建筑給水直管段抗震支吊架間距計算分析

黎仕國

（廣州設(shè)計院集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510620）

0 前言

機(jī)電抗震支架是一種能把機(jī)電設(shè)施的地震作用荷載傳遞至承載結(jié)構(gòu)上的組件或裝置成品。機(jī)電抗震支架能夠限制在地震作用下附屬機(jī)電設(shè)施的位移，能夠控制機(jī)電設(shè)施的振動幅度?？拐鹬У跫艿脑O(shè)計流程如下：分析土建圖紙→依據(jù)抗震規(guī)范選取抗震需求管線→確定間距，布置抗震支吊架→繪制節(jié)點(diǎn)、構(gòu)造詳圖→荷載校核、編支吊架力學(xué)計算書。其中第一步和第二步一般屬于設(shè)計院的工作內(nèi)容；第三步設(shè)計院圖紙一般采用通用節(jié)點(diǎn)大樣圖，實施前由成品抗震支吊架廠家深化；第五步則一般由中標(biāo)成品抗震支吊架廠家出具。

1 分析計算過程

為了確定抗震支架的間距，需要按《建筑機(jī)電工程抗震設(shè)計規(guī)范》中，水平管線抗震支吊架計算間距公式計算取得，計算間距公式見式（1）：

式中：l-水平管線抗震支吊架的計算間距，m；lo-水平管線抗震支吊架的間距基準(zhǔn)值，m；k-抗震支吊架斜撐角度的調(diào)整系數(shù)；αEK-水平地震力綜合系數(shù)。

以下對式（1）中的參數(shù)進(jìn)行逐個分析：

1.1 lo水平管線抗震支吊架的間距基準(zhǔn)值分析

給水管道包括生活冷水給水管道、熱水給水管道和消防給水管道?？拐鹬У跫艿拈g距基準(zhǔn)值分成以下四種情況：①對于新建工程剛性連接的金屬管，側(cè)向支架基準(zhǔn)值為12m，縱向支架為24m；②對于新建工程柔性連接的金屬管，側(cè)向支架基準(zhǔn)值為6m，縱向支架為12m；③對于改建工程剛性連接的金屬管，側(cè)向支架基準(zhǔn)值為6m，縱向支架為12m；④對于改建工程柔性連接的金屬管，側(cè)向支架基準(zhǔn)值為3m，縱向支架為6m。

可以看出，任何工況下，縱向支架的基準(zhǔn)值均為側(cè)向支架的2倍，這給抗震支架的計算和布置帶來了極大的方便。故計算間距時，只需要計算側(cè)向支架即可。布置抗震支架時，只需要按側(cè)向支架的間距進(jìn)行布置，然后按間隔把側(cè)向支架替換為縱向支架即可。

1.2 k斜撐角度的調(diào)整系數(shù)的分析

斜撐角度的調(diào)整系數(shù)是一個與抗震支吊架斜撐角度相關(guān)的調(diào)整系數(shù)?？拐鹬У跫苄睋谓嵌戎缚拐鹦睋螚U與承重垂直吊桿的夾角θ，在規(guī)范中表述為斜桿垂直長度與水平長度之比。為便于理解，已列出如表1所示所對照表。

從表1可以看出，當(dāng)斜撐桿與垂直吊桿的夾角θ越小，即斜撐桿越接近垂直的時候，斜撐角度的調(diào)整系數(shù)k值越大，則抗震支吊架的計算間距l(xiāng)則越小。這是因為根據(jù)力學(xué)特性，斜撐桿越接近垂直，當(dāng)其承受相同軸向應(yīng)力時，水平分量更小，故需要設(shè)置更多的斜撐桿。規(guī)范同時要求側(cè)向、縱向抗震支架的斜撐安裝，垂直角度θ宜為45°，且不得小于30°。當(dāng)垂直角度θ為30°時，斜桿垂直長度與水平長度之比為1.732，斜撐角度調(diào)整系數(shù)k值用內(nèi)插法得到為1.976。即斜撐角度調(diào)整系數(shù)k值即宜為1，且不得大于1.976。

表1 斜撐角度的調(diào)整系數(shù)對照

1.3 αEK水平地震力綜合系數(shù)分析

當(dāng)水平地震力綜合系數(shù)αEK≤1.0時，按1.0取。當(dāng)αEK＞1.0時，按計算值。αEK的計算公式見式（2）：

式中：γ-功能系數(shù)；η-類別系數(shù)；ζ1-狀態(tài)系數(shù)；ζ2-位置系數(shù)；αmax-地震影響系數(shù)最大值。

以下對式（2）中的參數(shù)進(jìn)行逐個分析。

1.3.1 γ（功能系數(shù)）及η（類別系數(shù)）分析

首先把給水分層消防與非消防給水管兩類，然后按表2進(jìn)行選擇。

表2 功能系數(shù)γ和類別系數(shù)η

表2中的甲類建筑、乙類建筑及丙類建筑的分類，屬于按建筑物使用功能重要性的分類。具體可以詳《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)（GB 50223—2008）》。工程設(shè)計時，可以按結(jié)構(gòu)專業(yè)提資為準(zhǔn)。

