機電抗震設計在科技新創(chuàng)項目中應用
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摘要：地震是自然災害之一，具有突發(fā)性和不可預測性。我國是全世界地震活動最活躍、地震災害影響最大的國家之一，有近30%的區(qū)域、1/2的城市和80%以上的特大城市位于7度以上的高地震烈度區(qū)。因此，建筑物的抗震要求顯得尤為重要，通常建筑抗震由3部分構(gòu)成，即建筑結(jié)構(gòu)抗震、建筑非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震、建筑機電設備抗震。通過項目實例，展望建筑機電設備抗震的應用和前景。
關(guān)鍵詞：抗震支架；大型管道；建筑抗震
1概述
根據(jù)GB50981—2014《建筑機電工程抗震設計規(guī)范》，抗震設防烈度≥6度地區(qū)的建筑機電工程必須進行抗震設計?？拐鹪O防烈度指的是按國家規(guī)定的權(quán)限批準作為一個地區(qū)抗震設防依據(jù)的地震烈度，其中北京市、上海市、廣州市作為3個人口密集型產(chǎn)業(yè)中心，抗震設防烈度均在6度以上。北京60%以上的區(qū)域甚至達到了8級。建筑機電設備的抗震應用主要包括建筑給排水，供暖通風與空調(diào)，電氣工程、燃氣、消防、弱電等各類型管道及設備，主要的抗震措施為抗震支吊架?？拐鹬Ъ茉跇?gòu)成上大致由加固的吊桿、抗震的斜撐、描固體和抗震所需的連接構(gòu)件組成?？拐鹬Ъ苤饕抢玫卣鹆ψ鳛橹饕拐鸬木S持系統(tǒng)，當遭遇較強震度的地震時，可有效地將機電管線及設備承受的橫向力與縱向力，盡快傳遞到構(gòu)筑物上，使其在震中能不影響系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，在震后能盡快恢復建筑機電管線功能。臨港某科技創(chuàng)新城A0202地塊項目位于上海市浦東新區(qū)滴水湖畔。整個項目以辦公研發(fā)中心為主，包含一些配套的商業(yè)餐飲設施，并設置輔助的會議展示及多功能空間。其中，地下室面積達4萬m2，頂部機電管線錯綜復雜，施工難度較大。作為抗震設計的關(guān)鍵區(qū)域，地下室的綜合管道在設計及施工中使用了抗震支架。
2機電抗震設計的方案確認
機電抗震設計的技術(shù)核心應根據(jù)設防烈度、建筑使用功能、房屋高度、結(jié)構(gòu)類型和變形特征、附屬設備所處的位置和運轉(zhuǎn)要求等，按國家標準和行業(yè)協(xié)會要求，經(jīng)綜合分析后確定。機電抗震設計作為一項技術(shù)嚴謹?shù)南到y(tǒng)性過程，每個項目都具有其獨特性，設計方案不可一味照搬照抄。機電抗震需要經(jīng)過精細化的計算。結(jié)合現(xiàn)場實際管線布置，并配套廠家的成熟產(chǎn)品，為機電系統(tǒng)提供切實有效的抗震保護效果。目前在抗震支架的選用上，普遍采用裝配式綜合支吊架（下文簡稱“裝配式支吊架”）。盡管規(guī)范并未強調(diào)抗震支架必須采用裝配式支吊架，但現(xiàn)在市場上大部分項目的抗震支架采用裝配式支吊架。采用裝配式支吊架大幅簡化了前期的深化設計和后期的施工。通?？拐鹬У跫艿陌惭b通常分為4個步驟，即抗震支吊架點位的確認→抗震支吊架的選型計算→抗震支吊架的現(xiàn)場安裝→現(xiàn)場驗收。建筑機電工程設施抗震設計應以建筑結(jié)構(gòu)設計為基準，一般不會高于建筑結(jié)構(gòu)的抗震設計級別。機電管線類別數(shù)量繁多，尺寸大小不一，并非所有的機電管線均需要安裝抗震支吊架。根據(jù)GB50981—2014，通常需要做抗震支吊架的管線主要有4類。（1）懸吊管道中重力＞1.8KN的設備（通俗說法為大約180kg的承重）。（2）DN65以上的生活給水、消防管道系統(tǒng)（水管）。（3）矩形截面積≥0.38m2和圓形直徑≥0.7m的風管系統(tǒng)。（4）內(nèi)徑≥60mm的電氣配管及重力≥150N/m的電纜橋架、電纜槽盒、母線槽。抗震支吊架四部分之一的抗震斜撐，通常采用C型鋼，型鋼鋼材力學性能如表1所示。在臨港某科技創(chuàng)新城項目中，以地下室主通道的綜合管線進行的抗震設計，對于抗震支吊架的點位，須嚴格按照規(guī)范要求的范圍內(nèi)，結(jié)合現(xiàn)場實際情況進行點位布置，水、暖、電3專業(yè)的圖紙均需要布點。對地下室暖通防排煙風管和地下室空調(diào)水管道進行抗震支吊架布點深化設計。為有效結(jié)合抗震設計的功能性、節(jié)能性、美觀性原則，對管道進行單項抗震和雙向抗震支架交替布置，間距基本一致，同時滿足規(guī)范的最大布置間距要求。