高層和超高層建筑燃氣管道應力控制措施

申晉益

(成都燃氣集團股份有限公司,四川成都610041)

1 概述

作為高層、超高層建筑的附屬設施,燃氣管道及設備運行的安全性尤為重要。高層、超高層建筑燃氣管道及設備不可避免地存在安裝工程量大的特點,并且燃氣管道跨越建筑的各層,受到各類外荷載作用的影響大。若管道存在過度應力集中或長期腐蝕等情況,則容易發生損壞或泄漏。因此,有必要對高層、超高層建筑燃氣管道的應力進行控制,旨在提高燃氣設施運行的穩定性與安全性。

在進行管道應力控制時,需要對高層、超高層建筑燃氣管道系統可能受到的外荷載作用進行分析,既包括因管道熱膨脹、不均勻沉降產生的直接作用,也包括因地震荷載、風荷載造成主體結構動力響應而產生的間接作用[1]。研究上述荷載作用對燃氣管道的影響程度,并采取有效的控制措施,以避免發生管道失效或泄漏事故。

2 熱補償措施

2.1 熱補償分類

常用熱補償方式有自然補償、方形補償器補償(簡稱方形補償)、波紋管補償器補償(簡稱波紋管補償)、套筒式補償器補償(簡稱套筒式補償)。

① 自然補償能充分利用管道自身彈性變形,無須額外安裝補償器,但會產生橫向位移,補償量有限,難以滿足長距離豎直管道的要求。

② 方形補償簡單可靠,便于安裝,應用范圍廣,能達到與管道同壽命。缺點是介質阻力大,空間占用大,影響美觀。

③ 波紋管補償空間占用小,可吸振降噪,僅發生軸向變形,但受力性能差,安全性低,不耐腐蝕。

④ 套筒式補償介質阻力小,空間占用小,但不適應橫向變形,需要經常檢修及更換填料。

另外,目前推出了一種新型波紋管補償器,安裝實例見圖1。首先,其體積更小,補償量可達30 mm。其次,該補償器的波紋管外增加了保護罩,提高了防腐能力,壽命得到了大幅延長。再次,補償器上自帶溫度修正裝置,可按照安裝時的環境溫度預設初始長度,操作簡單易行,便于施工人員掌握。另外,這種新型波紋管補償器可根據管道材質、管徑的不同,適配焊接、螺紋連接、機械連接、法蘭連接等連接方式,應用面廣,適應性強。

圖1 新型波紋管補償器安裝實例

2.2 熱補償建議

① 室外燃氣管道應保證兩個固定支架間(即一個變形單元內)采取有效的補償措施。為最大限度發揮補償器的補償作用,應通過定量分析計算一個變形單元的補償量,確定補償形式、補償器安裝位置和安裝數量。

② 應考慮安裝溫度對補償量的影響。

③ 由于補償器位置容易發生銹蝕,當補償器使用法蘭連接時,推薦使用凸面對焊帶頸法蘭。

3 沉降

管道的沉降是指建筑物的地基土與周圍土體之間,或者相互獨立的緊鄰建筑物之間的不均勻沉降,使上述位置的管道設施出現變形和應力集中的現象。

3.1 沉降原因分析

① 單個建筑主體沉降

對單個建筑主體沉降而言,當建筑物沉降量大于周圍土體時,主要由于建筑物自重導致沉降長期自然積累。沉降速率先快后慢,總體上保持緩慢下降的趨勢。隨著建筑使用年限增加,沉降量積累情況逐年增加,這類沉降問題在服役年限較長的建筑中尤其明顯。燃氣管道的引入管及庭院管埋設于建筑周圍回填土中,當周圍回填土密實度未達到標準要求時,回填土沉降量大于建筑物沉降量,會造成管道的應力集中及變形。這類現象不僅存在于高層、超高層建筑中,在多層建筑中也不少見?；靥钔馏w密實度不足的問題,從根本上講還是人為影響,應予避免。

② 緊鄰建筑之間沉降

對緊鄰建筑之間沉降而言,主要為高層建筑主塔樓與裙樓之間的沉降量差異。高層、超高層建筑在主塔樓周圍設置裙樓的情況已經十分常見。當水平燃氣管道跨越高層建筑的主塔樓與裙樓的沉降縫時,兩類結構主體完全斷開,成為獨立單元,各自的沉降速率、沉降量不同步,造成跨越位置水平燃氣管道的應力集中與變形。人們往往關注引入管及埋地庭院管的沉降問題,而這類沉降問題很容易被忽視。

在建筑物周圍場地回填土壓實度合格的前提下,隨著使用年限積累,建筑物本身的沉降、主塔樓與裙樓之間的沉降差異均不可避免,應采取必要的防沉降措施,減輕由此造成的管道應力集中與變形。對由于建筑周圍場地回填土壓實度不合格而產生的沉降問題,則需要在庭院管道埋設前,要求土建工程的施工方完成場地回填土的壓實工作,并達到規范要求的工程質量驗收標準。

