機電安裝中的抗震設計及應用實踐

文／崔世強 上海華建工程建設咨詢有限公司 上海 200232

1.機電安裝抗震設計的重要性及設計原則

地震是地殼運動的結果，地球上每天要發(fā)生很多次的地震，但因為絕大多數(shù)太小或太遠以至于人們很難察覺。可一旦發(fā)生大的地震，將發(fā)生房倒屋塌、交通和市政設施癱瘓、人員傷亡等嚴重災害。唐山大地震、汶川大地震、玉樹大地震等近些年發(fā)生的大地震對我們的影響和現(xiàn)場的慘烈現(xiàn)象至今仍觸目驚心。

機電系統(tǒng)作為依附于房屋建筑內部為保證房屋使用功能的必要系統(tǒng)，必須隨房屋建筑一起進行抗震設計，這不僅能夠減少發(fā)生地震時管道、設備脫落造成的房屋結構破壞和人民生命安全的影響，也為震后救援和地震引起的次生災害的預防提供了極大的便利性[2]。

《建筑機電工程抗震設計規(guī)范》要求，抗震設防烈度為6 到9 度的建筑機電工程設施抗震設計應達到以下要求：

（1）當遭受低于本地區(qū)抗震設防烈度的地震影響時，機電工程設施一般不受損壞或不需修理可繼續(xù)運行；

（2）當遭受相當于本地區(qū)抗震設防烈度的地震影響時，機電工程設施可能損壞進行一般維修或不需維修仍可繼續(xù)運行；

（3）當遭受高于本地區(qū)抗震設防烈度的罕遇地震影響時，機電工程設施不至于嚴重損壞，危及生命[1]。

機電各系統(tǒng)眾多，如針對每個系統(tǒng)進行抗震設計，不僅需要花費大量的時間和精力，還大大增加了施工的復雜性，工程投資也隨之增加。因此規(guī)范要求只需對在設防烈度地震下需要不間斷工作的機電工程和設施（如應急配電系統(tǒng)、火災自動報警及控制系統(tǒng)、建筑電梯、防排煙系統(tǒng)、消防水系統(tǒng)）等進行抗震設計。

2.機電設備基礎的抗震設計及應用

機電各系統(tǒng)設備均需通過設備基礎與主體結構相連接，如果后澆筑的基礎與主體結構梁板連接不牢，或者設備固定螺栓強度不足，都將造成設備偏移、設備接口開裂錯位、設備基礎上傾倒、脫落。

2.1 機電設備基礎的抗震設計要點如下：

（1）重要的機房設備如消防水泵房、生活水泵房、配變電所、消防控制室、冷凍站、柴發(fā)機房、數(shù)據(jù)及通信機房等宜設置在結構地震反應較小的部位（如地下室、首層及較低樓層、靠建筑中心位置等）。

（2）混凝土設備基礎應與主體結構牢靠固定。

（3）設備應與設備基礎采用螺栓固定，當無設備基礎時，需與結構樓板固定，不得固定在建筑構造層、墊層中。

（4）對于無法采用固定螺栓的，應采用L 型抗震防滑角鐵進行限位。

（5）固定設備的螺栓規(guī)格和數(shù)量，應結合設備尺寸、重量和水平地震作用標準值等，根據(jù)計算公式核算其所承受的拉力和剪力確定，其計算簡圖如圖1 所示，其中FH為水平地震作用力。

圖1 地腳螺栓計算簡圖

（6）有震動的設備應設置防震基礎，并用限位器與主體結構固定，如圖2 所示為水泵限位器布置圖。

圖2 水泵基礎限位

（7）采用吊裝的機電設備，應設置抗震彈簧支吊架。

2.2 設備基礎施工時的注意事項：

（1）施工前應熟悉圖紙，針對不同的設備基礎分別采取對應的施工措施，必須時進行基礎深化設計。

（2）重要的混凝土設備基礎應與主體結構同時澆筑混凝土，保證其整體性。

（3）當無法同時施工時，后施工基礎與結構接觸面需進行鑿毛和刷漿處理，必要時可設置抗剪鋼筋。

（4）對于無需混凝土設備基礎的設備，應在結構樓板隱蔽前預埋連接鋼板。

（5）當設置鋼基礎時，鋼基礎應與主體結構采用螺栓固定或通過預埋鋼板焊接。

（6）設備與基礎的固定的方式、固定螺栓的數(shù)量和規(guī)格應嚴格按設備廠家技術要求執(zhí)行。

3.抗震支架設計及應用

因小管道的質量較輕，受地震作用影響得較小，因此《建筑機電工程抗震設計規(guī)范》中只規(guī)定針對以下管線采取抗震設計：

（1）懸吊管道中重力大于1.8KN 的設備。

（2）DN65 以上的生活給水、消防管道系統(tǒng)。

（3）矩形截面面積大于等于0.38m2和圓形直徑大于等于0.7m 的風管系統(tǒng)。

（4）對于內徑大于等于60mm 的電氣配管及重力大于等于150N/m 的電纜梯架、電纜槽盒、母線槽。

以上管道的抗震設計通常為增加抗震支吊架，用于抵抗管線所承受的任意水平方向的地震作用。抗震支吊架設計前，應確保樓內各機電系統(tǒng)管線綜合排布深化圖已經過各方確認，這是抗震支吊架設計的基礎。抗震支吊架的設計形式和布置應根據(jù)其所承受的荷載進行抗震驗算，步驟如下：

