裝配式支吊架行業現狀與質量檢驗

孫 彬，張雪芳，隋明昊，王景濤，張晉峰

（建研院檢測中心有限公司，北京 100013）

0 引言

隨著結構構件抗震能力的不斷提升，非結構構件破壞成為地震災害的主要原因［1］。2006 年夏威夷地震，消防噴淋管線系統破壞造成了大規模的消防用水泄漏，導致許多建筑功能癱瘓［2］；2010 年智利地震，包括消防管道在內的非結構構件損壞導致 4 家醫院無法運轉，12 家醫院超過 75 % 的功能設施癱瘓，建筑附屬設備破壞和消防用水泄露導致兩家機場關閉，對抗震救災工作造成了極大的不利影響［3］。相對于建筑功能的喪失，建筑附屬機電設備破壞對生命財產安全的影響更為嚴重，因此，必須加強對建筑附屬機電等非結構構件抗震能力的重視。

裝配式支吊架作為連接建筑主體結構與附屬機電設備的重要非結構構件，在發生災害時能有效保護附屬機電設備，避免其使用功能癱瘓或者喪失。1994 年美國北嶺地震，裝有支吊架的附屬機電設施損壞甚微，但未安裝支吊架的水管和消防管損壞較為嚴重［4，5］；Goodwin 等通過對醫院管道懸掛組件的振動臺試驗發現支吊架體系能夠有效地限制管道位移［6］；Tian 等通過對三個足尺自動噴淋管道體系進行試驗發現，在動力荷載作用下，裝有支吊架的管道體系受力性能要優于未安裝支吊架的管道體系［7］。支吊架體系的受力性能研究對于確保建筑附屬機電設施安全有著重要的工程實際意義。

本文介紹了裝配式支吊架的概念及其產品分類，再從支吊架的標準規范情況、應用領域及總體質量狀況等方面詳細綜述了支吊架行業現狀，并分析了抗震支吊架行業現狀及其存在的問題，包括功能誤區、抗震支吊架設計以及連接節點薄弱等情況，最后介紹了抗震支吊架的性能檢驗方法，并對其存在的問題進行了探討。

1 裝配式支吊架概念與分類

裝配式支吊架不同于現場焊接安裝的傳統支吊架，是將工廠預制的連接件與槽鋼在現場進行組裝，并與建筑主體結構可靠連接，能夠承受荷載并限制管道位移，廣泛應用于建筑給排水、消防、供暖、通風、空調、燃氣、熱力、電力及通訊等管線設施領域。裝配式支吊架包括承重支吊架和抗震支吊架，承重支吊架主要承受管道重力荷載，抗震支吊架主要承受地震作用，工程實際安裝照片如圖 1 所示。

圖1 裝配式支吊架

抗震支吊架是由錨固體、加固吊桿、抗震連接構件及抗震斜撐等組成的與建筑結構體牢固連接的抗震支撐設施，在主體結構遭受地震作用時，能夠有效保護附屬機電設施。根據斜撐布置情況，分為側向抗震支吊架、縱向抗震支吊架以及混合抗震支吊架。抗震斜撐與管道橫截面平行的支吊架稱為側向抗震支吊架，能夠限制管道的側向位移；抗震斜撐與管道縱向平行的支吊架稱為縱向抗震支吊架，能夠限制管道軸向位移；既有側向抗震斜撐又有縱向抗震斜撐的稱為混合抗震支吊架，能夠同時限制側向和縱向位移。常見的有單桿抗震支吊架、雙桿抗震支吊架以及雙立柱抗震支吊架［8］，如圖 2 所示。

圖2 不同形式的抗震支吊架

2 裝配式支吊架行業現狀

2.1 支吊架行業的興起

國外對于抗震支吊架的研究開展較早，1947 年美國在 NFPA13 中首次規定了自動消防噴淋系統抗震支吊架的設計方式［9，10］，隨后，FM 1950 規定了自動噴淋管道體系抗震支吊架部件和組件的抗震性能試驗方法［11］。此外，FEMA 414 中對安裝在建筑結構不同部位的風管和水管進行了規定，包括承重支吊架和抗震支吊架的排列方式和安裝方法［12］。

