ⅷ度（0.30g）及以下時，只要不采用支撐托架（只采用吊架），αEK的計算值均小于1.0，故αEK取1.0即可，無須再計算；

③當抗震設防烈度為Ⅷ度（0.20g）及以下時，只要不是甲類建筑的消防管道，αEK的計算值均小于1.0，故αEK取1.0即可，無須再計算；

④當抗震設防烈度為Ⅸ度級以下時，只要不是甲類建筑的消防管道，并不采用支撐托架（只采用吊架），αEK的計算值均小于1.0，故αEK取1.0即可，無須再計算。

（2）對水平管線抗震支吊架的計算間距l的計算式可知，當αEK的取值等于1時，有且只有當斜撐角度的調整系數k值等于1時，l才等于lo。此時斜撐角度指抗震斜撐桿與承重垂直吊桿的夾角θ只能為45°。但由于施工現場管線眾多，安裝條件復雜，難以絕對保證現場斜撐安裝夾角θ為45°。為了便于現場按實際情況調整夾角θ，減少后期施工深化時的抗震支架數量變更，建議布置抗震支架時采用全程等間距布置法，該方法布置的支架實際間距小于計算間距l，為現場調整夾角θ提供一定的裕度。