管架結(jié)構(gòu)的抗震性能研究與探討

陸景慧 高明旭 孫蕾 井帥 錢睿

(北京市煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院有限公司 100032)

引言

管架作為管道的支承結(jié)構(gòu)， 廣泛應(yīng)用于工業(yè)管道、 市政管道、 建筑機(jī)電設(shè)備管道等各類管道工程中[1]。 其中既有重要的生命線管道(如自來水)， 也有易引發(fā)嚴(yán)重次生災(zāi)害的燃?xì)狻?化工等管道， 管架結(jié)構(gòu)的抗震性能至關(guān)重要。

雖然管架應(yīng)用于不同行業(yè)， 具有不同的使用功能， 結(jié)構(gòu)形式也多種多樣， 但是在管架結(jié)構(gòu)的抗震特性等方面， 存在著很多共性。 本文將針對(duì)幾種不同的管架類型， 進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能的研究與探討， 并提出幾點(diǎn)體會(huì)與建議， 希望可以為管架的抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 相關(guān)現(xiàn)行規(guī)范及適用性分析

目前與管道抗震設(shè)計(jì)相關(guān)的國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范，主要有《室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50032 -2003)[2]、 《油氣輸送管道線路工程抗震技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50470 -2017)[3]、《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50191 -2012)[4]、《化工工程管架、 管墩設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 51019 -2014)[5]、 《建筑機(jī)電工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50981 -2014)[6]、 《非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ 339 -2015)[7]等。 其中與管架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)密切相關(guān)的主要有《室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》、 《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、《化工工程管架、 管墩設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑機(jī)電工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》等。

根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》、 《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、 《化工工程管架、 管墩設(shè)計(jì)規(guī)范》， 依靠管道正常運(yùn)行工況下的管架體系， 在充分考慮地震作用組合前提下， 一般無需另外增設(shè)其他抗震管架。

根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑機(jī)電工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》， 抗震管架是與管道正常運(yùn)行無關(guān)的獨(dú)立設(shè)置的一套管架系統(tǒng)， 不承擔(dān)管道重力， 不具有固定或限位功能。 組成抗震管架的所有構(gòu)件應(yīng)采用成品構(gòu)件。 該規(guī)范同時(shí)直接給出了沿管線側(cè)向及縱向抗震管架間距的計(jì)算公式和最大間距限值。

根據(jù)大量的震害調(diào)查分析， 與一般建(構(gòu))筑物相比， 整體連接的鋼制管道， 其震害要明顯小于相同場(chǎng)地的建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)。 這主要是由于整體連接的管道屬于勻質(zhì)連續(xù)的線形結(jié)構(gòu)， 材料強(qiáng)度高、 連接可靠、 材料一致性好， 具有良好的延展性， 能夠吸收較大的彎曲與軸向變形， 其抗震性能明顯好于一般建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)。

同樣根據(jù)震害調(diào)查分析， 管道采用架空敷設(shè)時(shí)， 其震害也會(huì)明顯小于地下直埋敷設(shè)。 這主要是由于與地下直埋敷設(shè)管道相比， 架空敷設(shè)管道無論是在運(yùn)行工況還是在地震工況下， 其所處的工作環(huán)境都要相對(duì)寬松許多， 管道有充分的自由變形空間與條件。 在地震發(fā)生時(shí)， 露天場(chǎng)所本身就屬于人類的安全避難區(qū)域， 對(duì)于架空管道來講同樣如此。 大量的震害調(diào)查與分析表明， 除非發(fā)生相鄰建(構(gòu))筑物倒塌砸壞管道、 管架結(jié)構(gòu)倒塌或者管道從管架上掉落下來， 鮮有管道發(fā)生破壞的實(shí)例。

多年來的工程實(shí)踐充分證明， 根據(jù)具體工程的管道布置及運(yùn)行條件， 按管道正常運(yùn)行工況所確定的管架體系， 在充分考慮地震作用前提下，一般無需設(shè)置其他抗震管架， 即可充分滿足管道及其管架結(jié)構(gòu)的抗震安全需要。 管架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)的地震作用、 抗震驗(yàn)算、 抗震構(gòu)造等， 應(yīng)符合現(xiàn)行《室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》、 《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、 《化工工程管架、 管墩設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定。

2 管架分類及常見結(jié)構(gòu)形式

2.1 管架分類

管架按使用功能可分為固定管架、 導(dǎo)向管架(或稱為側(cè)向限位管架， 下同)和活動(dòng)管架三種類型。 其中固定管架作為管道的固定點(diǎn)， 管架與管道之間不允許發(fā)生各方向相對(duì)位移(包括縱向、側(cè)向和豎向位移)； 導(dǎo)向管架一般僅限制管道的側(cè)向位移； 活動(dòng)管架不限制管道變形， 允許管道與管架之間發(fā)生熱位移。

