机电抗震设计在科技新创项目中应用

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摘要：地震是自然灾害之一，具有突发性和不可预测性。我国是全世界地震活动最活跃、地震灾害影响最大的国家之一，有近30%的区域、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区。因此，建筑物的抗震要求显得尤为重要，通常建筑抗震由3部分构成，即建筑结构抗震、建筑非结构构件抗震、建筑机电设备抗震。通过项目实例，展望建筑机电设备抗震的应用和前景。

关键词：抗震支架；大型管道；建筑抗震

1概述

根据GB50981—2014《建筑机电工程抗震设计规范》，抗震设防烈度≥6度地区的建筑机电工程必须进行抗震设计。抗震设防烈度指的是按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度，其中北京市、上海市、广州市作为3个人口密集型产业中心，抗震设防烈度均在6度以上。北京60%以上的区域甚至达到了8级。建筑机电设备的抗震应用主要包括建筑给排水，供暖通风与空调，电气工程、燃气、消防、弱电等各类型管道及设备，主要的抗震措施为抗震支吊架。抗震支架在构成上大致由加固的吊杆、抗震的斜撑、描固体和抗震所需的连接构件组成。抗震支架主要是利用地震力作为主要抗震的维持系统，当遭遇较强震度的地震时，可有效地将机电管线及设备承受的横向力与纵向力，尽快传递到构筑物上，使其在震中能不影响系统运转，在震后能尽快恢复建筑机电管线功能。临港某科技创新城A0202地块项目位于上海市浦东新区滴水湖畔。整个项目以办公研发中心为主，包含一些配套的商业餐饮设施，并设置辅助的会议展示及多功能空间。其中，地下室面积达4万m2，顶部机电管线错综复杂，施工难度较大。作为抗震设计的关键区域，地下室的综合管道在设计及施工中使用了抗震支架。

2机电抗震设计的方案确认

机电抗震设计的技术核心应根据设防烈度、建筑使用功能、房屋高度、结构类型和变形特征、附属设备所处的位置和运转要求等，按国家标准和行业协会要求，经综合分析后确定。机电抗震设计作为一项技术严谨的系统性过程，每个项目都具有其独特性，设计方案不可一味照搬照抄。机电抗震需要经过精细化的计算。结合现场实际管线布置，并配套厂家的成熟产品，为机电系统提供切实有效的抗震保护效果。目前在抗震支架的选用上，普遍采用装配式综合支吊架（下文简称“装配式支吊架”）。尽管规范并未强调抗震支架必须采用装配式支吊架，但现在市场上大部分项目的抗震支架采用装配式支吊架。采用装配式支吊架大幅简化了前期的深化设计和后期的施工。通常抗震支吊架的安装通常分为4个步骤，即抗震支吊架点位的确认→抗震支吊架的选型计算→抗震支吊架的现场安装→现场验收。建筑机电工程设施抗震设计应以建筑结构设计为基准，一般不会高于建筑结构的抗震设计级别。机电管线类别数量繁多，尺寸大小不一，并非所有的机电管线均需要安装抗震支吊架。根据GB50981—2014，通常需要做抗震支吊架的管线主要有4类。（1）悬吊管道中重力＞1.8KN的设备（通俗说法为大约180kg的承重）。（2）DN65以上的生活给水、消防管道系统（水管）。（3）矩形截面积≥0.38m2和圆形直径≥0.7m的风管系统。（4）内径≥60mm的电气配管及重力≥150N/m的电缆桥架、电缆槽盒、母线槽。抗震支吊架四部分之一的抗震斜撑，通常采用C型钢，型钢钢材力学性能如表1所示。在临港某科技创新城项目中，以地下室主通道的综合管线进行的抗震设计，对于抗震支吊架的点位，须严格按照规范要求的范围内，结合现场实际情况进行点位布置，水、暖、电3专业的图纸均需要布点。对地下室暖通防排烟风管和地下室空调水管道进行抗震支吊架布点深化设计。为有效结合抗震设计的功能性、节能性、美观性原则，对管道进行单项抗震和双向抗震支架交替布置，间距基本一致，同时满足规范的最大布置间距要求。本项目地下室暖通防排烟风管布点如图1所示。在抗震支吊架的型钢的选用上，受力较大的为支撑形式型钢，以本项目最大的综合管组为例（总重约800kg的冷冻水供回水管组）进行力学计算选型。在8KN（约816kg）的集中力作用下，通过表1的型钢钢材力学性能表，按简支梁计算公式，得出对应型钢的不同跨距的挠度表，如表2所示。根据选型表，可以直观地对现场的大管道进行抗震支吊架型钢规格的匹配，如DN300以上的冷冻水供回水管道，应采用尺寸41mm×41mm规格及以上的双拼槽钢最为合适。抗震支吊架四部分之一的吊杆，采用图集03S402《室内管道支架及吊架》规定，进行吊杆净面积An按式（2）计算。An≥1.5N/（0.85F）（2）式中：An——吊杆净截面面积，mm2；N——吊杆拉力设计值，N；F——钢材强度设计值，N/mm。吊杆最大使用荷载如表3所示。根据不同拉力允许值，对应配置不同直径的吊杆，大直径吊杆可以覆盖小直径吊杆，确保吊杆管材在拉力允许范围内进行最佳经济性选型。抗震支吊架的锚固件通常采用具有机械锁键效应的后扩底锚栓，不同于膨胀螺栓通过挤压产生摩擦力的方式来固定，后扩底锚栓允许有光面螺杆，利用机械锁键力进行受力，其具有极强的锚固效果，适用于对安全系数要求高的场合。对于抗震支吊架而言，在承重支吊架或托架在地震作用下松脱滑落的情况下，其务必保证与结构体的可靠连接，同时还需要将地震作用力尽快传递到构筑物上，故后扩底锚栓是最佳的锚固件选择。另外还需注意的是，锚入基材混凝土强度不得＜C15，本项目临港科技创新城主体结构的混凝土强度均≥C40。抗震支吊架所需的连接构件，因厂家不同，连接构件的差异较大，具体可根据不同厂家的选型表进行匹配选型。