在 2008 年以前，國內對于抗震支吊架的研究接近空白，汶川地震之后，成都地區震害調查表明，主要結構構件損壞甚微，但非結構構件損害較嚴重［13］。近十年來，國內對建筑機電工程抗震開始逐漸重視起來，2015 年發布實施的 GB 50981—2014《建筑機電工程抗震設計規范》（以下簡稱“GB 50981—2014”）明確規定，對抗震設防烈度 6 度及以上地區附屬機電設施必須進行抗震設計［14］。

隨著規范 GB 50981—2014 實施，抗震支吊架行業步入蓬勃發展期，抗震支吊架生產企業雨后春筍般涌現出來。據不完全統計，目前國內抗震支吊架生產企業約有 7 000 多家，但行業活躍度高的企業并不多，企業規模呈現大、中、小、微并存的格局，并且以小、微型企業占絕大多數，基本屬于小作坊，缺乏技術能力和研發能力，抗震支吊架的產品質量也是良莠不齊。

2.2 標準規范情況

與支吊架相關的現行標準規范匯總如表 1 所示。GB 50981—2014 是建筑機電抗震及抗震支吊架的設計依據，也是目前機電抗震行業最重要的國家標準，該標準已啟動修訂工作，將增加與施工、驗收以及運維相關的技術內容；GB/T 38053—2019《裝配式支吊架通用技術要求》（以下簡稱“GB/T 38053—2019”）是針對承重支吊架的產品標準，規定了其產品性能及其測試方法［15］；GB/T 37267—2018《建筑抗震支吊架通用技術條件》（以下簡稱“GB/T 37267—2018”）［16］和 CJ/T 476—2015《建筑機電設備抗震支吊架通用技術條件》（以下簡稱“CJ/T 476—2015”）［17］是針對抗震支吊架的產品標準，規定了支吊架部件和組件的性能測試方法，CJ/T 476—2015 對產品的性能要求較 GB/T 37267—2018 低，故目前主要執行 GB/T 37267—2018；CECS 420—2015《抗震支吊架安裝及驗收規程》（以下簡稱“CECS 420—2015”）規定了現場施工安裝與質量驗收方法［18］，該標準的執行率比較低，條文也不能覆蓋工程實際需求，目前已啟動修訂工作；T/CECS 731—2020《裝配式支吊架系統應用技術規程》（以下簡稱“T/CECS 731—2020”）對支吊架系統的設計、制作與安裝、質量驗收、維護管理等進行了規定，是一本實操性較強的團體標準。

表1 與支吊架相關的現行標準

近 3 年，中國工程建設標準化協會立項制訂的標準情況如表 2 所示。標準數量逐年增多，并細分到不同的應用領域。實際上，近年來其他社團組織通過不同渠道、不同層面立項的支吊架標準也是層出不窮，包括技術規程、產品標準、方法標準以及認證標準等，門類眾多且以技術規程居多。受國家標準改革的影響，國標和行標很難立項，因此支吊架領域國標和行標相對偏少，而團體標準執行力度總體偏低，在某種程度上制約了行業發展。

表2 中國工程建設標準化協會立項與支吊架相關的標準

2.3 工程應用領域

裝配式支吊架因其性能穩定、施工方便及工期短等優點被廣泛應用于新建建筑和既有建筑，包括民用建筑、工業建筑、居住建筑以及公共建筑等。除此之外，裝配式支吊架還被廣泛地用于地鐵隧道、綜合管廊等市政工程領域。

目前，承重支吊架總體應用狀況良好，質量性能穩定。相比于傳統支吊架，裝配式承重支吊架工程造價相對較高，行業接受度還需要逐步提高，隨著我國城市化建設腳步的不斷加快，對裝配式支吊架的需求也呈現逐年上升的趨勢，在我國大力發展裝配式建筑的工程應用背景下，裝配式支吊架市場的未來發展空間很大。