1.3.2 ζ1（狀態(tài)系數(shù)）分析

按照規(guī)范中的說法，狀態(tài)系數(shù)ζ1當(dāng)支承點(diǎn)低于管道質(zhì)心時，宜取2.0；其余情況取1.0。故當(dāng)采用支架時，支承點(diǎn)均位于管道上方，故取1.0；但應(yīng)注意當(dāng)采用支撐托架時，支承點(diǎn)均位于管道下方，此時宜取2.0。

1.3.3 ζ2（位置系數(shù)）分析

當(dāng)管道位于建筑物的頂點(diǎn)時，宜取2.0；當(dāng)管道位于建筑物的底部時，宜取1.0。當(dāng)管道位于建筑物中部時，位置系數(shù)ζ2值用線型內(nèi)插值就得。注意此處建筑物底部指首層，而地下室均取1.0。按可見，同一類管道位于不同樓層時，其位置系數(shù)是不一樣的，也就說明不同樓層的抗震支架的間距將有可能不同。

1.3.4 αmax（地震影響系數(shù)最大值）分析

地震影響系數(shù)αmax值按多遇地震，并按抗震設(shè)防烈度及不同的設(shè)計基本地震加速度值進(jìn)行選取?？拐鹪O(shè)防及設(shè)計基本地震加速度值詳《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50011—2010）》（2016年版）。工程設(shè)計時，可以按結(jié)構(gòu)專業(yè)提資為準(zhǔn)。地震影響系數(shù)最大值αmax見表3。

表3 地震影響系數(shù)最大值αmax

2 布置抗震支吊架方式對間距的影響

抗震支架進(jìn)行手工排布時，可以采取兩種方式——終點(diǎn)不等間距布置法以及全程等間距布置法。以上兩種方法將對抗震支吊架的最終間距產(chǎn)生影響，以下進(jìn)行分析。

（1）終點(diǎn)不等間距布置法的布置原理如下。根據(jù)式（1）求得計算間距l(xiāng)，從直管道的起點(diǎn)段（距離端點(diǎn)不大于600mm）開始布置第一個支架，然后按計算間距l(xiāng)布置后續(xù)支架，當(dāng)支架距終點(diǎn)端點(diǎn)不大于600mm時，布置結(jié)束；支架距終點(diǎn)端點(diǎn)大于600mm時，隨后再布置最后一個支架，布置結(jié)束。但也可適量減少倒數(shù)第二個支架與倒數(shù)第三個支架的間距。這種布置方法特點(diǎn)是除最后兩個支架間距外，直管段的支架間距均等于計算間距l(xiāng)。對于手工繪圖布置來講，終點(diǎn)不等間距布置法具有過程簡單、速度快的優(yōu)點(diǎn)。

（2）全程等間距布置法的布置原理如下。測量需布置抗震支架的管道的直線長度，然后除以計算間距l(xiāng)，得出支架數(shù)No；No一般為帶小數(shù)的實數(shù)，No往上取為整數(shù)后得N，用管道直線長度除以N，得到抗震支吊架的實際間距l(xiāng)s，然后在直管道上按實際間距l(xiāng)s依次均勻布置支架。這種布置方法特點(diǎn)是直管段上的支架間距均相等，并且實際間距小于計算間距l(xiāng)。但對于手工繪圖布置來講，等間距布置法的布置過程稍復(fù)雜、繪圖速度較終點(diǎn)不等間距布置法慢。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)上述對影響水平地震力綜合系數(shù)αEK的各參數(shù)分析，可知得出以下結(jié)論：

①當(dāng)抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度級及以下時，αEK的計算值均小于1.0，故αEK取1.0即可，無須再計算；

②當(dāng)抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度（0.30g）及以下時，只要不采用支撐托架（只采用吊架），αEK的計算值均小于1.0，故αEK取1.0即可，無須再計算；

③當(dāng)抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度（0.20g）及以下時，只要不是甲類建筑的消防管道，αEK的計算值均小于1.0，故αEK取1.0即可，無須再計算；

④當(dāng)抗震設(shè)防烈度為Ⅸ度級以下時，只要不是甲類建筑的消防管道，并不采用支撐托架（只采用吊架），αEK的計算值均小于1.0，故αEK取1.0即可，無須再計算。

（2）對水平管線抗震支吊架的計算間距l(xiāng)的計算式可知，當(dāng)αEK的取值等于1時，有且只有當(dāng)斜撐角度的調(diào)整系數(shù)k值等于1時，l才等于lo。此時斜撐角度指抗震斜撐桿與承重垂直吊桿的夾角θ只能為45°。但由于施工現(xiàn)場管線眾多，安裝條件復(fù)雜，難以絕對保證現(xiàn)場斜撐安裝夾角θ為45°。為了便于現(xiàn)場按實際情況調(diào)整夾角θ，減少后期施工深化時的抗震支架數(shù)量變更，建議布置抗震支架時采用全程等間距布置法，該方法布置的支架實際間距小于計算間距l(xiāng)，為現(xiàn)場調(diào)整夾角θ提供一定的裕度。