3现场施工要点

本项目机电系统繁多，管线错综复杂。作为抗震设计重点区域的地下室，面积达4万m2，特别是主车道上方的管线，抗震支吊架施工难度较大。对图纸进行深化设计之后，将成套支吊架运抵现场安装，需要注意的是抗震支吊架的施工需在原支架和管线安装完成后进行，本项目现场抗震支吊架由以下4类管线组成。①管道支撑（给排水、消防管道）。②电缆桥架支撑（电缆线盒、母线槽）。③矩形风管支撑（空调送排风、防排烟管道）。④组合式支架（适用于多种类型管道组合）。给排水管道的抗震支吊架如图2所示。按形式，抗震支吊架分为侧向抗震支吊架与纵向抗震支吊架2类。确保管线在各个方向上的抗震性能稳定、可靠。管道组的纵向抗震支吊架如图3所示，上下两排管道的抗震支吊架角度一致，排列整齐，错落有致，不影响原有管道承重支架的设置，在满足规范要求的同时，兼顾了机电管线的美观度。本项目地下室主通道及各类型机房是抗震支架应用最为广泛的区域。对于临港科技创新城项目管线密集复杂的地下室，其抗震支吊架的现场施工过程中，贯彻落实了如下几点要求。（1）所有的抗震支吊架均应在管道支撑（承重）支架安装完成后进行，抗震支吊架不得作为支撑支架。（2）抗震支吊架必须和现场主体结构可靠连接。当管道穿越建筑沉降缝时应考虑不均匀沉降的影响，预留一定的伸缩余量，确保管线在地震作用下，建筑物出现沉降时不会断裂损坏。（3）侧向、纵向抗震支撑的斜撑安装应避开支撑支架，垂直角度应≥30°，且≤90°，宜采用45°。连接立管的水平管道应在靠近立管0.6m范围内。

4结语

上海临港某科技创新城项目大量采用抗震设计，其中主要在机电安装方面进行设计，并安装了大面积的抗震支吊架。根据本项目的抗震支吊架使用经验来，抗震支吊架必须在前期进行较为详细的图纸深化设计，同时对现场已完成的支撑（承重）支架和管道进行考察丈量，避开支撑（承重）支架位置，因为繁杂密集的管线会给现场施工带来一定的难度。抗震支吊架采用大量成品连接件和型钢，除部分异型支撑外，均采用成品现场加工制作及安装。如此又给施工带来了便利，大幅缩短了施工工期。抗震支吊架有如下特点。（1）抗震支吊架的应用越来越广泛，从商用建筑逐步向民用住宅的推进，进一步保障人民的生命财产安全。（2）一体化趋势。深化图纸、设计相配套的软件包括报价软件、力学计算软件、绘图软件等，其采购、设计、施工一体化服务或成趋势。（3）抗震连接件其连接的模式多元化。采用圆球式可万向转连接方式、去外螺杆连接方式，尽可能采用圆管来支撑，普通支架参与加装抗震连接件等。

作者:朱立伟 单位:上海建工七建集团有限公司