3 抗震支吊架行業現狀

3.1 功能誤區

目前的工程設計往往不考慮承重支吊架的抗震功能，也不考慮抗震支吊架的承重功能。在實際工程中，先將承重支吊架安裝完畢，再按設計要求布置抗震支吊架，在未發生地震時，抗震支吊架基本不受力，發生地震時，地震作用將根據支吊架的側向剛度進行分配，門式承重支吊架本身也具有一定的剛度，一旦承重支吊架因分擔了地震作用而破壞，原先由承重支吊架承擔的重力荷載會傳遞給抗震支吊架，而抗震支吊架又不具備足夠的承載能力，就會出現抗震支吊架來不及發揮其抗震功能而被重力荷載壓垮的情況。

地震屬于小概率事件，抗震設防烈度的地震重現期約為 475 年，抗震支吊架在其服役期內出現質量事故的概率極低，抗震支吊架只抗震不承重的功能定位導致抗震支吊架行業質量意識淡薄，低價惡性競爭，行業發展處于無序狀態。若要求抗震支吊架在具備承重功能的基礎上再發揮其抗震能力，可在一定程度上改善目前的行業亂象。

此外，門式承重支吊架抗震性能試驗結果表明，門式承重支吊架也具備一定的抗震功能。圖 3 給出了高寬為 400 mm×400 mm 的門式承重支吊架的滯回曲線和骨架曲線。可以看出，門式承重支吊架的極限承載力為-8～10 kN，滯回曲線比較飽滿，表明其具有良好的耗能和變形能力。因此，應充分考慮抗震支吊架的承重功能和承重支吊架的抗震功能，將建筑機電設備的承重和抗震進行統籌設計，既能保證機電系統的安全可靠，同時又可以節約成本，行業的質量意識也會得到進一步的提升。

圖3 門式承重支吊架滯回曲線及骨架曲線

3.2 設計責任

抗震支吊架不是嚴格意義上的標準產品，組成抗震支吊架的部件是產品，而抗震支吊架更像是一個小型的鋼結構，因此，需要針對具體的建筑機電工程進行抗震支吊架的設計。現階段，設計院不負責支吊架的設計，將該專項設計交給支吊架生產企業，支吊架企業的設計能力差異很大，多數企業不具備設計能力，即使具備設計能力，也不具備出具施工圖的資質，目前基本采用套圖簽蓋章的方式出具施工圖。抗震支吊架行業現狀對設計院提出了更高要求，設計院應對支吊架設計圖紙的質量進行把關，最終由設計院蓋章出圖并承擔設計責任。建設各方對抗震支吊架設計的重視度不夠是造成工程亂象的因素之一。

歐美國家實行產品認證制度，通過認證手段確定產品的性能指標，并將該指標作為設計的取值依據；國內實行產品檢驗制度，檢驗僅給出合格與否的結論，設計不會根據檢測報告的數據進行設計，產品性能與設計緊密度很低，設計人員不會考慮到產品性能的差異。高質量的產品在市場競爭中不能充分發揮優勢，這是導致行業不能健康發展的另一個重要因素。

當設計缺失時，抗震支吊架的產品質量做得再好，也很難符合工程實際，因此，需要重視支吊架的設計，加強設計管理，由設計院實際承擔支吊架設計工作，避免套圖簽走過場，要從源頭上改善支吊架設計質量和行業亂象。

3.3 地震作用取值保守

地震作用屬于慣性力，除了與樓面的地震響應有關外，還取決于振動體系的質量和剛度，GB 50981—2014 等效側力法取地震作用為支吊架系統重量與地震影響系數的乘積。地震影響系數與振動周期密切相關，而振動周期又與體系的質量和剛度有關，GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》（2016 年版）［19］給出的相關關系如圖 4 所示。標準 GB 50981—2014 給出了計算抗震支吊架水平地震作用的公式，如式（1）所示。水平地震影響系數最大值如表 3 所示。