（1）初步確定抗震支吊架的位置和安裝形式。如圖3 所示，為某抗震支架生產廠家的150mm 水管抗震支架形式，按規(guī)范取其設計間距為側向12m，縱向24m，主要構成為M12 錨栓、抗震連接件、抗震管夾、桿件型鋼。

圖3 某廠家150mm 水管抗震支架形式

（2）確定抗震支架所處位置的抗震設防要求、建筑類別等，根據(jù)等效側力法計算公式，計算節(jié)點處側向和縱向的水平地震作用標準值，即：

其中：

F——沿最不利方向施加于機電設施重心處的水平地震作用標準值。

αEK——水平地震力綜合系數(shù)，當結果小于0.5 時，按0.5 計。

γ——構件功能系數(shù)，按規(guī)范查表。

η——構件類別系數(shù)，按規(guī)范查表。

ζ1——狀態(tài)系數(shù)：對支撐點低于質心設備宜取2.0，其余情況取1.0。

ζ2——位置系數(shù)，建筑頂點宜取2.0，底部宜取1.0，沿高度線性分布，通常選擇最不利樓層。

αmax——地震影響系數(shù)最大值，按多遇地震查表。

G——非結構構件的重力，包括運行時容器和管道中的介質及儲物柜中物品的重力，可按規(guī)范計算和查表。如圖3 所示150mm 的單位管重查表為G=428.75N/m。

經查表后得出圖3 抗震支架的水平地震綜合力系數(shù)αEK=1.4×1×1×2×0.08=0.224<0.5，則取αEK=0.5。水平地震作用荷載分項系數(shù)規(guī)范取1.3，考慮荷載分布，則圖3 所示抗震支架的側向水平地震力設計值ST和縱向水平地震力設計值SL分別為：

ST=單位長度的重量×側向管長×每套支架承擔的管道數(shù)量×水平地震力綜合系數(shù)×荷載分項系統(tǒng)=428.75×12×1×0.5×1.3=3344.25N，同理SL=428.75 ×24×1×0.5×1.3=6688.5N

（3）按照所選用抗震支吊架與結構的連接布置、支架斜撐與豎桿的夾角，以及計算出的水平地震力，計算抗震支架受不同方向地震力時的桿件軸力最大值。如圖4 所示，橫向地震作用力主要由斜撐N1 承受，縱向地震作用力主要由斜撐N3承受。

圖4 支架側向和縱向受力分解

（4）驗算所選取抗震支架的桿件及配件強度是否滿足要求。

管道的重量通常由普通支吊架承受，一般不考慮抗震支架與重力支架共用時，此時S（抗震支架內力組合值）=ST/SL。且抗震支架節(jié)點通常為鉸接，桿件只承受軸力。通過對比抗震支架桿件、連接件、錨栓、管夾等的設計強度，當S

值得大家注意的是，當抗震支架斜撐或吊桿長度過長時，往往還需要驗算其長細比。以上為大家展示的僅為圖3 所示類型抗震支架的驗算方法，實際工程應用中往往有各種機電系統(tǒng)的管道和抗震支架形式，因此必須按實際情況分別驗算校核。除此之外，在抗震支吊架設計和布置時應注意以下要求：

（1）水平地震作用應有兩個不同方向的抗震支撐承擔。

（2）抗震支吊架復核時應選取混凝土結構最不利受力位置來核算，如選取較高樓層。

（3）抗震支吊架采用的構件應采用成品定型構件，減少現(xiàn)場深加工、拼組。

（4）抗震支吊架的設計注意不應阻礙機電管線熱脹冷縮產生的變形、位移。

（5）水平直管道兩端應設置側向抗震支架，當兩個側向抗震支架間距大于最大設計間距時，應在中間增設。

（6）每段水平直管道應至少設置一個縱向抗震支架，當兩個縱向抗震支架間距大于最大設計間距時，應在中間增設。

（7）所有抗震支架應和主體結構可靠連接。

（8）抗震支架的斜撐角度宜為45°且不小于30°。

結語：

機電安裝中的抗震設計除設備基礎和抗震支吊架之外，還有機房的選擇、設備的布置和安裝、管材的選擇和敷設、穿防震縫或結構要求等，抗震設計時需結合實際工程情況按照規(guī)范要求進行詳細說明。同時，需嚴格按設計要求控制機電安裝的抗震施工質量，鑒于篇幅限制本文不再論述。文中的錯誤和疏漏之處在所難免，懇請各位讀者諒解，并期待各位專家和設計師的寶貴意見。