3.2 沉降控制措施

根據前文所述,引入管豎直出地面處、引入管與立管水平連接處、水平管跨越(非穿越)建筑物之間的沉降縫處,均為燃氣管道受沉降影響最大的位置。針對以上這些位置的燃氣管道沉降問題,結合工程的實踐經驗,建議采取如下控制措施。

① 引入管豎直出地面位置,應設置鋼套管,避免管道的豎向位移受到硬化地面的限制。套管與引入管之間應留有間隙,采用密封性能良好的柔性防腐、防水材料填充,端口用熱縮套密封,以加強引入管的防腐能力。

② 由于建筑主體與周圍土體的沉降差難以完全避免,為減小沉降對埋地管道的影響,中低壓引入管埋地部分推薦采用PE管。相比鋼管,PE管具有更為良好的彈塑性,可利用PE管更大的容許變形量吸收部分沉降變形。

③ 在管道與建筑主體牢固連接的前提下,管道與建筑物的沉降保持一致。而引入管受建筑周圍土體沉降影響,無法達到與建筑物沉降同步,致使引入管與立管的水平連接處是沉降應力集中問題十分顯著的位置。因此,應在引入管水平段上設置柔性連接管,見圖2。要特別注意的是,柔性連接管的兩端不得同時固定,否則其無法發揮防沉降的作用。

圖2 引入管水平柔性連接管

④ 為避免不同建筑物之間的沉降差問題,室外水平燃氣管道不應穿過建筑物的沉降縫(或伸縮縫、抗震縫等),盡量避免跨越建筑物設縫的位置。若由于供氣需要,水平燃氣管道不得不跨越沉降縫時,必須考慮設置水平柔性連接管等必要的應力補償措施。

4 風荷載

4.1 建筑的風荷載響應

相比低層、多層建筑,高層、超高層建筑對風荷載更為敏感。當風荷載施加在建筑物上時,會呈現如下特點。

① 風荷載與受荷建筑的平面形狀、空間尺寸有直接關系。在高層、超高層建筑中,平面形狀越規則、均勻,越有利于減小風荷載的作用。有利于抗風的建筑平面形狀包括圓形、正多邊形等,其中圓形平面為最佳。相反,如果建筑平面形狀有較大突變、非對稱,或者存在局部內凹,則會在一定程度上增大風荷載的作用。因此,在風荷載的計算中考慮了建筑物體型的影響,引入了風荷載體型系數。

② 風荷載與建筑周圍環境存在很大的關聯性。大中型城市往往高樓密布,風荷載效應很容易被城市建筑群放大。這種相鄰建筑間的狹窄區域使得風力陡然增大的現象,被稱為群樓效應。同時,群樓之間的非對稱遮擋也會增加風荷載作用的偏心,對建筑物的受荷不利。

③ 風荷載對建筑物的作用存在不規則性。風荷載作用的頻率高、時間長,并伴隨著風速、風向時刻變化。

④ 風荷載具有靜力和動力的雙重屬性。作用在建筑物立面上的穩定風壓可以被視為靜力作用。但風荷載中存在一定波動的脈動風壓,使建筑物產生不同頻率的振動,屬于動力作用。2021年5月,深圳市賽格廣場大廈產生了非常顯著的振動現象,引起了社會的廣泛關注。經過專家組的調查,造成大廈振動的主要原因之一,就是風荷載的風振效應引起了大廈的共振。對于總體高度大、側向剛度相對較小(基本自振周期較長)的高層、超高層建筑物,受脈動風壓的動力效應影響大,必須考慮風振的作用。故有關規范在風荷載標準值的計算中引入了風振系數。

⑤ 從風壓沿高度的變化情況可知,由于受地面粗糙度的影響,風壓隨著距地面高度的提升,不斷增大。風荷載的這一特點,體現在風壓高度變化系數。

4.2 風荷載計算

基于建筑物的風荷載響應特點,相關標準給出了風荷載的計算方法。根據JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》第4.2.1條,風荷載標準值的計算式為:

pk=βhμsμzp0

(1)

式中pk——風荷載標準值,kN/m2

βh——高度h處的風振系數

μs——風荷載體型系數

μz——風壓高度變化系數

p0——基本風壓,kN/m2

對風荷載較為敏感的高層、超高層建筑,標準要求基本風壓應乘以1.1的放大系數。

4.3 管道抗風措施

建筑外墻面上的燃氣管道為圓形截面,且迎風面積遠遠小于建筑物的立面,所以作用于管道表面上的風壓極為有限。因此,實質上建筑結構本身才是承受風荷載的主體,風荷載主要作用在建筑立面上。假定燃氣立管牢固安裝在建筑外墻面上,當高層、超高層建筑在風荷載作用下發生層間位移變形時,立管由于這種層間位移發生彎曲變形,同時管道上產生彎曲應力。若管道中的彎曲應力沒有超過允許值,則可以認為管道是安全的。