圖4 地震影響系數曲線

表3 水平地震影響系數最大值

式中：F為機電工程設施重心處的水平地震作用標準值，N；γ為功能系數；η為類別系數；ζ1為狀態系數；ζ2為位置系數；amax為地震影響系數最大值，取值見表 3；G為非結構構件的重力，N。

由式（1）可見，地震作用計算直接取地震影響系數的最大值，不考慮抗震支吊架本身的剛度差異，地震作用的取值偏于保守。在抗震支吊架的設計計算時，標準 GB 50981—2014定義了水平地震力綜合系數aEK=γηζ1ζ2amax，當aEK小于 0.5 時按 0.5 取值，實際上也是偏于保守的做法。此外，對于門式抗震支吊架，其本身也具有一定的抗震能力，而現有的抗震設計是完全依靠抗震斜撐來提供抗震能力，不考慮門式支吊架對抗震能力的有利貢獻。

3.4 節點連接薄弱

我們開展的支吊架抗震性能試驗研究表明，抗震支吊架連接節點是其破壞的薄弱環節，圖 5 給出了抗震支吊架在低周往復加載作用下的破壞情況，依次為槽鋼底座節點處旋翼螺母拔出破壞、直角連接件節點處旋翼螺母拔出破壞及管箍處旋翼螺母拔出破壞，上述破壞均發生在支吊架連接節點處。種種試驗破壞現象表明支吊架往往是連接節點先于構件發生破壞，導致支吊架失效，節點破壞時，抗震斜撐及抗震連接件均無明顯變形或破壞。

圖5 節點破壞

4 支吊架質量檢驗

4.1 檢驗依據

支吊架質量檢驗一般依據產品標準，檢驗種類分為出廠檢驗和型式檢驗兩種，出廠檢驗由生產企業自檢，型式檢驗一般委托第三方檢驗機構，現行相關標準的型式檢驗項目如表 4 所示。

表4 型式檢驗項目

承重支吊架主要依據 GB/T 38053—2019 進行檢驗，抗震支吊架依據 GB/T 37267—2018 和 CJ/T 476—2015 進行檢驗。一般情況下，行業標準的技術要求高于國家標準，而 CJ/T 476—2015 檢驗要求低于 GB/T 37267—2018，這主要因為行業標準編制時間較早，故建議該標準應及時進行修訂；兩本標準中對防腐性能檢驗方法規定也不同，GB/T 37267—2018 要求做中性鹽霧測試，而 CJ/T 476—2015 要求做酸性鹽霧測試，兩者的試驗結果也不具可比性，當前基本均采用 GB/T 37267—2018 對抗震支吊架產品進行型式檢驗。

4.2 關于檢驗方法的探討

1）支吊架組件尺寸對測試結果的影響。

抗震支吊架不屬于定型產品，實際工程是通過設計計算確定組裝件的形狀和尺寸，因其形狀和尺寸多樣，GB/T 37267—2018 中也未能給出抗震支吊架規格型號的相關規定。

不同尺寸的抗震支吊架在相同荷載作用下的響應是不同的。本文建立了 A、B、C 三種尺寸門式抗震支吊架模型，其中，立柱與橫擔連接為剛節點，抗震斜撐與槽鋼的連接為鉸節點，抗震斜撐與結構的連接為鉸節點，立柱與結構的連接為剛節點；B 模型尺寸是 A 模型的 2 倍，C 模型僅豎向吊桿高度是 A 模型的 2 倍，其它桿件尺寸相同；所有的截面尺寸、材料屬性均相同，在抗震支吊架橫擔中部施加一水平荷載，計算其變形值。圖 6 給出了 A 模型及其位移計算結果。通過計算發現，B 模型水平位移是 A 模型的 2 倍，C 模型水平位移是 A 模型的 5.84 倍。可見，抗震支吊架變形隨尺寸不同而差異很大，故標準中應限定送檢支吊架組件的尺寸，以確保不同廠家的產品均依據同一尺寸進行測試，其結果才具有可比性。另外，送檢的抗震支吊架尺寸和實際工程應用的很少能夠完全一致，故組件檢驗只是一種驗證性試驗，并不能作為支吊架組件產品合格判定的依據。