2.2 常見結(jié)構(gòu)形式

管架結(jié)構(gòu)形式需根據(jù)管架的使用功能、 結(jié)構(gòu)支承條件、 管道荷載等因素確定， 常見的結(jié)構(gòu)形式主要有以下幾種:

1. 植根于地面、 管廊底板或建(構(gòu))筑物主體結(jié)構(gòu)上的落地管架， 適用于各類管架。 如圖1 所示。

2. 位于管廊或建(構(gòu))筑物內(nèi)， 管架主要構(gòu)件兩端與主體結(jié)構(gòu)(或地面)均有可靠連接， 適用于各類管架。 如圖2 所示。

3. 植根于建(構(gòu))筑物或管廊側(cè)墻(或柱)上的挑出式管架， 適用于各類管架。 如圖3 所示。

4. 植根于建(構(gòu))筑物樓板或管廊頂板底面的懸掛式管架， 適用于各類管架。 如圖4 所示。

5. 在實(shí)際工程中， 受到特定工程條件制約或根據(jù)工藝設(shè)計(jì)需要， 有時(shí)會(huì)采用搖擺式管架， 即管架承重桿件一端與建(構(gòu))筑物主體結(jié)構(gòu)(或地面)之間的連接以及另一端與管道之間的連接均為鉸接， 管架可隨管道同步搖擺， 此類管架僅適用于活動(dòng)管架[8]。 如圖5 所示。

圖1 落地管架Fig.1 Landing support(pier)

圖2 立柱兩端有可靠連接的管架Fig.2 Supports with reliable connections at both ends of the column

圖3 懸挑管架Fig.3 Cantilever bracket

圖4 懸掛式管架Fig.4 Hanging bracket

圖5 搖擺式管架Fig.5 Swing hanger

3 管架抗震計(jì)算單元的確定

由于管道種類繁多， 難以一概而論。 考慮到在常用的各類管道中， 熱力管道輸送介質(zhì)溫度較高、 壓力較大， 工藝設(shè)計(jì)較為復(fù)雜， 在技術(shù)研究角度上具有較好的代表性， 本節(jié)內(nèi)容將主要以架空熱力管道為例進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》、 《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、 《化工工程管架、 管墩設(shè)計(jì)規(guī)范》， 為便于分析計(jì)算， 一般將相鄰兩個(gè)補(bǔ)償器或自然補(bǔ)償彎頭之間的一段架空管道(含各類管件、 設(shè)備)， 劃分為一個(gè)管道抗震計(jì)算單元(以下簡(jiǎn)稱“計(jì)算單元”)， 進(jìn)行管道及其管架結(jié)構(gòu)的抗震分析。

根據(jù)正常運(yùn)行工況下計(jì)算單元內(nèi)管道與設(shè)備的不同布置， 計(jì)算單元主要有以下幾種常見類型:

1. 計(jì)算單元兩端為自然補(bǔ)償彎頭、 直管段較短的“Z”型管道布置， 如圖6 所示。 此類計(jì)算單元最為簡(jiǎn)單， 可僅設(shè)置活動(dòng)管架。

圖6 “Z”型管道布置Fig.6 “Z” type pipe layout

2. 計(jì)算單元兩端均為“π”型補(bǔ)償器、 直管段較長(zhǎng)的管道布置， 如圖7 所示。 計(jì)算單元內(nèi)設(shè)置一處固定管架及若干活動(dòng)管架。

圖7 “π”型管道布置Fig.7 “π” type piping arrangement

3. 計(jì)算單元兩端采用波紋管補(bǔ)償器或套筒補(bǔ)償器的管道布置， 如圖8 所示。 計(jì)算單元內(nèi)除設(shè)置一處固定管架及若干活動(dòng)管架外， 根據(jù)工藝設(shè)計(jì)要求， 在補(bǔ)償器附近需設(shè)置導(dǎo)向管架， 保證補(bǔ)償器沿管道軸向位移或伸縮變形， 并防止波紋管補(bǔ)償器側(cè)向失穩(wěn)。

圖8 兩端采用波紋管補(bǔ)償器的管道布置Fig.8 Pipeline system with ripple compensator at both ends

4. 計(jì)算單元內(nèi)采用波紋管補(bǔ)償器或套筒補(bǔ)償器并設(shè)有管道切斷閥門的管道布置， 如圖9 所示。 計(jì)算單元內(nèi)設(shè)置有一處固定管架、 若干導(dǎo)向管架及活動(dòng)管架。