經過上述分析,可以得出風荷載對高層、超高層建筑燃氣管道的作用具有間接性,這種作用需要通過主體結構的側向位移來進行傳導。因此,主體結構在風荷載作用下的抗側移剛度,很大程度上決定了燃氣管道的受力情況。

考慮到高層、超高層建筑的重要性程度,其在設計過程中會進行抗風驗算,所以可以認為建筑由于風荷載產生的位移能夠控制在標準要求范圍內。

在風荷載作用下,只有當燃氣管道牢固連接在建筑物上時,才能與主體結構保持協同響應。若部分管道支架在受振動時與主體結構脫離,則可能使管道因失去部分有效約束而發生過大變形或失穩破壞。所以,保證管道的穩管體系的有效性,使管道能夠與主體結構牢固連接,在受迫振動時達到協同變形,才是燃氣管道抗風的最有效措施。

5 地震荷載

5.1 管道震害分析

對于燃氣管道的震害分析,已有很多學者進行了相關的研究。早在2007年,孫磊[2]研究了高層建筑中燃氣管道的抗震性能,他認為在主體結構彈性反應階段,主體結構的允許層間位移量小于管道的允許層間水平位移量。劉志斌等人[3]在研究室內燃氣管道抗震性能時,認為建筑主體結構變形是造成管道破壞的主要因素。劉志斌[4]的研究結果表明,燃氣立管同時受慣性力和變形的影響,不僅需要保證立管具有足夠的變形能力,同時管道支架、管卡也需要有較強的剛度來抵抗慣性力。

從上述分析可以發現,作為建筑的附屬設施,燃氣管道受地震力的影響程度與建筑本身的抗震能力息息相關。主體結構的抗震能力在很大程度上決定了燃氣管道這類非結構構件的震后損傷程度。另外,管道抵抗變形的能力、支架與主體結構的連接強度等因素,均在抗震中起到了至關重要的作用。

5.2 地震作用分析

根據GB 50981—2014《建筑機電工程抗震設計規范》第3.4.5條,沿最不利方向施加于構件重心處的水平地震作用標準值計算式為:

F=γηζ1ζ2αmaxG

(2)

式中F——沿最不利方向施加于構件重心處的水平地震作用標準值,kN

γ——非結構構件的功能系數

η——非結構構件類系數

ζ1——狀態系數

ζ2——位置系數

αmax——地震影響系數最大值

G——非結構構件的重力,kN

式(2)可以等價于:

F=αEkG

(3)

αEk=γηζ1ζ2αmax

(4)

式中αEk——水平地震力綜合系數

當按式(4)計算得到的αEk小于0.5時,水平地震力綜合系數取0.5。

當非結構構件種類確定時,水平地震力綜合系數為確定值,則水平地震作用標準值F與非結構構件的重力G成正比。高層、超高層建筑燃氣管道管徑較大時,單位長度的管道所承受的地震荷載更大,對穩管體系的承載能力、抗變形能力、布置均提出了更高的要求。

5.3 管道抗震措施

高層、超高層建筑燃氣管道的抗震目標是:當建筑物受地震作用發生相對層間側移時,燃氣立管能夠與主體結構保持協同變形,保證管道能夠在震動中與建筑物牢固連接而不松脫。鑒于燃氣管道本身具備一定的強度和彈性變形能力,因此管道抗震措施的關鍵是穩管體系。結合前述管道的震害分析結果,建議高層、超高層建筑燃氣管道采取如下抗震措施。

① 在管道選材上,可以考慮采用抗震性能更優的不銹鋼材料。由于不銹鋼管的壁厚可以更薄,不僅降低了管道自重,也在一定程度上提高了變形能力。

② 穩管體系的布置是管道抗震措施的核心。首先,承重支架用于支撐整個管道系統,必須使其與建筑主體結構保持有效固定。其次,導向支架應該能夠有效約束管道的側向位移,保證在地震時不發生松脫。最后,可在建筑物側向變形相對較大的位置設置抗震支架,抗震支架應進行單獨設計,以保證管道與建筑物能夠在地震中協同變形。

③ 充分利用管道的自然補償,通過改變管道幾何形狀,起到耗散地震力的作用。

④ 當發生地震時,抗震縫兩側的位移及變形很大。為避免該處的管道損壞,水平燃氣管道不應穿越建筑物的抗震縫。

6 結論

① 推薦在補償器安裝時進行溫度修正,考慮安裝溫度的影響。

② 引入管豎直出地面處、引入管與立管水平連接處、水平管跨越建筑物之間的沉降縫處,均為燃氣管道受沉降影響最大的位置。中低壓引入管埋地部分推薦采用PE管,在引入管的水平段上設置柔性連接管。室外水平燃氣管道不應穿過建筑物的沉降縫(或伸縮縫、抗震縫等),盡量避免跨越建筑物設縫的位置。

③ 管道抗風與抗震方面,應保證管道穩管體系的有效性,使管道能夠與建筑物墻體牢固連接,在受迫振動時達到協同變形?？紤]采用抗震性能更優的不銹鋼管道材料。