圖6 抗震支吊架簡化模型與計算結果

2）支吊架組件抗震性能測試方法的合理性。

標準 GB/T 37267—2018 規定對 4 套抗震支吊架組件進行循環加載，加載速率為 0.1 Hz。測試前預估組件承載能力，若組件承載能力不大于 2.25 kN，測試時施加的初始荷載為 2.25 kN；若組件承載能力大于 2.25 kN，則施加的初始荷載為 9 kN，測試裝置如圖 7 所示。前 15 次按照初始荷載進行等幅往復循環加載，之后每次循環加載的力值均是前次加載幅值的（15/14）1/2 倍，逐漸增大荷載再完成 40 次循環；累計完成 55 次循環加載后，檢查樣品的破損情況和變形值，要求抗震支吊架水平位移不應超過 50 mm。

圖7 抗震支吊架組件循環荷載試驗

該試驗方法源自美國 FM 1950，主要針對單管（桿）抗震支吊架，實際上是考察抗震斜撐的防晃性能。FM 1950 要求每次測試采用 2 套抗震支吊架組件，共進行 3 次測試，當試件破壞或者達到規定的位移限值時停止加載，并未給出明確的循環加載次數規定，該方法能夠獲取產品的極限承載力。而標準 GB/T 37267—2018 規定達到 55 次循環即停止試驗，并不能給出所檢產品的極限承載力。

此外，GB/T 37267—2018 僅給出兩種加載值（2.25 kN 和 9 kN），因為消防管規格種類不多，這兩種荷載基本可以覆蓋，而國內綜合支吊架的荷載多樣，這兩個加載值很難覆蓋工程實際需求。實際上，FM 1950 只適用于單管支吊架，國內的門式支吊架不適合這種加載制度，現行標準也未明確給出除單管支吊架外其他形式的抗震性能測試方法。直接照搬 FM 1950 的試驗方法測試國內的綜合支吊架，其合理性存疑。

3）疲勞性能測試方法的合理性。

標準 GB/T 37267—2018 要求在管道連接構件處施加幅值 20.4 kg、頻率 3 Hz 的正弦波進行 200 萬次疲勞試驗，試驗后檢查抗震支吊架的破損和變形情況。自標準實施以來，尚未出現因疲勞試驗不合格的抗震支吊架，現有的疲勞加載制度能否反映支吊架實際工作情況還值得進一步商榷。實際工程中，各類機電設施的疲勞荷載幅值和頻率缺乏研究資料和統計數據，尚不具備制訂疲勞試驗方法標準的基礎。另外，目前抗震支吊架主要是抵抗地震作用，屬于抵御偶然作用，對于日常頻遇的重力荷載都不承擔，要求其承擔疲勞荷載作用的合理性也值得探討。

4）振動臺試驗的必要性。

抗震支吊架的振動臺試驗無相關標準依據，試驗的必要性值得探討。抗震支吊架依附于建筑主體，而對普通建筑一般均不需要做振動臺試驗，僅對超過規范要求的建筑結構做振動臺試驗。振動臺試驗報告不能作為一個支吊架產品銷售的必備證書，更何況目前尚無標準支持，即使做了振動臺試驗也不能給出有價值的檢驗結論。在產品研發過程中或者標準規范制訂過程中，若需要系統深入研究抗震支吊架在地震中的響應，可以考慮做振動臺試驗，但應注重模型設計。抗震支吊架的布設間距較大，國內現有的振動臺尺寸不具備做足尺模型試驗的能力，一般需要做縮尺模型試驗，故模型比設計非常重要。根據結構模型尺寸，研究確定支吊架的布設間距、系統配重以及地震動輸入參數等設計因素，以確保支吊架的地震作用效應達到預期，尚需要做深入的研究和驗證工作。若盲目使用一個結構模型，不考慮模型比設計進行振動臺試驗，試驗結果沒有參考意義。