本項目地下室暖通防排煙風管布點如圖1所示。在抗震支吊架的型鋼的選用上，受力較大的為支撐形式型鋼，以本項目最大的綜合管組為例（總重約800kg的冷凍水供回水管組）進行力學計算選型。在8KN（約816kg）的集中力作用下，通過表1的型鋼鋼材力學性能表，按簡支梁計算公式，得出對應型鋼的不同跨距的撓度表，如表2所示。根據(jù)選型表，可以直觀地對現(xiàn)場的大管道進行抗震支吊架型鋼規(guī)格的匹配，如DN300以上的冷凍水供回水管道，應采用尺寸41mm×41mm規(guī)格及以上的雙拼槽鋼最為合適。抗震支吊架四部分之一的吊桿，采用圖集03S402《室內(nèi)管道支架及吊架》規(guī)定，進行吊桿凈面積An按式（2）計算。An≥1.5N/（0.85F）（2）式中：An——吊桿凈截面面積，mm2；N——吊桿拉力設計值，N；F——鋼材強度設計值，N/mm。吊桿最大使用荷載如表3所示。根據(jù)不同拉力允許值，對應配置不同直徑的吊桿，大直徑吊桿可以覆蓋小直徑吊桿，確保吊桿管材在拉力允許范圍內(nèi)進行最佳經(jīng)濟性選型。抗震支吊架的錨固件通常采用具有機械鎖鍵效應的后擴底錨栓，不同于膨脹螺栓通過擠壓產(chǎn)生摩擦力的方式來固定，后擴底錨栓允許有光面螺桿，利用機械鎖鍵力進行受力，其具有極強的錨固效果，適用于對安全系數(shù)要求高的場合。對于抗震支吊架而言，在承重支吊架或托架在地震作用下松脫滑落的情況下，其務必保證與結(jié)構(gòu)體的可靠連接，同時還需要將地震作用力盡快傳遞到構(gòu)筑物上，故后擴底錨栓是最佳的錨固件選擇。另外還需注意的是，錨入基材混凝土強度不得＜C15，本項目臨港科技創(chuàng)新城主體結(jié)構(gòu)的混凝土強度均≥C40。抗震支吊架所需的連接構(gòu)件，因廠家不同，連接構(gòu)件的差異較大，具體可根據(jù)不同廠家的選型表進行匹配選型。
3現(xiàn)場施工要點
本項目機電系統(tǒng)繁多，管線錯綜復雜。作為抗震設計重點區(qū)域的地下室，面積達4萬m2，特別是主車道上方的管線，抗震支吊架施工難度較大。對圖紙進行深化設計之后，將成套支吊架運抵現(xiàn)場安裝，需要注意的是抗震支吊架的施工需在原支架和管線安裝完成后進行，本項目現(xiàn)場抗震支吊架由以下4類管線組成。①管道支撐（給排水、消防管道）。②電纜橋架支撐（電纜線盒、母線槽）。③矩形風管支撐（空調(diào)送排風、防排煙管道）。④組合式支架（適用于多種類型管道組合）。給排水管道的抗震支吊架如圖2所示。按形式，抗震支吊架分為側(cè)向抗震支吊架與縱向抗震支吊架2類。確保管線在各個方向上的抗震性能穩(wěn)定、可靠。管道組的縱向抗震支吊架如圖3所示，上下兩排管道的抗震支吊架角度一致，排列整齊，錯落有致，不影響原有管道承重支架的設置，在滿足規(guī)范要求的同時，兼顧了機電管線的美觀度。本項目地下室主通道及各類型機房是抗震支架應用最為廣泛的區(qū)域。對于臨港科技創(chuàng)新城項目管線密集復雜的地下室，其抗震支吊架的現(xiàn)場施工過程中，貫徹落實了如下幾點要求。（1）所有的抗震支吊架均應在管道支撐（承重）支架安裝完成后進行，抗震支吊架不得作為支撐支架。（2）抗震支吊架必須和現(xiàn)場主體結(jié)構(gòu)可靠連接。當管道穿越建筑沉降縫時應考慮不均勻沉降的影響，預留一定的伸縮余量，確保管線在地震作用下，建筑物出現(xiàn)沉降時不會斷裂損壞。（3）側(cè)向、縱向抗震支撐的斜撐安裝應避開支撐支架，垂直角度應≥30°，且≤90°，宜采用45°。連接立管的水平管道應在靠近立管0.6m范圍內(nèi)。
4結(jié)語
上海臨港某科技創(chuàng)新城項目大量采用抗震設計，其中主要在機電安裝方面進行設計，并安裝了大面積的抗震支吊架。根據(jù)本項目的抗震支吊架使用經(jīng)驗來，抗震支吊架必須在前期進行較為詳細的圖紙深化設計，同時對現(xiàn)場已完成的支撐（承重）支架和管道進行考察丈量，避開支撐（承重）支架位置，因為繁雜密集的管線會給現(xiàn)場施工帶來一定的難度。抗震支吊架采用大量成品連接件和型鋼，除部分異型支撐外，均采用成品現(xiàn)場加工制作及安裝。如此又給施工帶來了便利，大幅縮短了施工工期?？拐鹬У跫苡腥缦绿攸c。（1）抗震支吊架的應用越來越廣泛，從商用建筑逐步向民用住宅的推進，進一步保障人民的生命財產(chǎn)安全。（2）一體化趨勢。深化圖紙、設計相配套的軟件包括報價軟件、力學計算軟件、繪圖軟件等，其采購、設計、施工一體化服務或成趨勢。（3）抗震連接件其連接的模式多元化。采用圓球式可萬向轉(zhuǎn)連接方式、去外螺桿連接方式，盡可能采用圓管來支撐，普通支架參與加裝抗震連接件等。
作者:朱立偉 單位:上海建工七建集團有限公司