圖9 帶有管道切斷閥門的管道布置Fig.9 Piping system with pipe cut-off valve

5. 計(jì)算單元內(nèi)設(shè)有管道分支的管道布置， 如圖10 所示。 分支附近往往會(huì)設(shè)置固定管架以保護(hù)三通安全性， 計(jì)算單元內(nèi)其他管架仍常規(guī)布置。

圖10 帶有管道分支的管道布置Fig.10 Pipeline system with pipeline branches

4 管架結(jié)構(gòu)抗震

4.1 固定管架

1. 抗震性能要求

固定管架原則上不允許管道發(fā)生各向位移。但是在實(shí)際工程中， 管架結(jié)構(gòu)只有在發(fā)生一定彎曲或拉壓變形后， 才能提供相應(yīng)的位移反彈力(即管架反力)。 所以， 固定管架結(jié)構(gòu)在管道推力作用下， 不可避免會(huì)產(chǎn)生一定量的位移或變形，根據(jù)工藝專業(yè)要求， 熱力管道固定管架一般控制其位于管道中心點(diǎn)的結(jié)構(gòu)變形值不超過30mm。

如圖6 ～圖10 所示， 為確保管道的正常溫度伸縮位移， 在一個(gè)計(jì)算單元內(nèi)只允許設(shè)置一處固定管架， 無需增設(shè)其他縱向抗震管架。 對(duì)于供熱管道， 如縱向抗震管架增設(shè)不當(dāng)， 可能會(huì)威脅到管道的正常運(yùn)行安全。

做為管道縱向抗震的主體結(jié)構(gòu)， 固定管架應(yīng)具有足夠的抗側(cè)移剛度， 嚴(yán)格控制管道的縱向地震位移。

2. 管架結(jié)構(gòu)形式

固定管架結(jié)構(gòu)上的地震組合作用值(含管道運(yùn)行推力及水平地震荷載等， 下同)和管架高度往往會(huì)相差很大， 同時(shí)受到工程條件等多種因素制約， 管架結(jié)構(gòu)形式多種多樣。

實(shí)際工程中， 當(dāng)固定管架結(jié)構(gòu)上的地震組合作用值較大時(shí)， 固定管架多采用如圖1、 圖2 所示的框(排)架結(jié)構(gòu)形式； 當(dāng)固定管架上的地震組合作用值較小時(shí)， 圖3、 圖4 所示的結(jié)構(gòu)形式也會(huì)經(jīng)常采用。

3. 地震作用

整體連接的鋼制管道在一個(gè)計(jì)算單元內(nèi)沿縱向具有足夠的拉壓穩(wěn)定性及整體性， 當(dāng)?shù)卣饎?dòng)沿管道縱向時(shí)， 受到固定管架約束， 管道與固定管架組成一個(gè)近乎完美的單質(zhì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)體系， 符合底部剪力法進(jìn)行地震驗(yàn)算的結(jié)構(gòu)特征。

根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》、 《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、 《化工工程管架、 管墩設(shè)計(jì)規(guī)范》， 當(dāng)?shù)卣饎?dòng)沿管道縱向時(shí)， 將計(jì)算單元內(nèi)的管道作為一個(gè)整體， 進(jìn)行水平地震作用計(jì)算， 再根據(jù)計(jì)算單元內(nèi)固定管架和全部活動(dòng)管架的水平抗側(cè)移剛度的比值， 將水平地震力分配到每個(gè)管架上； 當(dāng)?shù)卣饎?dòng)沿管道側(cè)向時(shí)， 由于管道的抗彎剛度較小， 通常按每個(gè)固定管架僅承擔(dān)單跨管道的水平地震力進(jìn)行計(jì)算。

4.2 導(dǎo)向管架

1. 抗震性能要求

導(dǎo)向管架與固定管架在功能上的區(qū)別， 主要在于導(dǎo)向管架僅限制管道在特定方向(主要為側(cè)向)的位移， 其在該方向上的抗震性能要求與固定管架基本一致。

2. 管架結(jié)構(gòu)形式

導(dǎo)向管架上的地震組合作用值較為有限， 實(shí)際工程中一般與活動(dòng)管架合并設(shè)置。

3. 地震作用

導(dǎo)向管架結(jié)構(gòu)上的地震作用值， 為地震動(dòng)沿管道側(cè)向時(shí)的管道水平地震力。 每個(gè)導(dǎo)向管架僅承擔(dān)單跨管道的水平地震力， 采用底部剪力法計(jì)算確定。