5）施工階段質量檢驗的迫切性。

抗震支吊架產品質量參差不齊，檢測報告層出不窮，部分企業根本沒有研發和生產能力，同時也存在送檢樣品與供貨產品不一致的情況，故應加強產品進場檢驗和驗收，確保實際工程中使用的是合格產品。CECS 420—2015 對支吊架的安裝間距、布設位置、斜撐安裝角度、連接、外觀質量等提出了檢測與驗收要求，并提出產品進場應進行抽檢，但對抽檢數量和檢驗項目的規定并不完善。工程進場抽檢和安裝質量檢驗委托較少，整個行業對支吊架在施工階段的檢驗與驗收的重視程度還不夠。支吊架是通過錨栓與建筑主體結構連接，錨栓錨固性能的好壞直接影響支吊架能否正常發揮作用，為避免出現因錨栓錨固性能問題導致的支吊架功能失效，還應加強支吊架與結構連接錨固性能的現場檢驗要求。

4.3 產品過度檢測

支吊架行業存在過度檢測的情況，競標活動中過分注重報告的數量，具體體現在對耐火性能檢測、防腐性能檢測、疲勞性能檢測以及振動臺試驗等四個方面。GB/T 37267—2018 中要求對抗震支吊架進行 180 min 的耐火性能檢測，該要求已高于建筑本身的耐火性能要求，但有些項目要求做更長時間的耐火性能試驗；GB/T 37267—2018 規定抗震支吊架應進行 200 萬次疲勞性能試驗，企業為了在競標中獲勝，送檢要求做 300 萬次甚至更高；GB/T 37267—2018 要求根據表面不同處理工藝對抗震支吊架進行不同時長的中性鹽霧試驗，而招標文件規定的時間更長；振動臺試驗的必要性正如前文所言，抗震支吊架作為主體結構的附屬非結構構件，主體結構尚不需要振動臺試驗，將振動臺試驗報告作為競標文件的要求顯然不合適。

5 結語

本文分析了國內支吊架行業現狀以及存在的問題，重點分析了抗震支吊架質量檢驗現狀，探討了測試方法的合理性和必要性。為促進裝配式支吊架行業的長遠健康發展，提出以下意見和建議。

1）加強支吊架的設計管理，要求應由具有設計資質的單位進行設計，并應考慮機電設備進行系統設計，充分利用承重支吊架的抗震性能，充分發揮抗震支吊架的承重功能，確保機電工程的安全可靠與經濟合理，并在一定程度上改善目前的行業亂象。

2）積極推廣產品認證制度，通過認證確定各產品的性能指標，并建議加強支吊架設計與產品認證之間的聯系，讓高質量的產品在市場競爭中充分發揮優勢。

3）應加強抗震支吊架連接節點的設計，促進支吊架由“強構件，弱節點”向“強節點，弱構件”轉換，充分發揮構件性能，提高支吊架性能的同時又節約成本。

4）支吊架組件性能檢測屬于驗證性試驗，實際工程中支吊架形式與尺寸多樣，故應重視部件和連接件的性能測試，組件性能主要通過計算手段確定。

5）單管（桿）抗震支吊架可沿用 FM 1950 規定的抗震性能試驗方法，其他形式支吊架組件抗震性能的測試方法還需要深入研究。

6）盡快完善抗震支吊架相關的標準規范，尤其是施工與驗收方面的標準，標準是提升抗震支吊架產品質量和工程安裝質量的重要基礎。要以標準促發展，加強行業自律，提升產品質量，避免不必要的過度檢測，引導行業向健康方向發展。Q