4.3 活動(dòng)管架

1. 抗震性能要求

(1)活動(dòng)管架的抗震性能主要應(yīng)滿足以下兩點(diǎn)要求: 一是應(yīng)具有足夠的承載能力和可靠的穩(wěn)定性， 保證管架結(jié)構(gòu)在地震組合作用下不破壞、不傾倒； 二是要采取可靠的防脫落措施， 保證管道在地震期間不會(huì)掉下來。

(2)活動(dòng)管架與管道之間允許相對(duì)滑動(dòng)(滾動(dòng))， 使得管架結(jié)構(gòu)對(duì)于其所支承的管道， 具備了一定的減震效能， 從而降低管道的水平地震效應(yīng)。 對(duì)于搖擺式管架， 由于其出色的吸收變形能力， 其對(duì)管道的減震效能更為明顯。 活動(dòng)管架抗震設(shè)計(jì)應(yīng)秉承“抗放結(jié)合、 剛?cè)岵?jì)”的技術(shù)理念， 充分釋放和利用管架結(jié)構(gòu)所具備的減震效能。

2. 管架結(jié)構(gòu)形式

活動(dòng)管架結(jié)構(gòu)形式可以多種多樣， 管架結(jié)構(gòu)選型應(yīng)因地制宜， 注重適用性。 同時(shí)需注意:

(1)在管道平面折點(diǎn)及其影響區(qū)段， 應(yīng)根據(jù)正常運(yùn)行工況下的管道側(cè)向水平位移(應(yīng)根據(jù)管道布置及運(yùn)行條件確定， 并適當(dāng)預(yù)留施工安裝誤差)， 在活動(dòng)管架上為管道預(yù)留足夠的側(cè)向位移條件， 避免活動(dòng)管架功能轉(zhuǎn)換， 變成限位管架。

(2) 在管道豎向翻身位置， 在正常運(yùn)行工況和地震工況下， 管道均有向上移動(dòng)或變形的可能， 此處的活動(dòng)管架建議選用彈簧吊架(屬于一種搖擺式管架)， 避免管架與管道脫離而喪失支承功能的情況。

3. 地震作用

(1)每個(gè)活動(dòng)管架僅承擔(dān)單跨管道的水平地震力。

(2)除搖擺式管架外， 活動(dòng)管架結(jié)構(gòu)與管道之間， 一般采用滑動(dòng)(或滾動(dòng))接觸。 在地震動(dòng)較小時(shí)， 管架與管道同步晃動(dòng)， 結(jié)構(gòu)上的水平地震力為管架結(jié)構(gòu)的位移反彈力， 最不利作用方向?yàn)楣芗芙Y(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的最薄弱截面方向； 當(dāng)?shù)卣饎?dòng)達(dá)到一定程度時(shí)， 管架與管道之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)(或滾動(dòng))， 管架結(jié)構(gòu)上的水平地震作用為接觸面上的摩擦力， 最不利作用方向?yàn)楣芗芙Y(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的最薄弱截面方向； 當(dāng)?shù)卣饎?dòng)進(jìn)一步加大， 直至管架兩側(cè)防止管道脫落的側(cè)擋發(fā)揮作用， 管架結(jié)構(gòu)上的水平地震力， 尚應(yīng)計(jì)入管道施加在管架側(cè)擋上的水平地震作用， 該項(xiàng)作用可采用底部剪力法計(jì)算， 但考慮到管道與管架之間可相對(duì)滑動(dòng)(或滾動(dòng))， 具有一定的減震效能， 在按底部剪力法計(jì)算時(shí)可適當(dāng)折減。

5 意見與建議

1. 依靠管道正常運(yùn)行工況下的管架體系， 在充分考慮地震作用組合前提下， 一般無需另外增設(shè)其他抗震管架， 即可充分滿足管道及其管架結(jié)構(gòu)的抗震安全要求。

2. 為確保管道的正常溫度伸縮位移， 在一個(gè)計(jì)算單元內(nèi)只允許設(shè)置一處固定管架， 并作為管道縱向抗震的主體結(jié)構(gòu)， 無需增設(shè)其他縱向抗震管架。 對(duì)于供熱管道， 如縱向抗震管架增設(shè)不當(dāng)， 可能會(huì)威脅到管道的正常運(yùn)行安全。

3. 活動(dòng)管架抗震設(shè)計(jì)應(yīng)秉承“抗放結(jié)合、 剛?cè)岵?jì)”的技術(shù)理念， 充分釋放和利用管架結(jié)構(gòu)所具備的減震效能。