地鐵上蓋物業(yè)給水排水隔震設(shè)計(jì)探討

吳 欣 ，趙 丹

（1.重慶市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，重慶 401147；2.重慶杰地建筑設(shè)計(jì)有限公司，重慶 401121）

0 引言

隨著時(shí)代發(fā)展，在土地資源緊張、城市功能需求復(fù)雜的大型城市，“以公共交通為導(dǎo)向的發(fā)展模式”的TOD 建筑，逐漸出現(xiàn)在我們眼前。TOD 建筑優(yōu)點(diǎn)明顯，以軌道交通站點(diǎn)為樞紐來(lái)聚集人群，同時(shí)能更為有效地提高城市運(yùn)轉(zhuǎn)效率，緩解交通擁堵等?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著我國(guó)城市軌道發(fā)展的突飛猛進(jìn)、城市更新迭代、會(huì)有越來(lái)越多的TOD 地鐵上蓋物業(yè)出現(xiàn)在現(xiàn)代城市建設(shè)中。因此，針對(duì)TOD 地鐵上蓋物業(yè)給排水管道設(shè)計(jì)進(jìn)行隔振研究有其必要性。

1 水專業(yè)管道隔震設(shè)計(jì)原則

由于隔震層的存在，建筑的上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)完全分離，地震以及地鐵進(jìn)站時(shí)，建筑的上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)之間會(huì)發(fā)生一定距離的水平位移。不做任何有針對(duì)性處理的給排水管道，長(zhǎng)期受到地鐵運(yùn)行帶來(lái)的振動(dòng)影響，管道容易疲勞，對(duì)給排水管道的正常使用造成重大威脅。管道被破壞后，里面的水會(huì)淹沒(méi)隔震層，隔震層內(nèi)的隔震支座的使用壽命會(huì)大大降低，會(huì)加劇隔震建筑的顛覆，帶來(lái)可能造成財(cái)產(chǎn)損失及人員傷亡的巨大隱患。

1.1 各類規(guī)范要求

（1）《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016 年版）》（GB 50011—2010）[1]中規(guī)定，對(duì)于穿過(guò)隔震層的設(shè)備配管配線，應(yīng)采用柔性連接或其他有效措施以適應(yīng)地鐵進(jìn)出站點(diǎn)帶來(lái)的間歇頻率振動(dòng)，長(zhǎng)期運(yùn)行進(jìn)而帶來(lái)的管線疲勞、破壞。

（2）《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》（CECS 126:2001）[2]中規(guī)定，對(duì)于穿越隔振層的豎向管道應(yīng)符合以下要求：①直徑較小的柔性管線在隔振層處應(yīng)預(yù)留伸展長(zhǎng)度，其值不應(yīng)小于隔振層在罕遇地震作用下最大水平位移的1.2 倍。②重要管道、可能泄漏有害介質(zhì)或可燃介質(zhì)的管道，在隔震層處應(yīng)采用柔性接頭。③直徑較大的管道在隔振處宜采用柔性材料或柔性接頭。

（3）《建筑隔震工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（JGJ 360—2015）[3]中規(guī)定：①穿過(guò)隔震層的設(shè)備管線、配線，應(yīng)采用柔性連接或其他有效措施。②穿過(guò)隔震層的柔性管線，應(yīng)在隔震縫處預(yù)留足夠的伸展長(zhǎng)度。③對(duì)可能泄漏有害介質(zhì)或可燃介質(zhì)的重要管道，在穿越隔震層處時(shí)應(yīng)采用柔性接頭。

1.2 地震作用分析

經(jīng)結(jié)構(gòu)專業(yè)計(jì)算，本部項(xiàng)目在水平地震荷載作用下建筑水平位移在20mm 以內(nèi)。結(jié)構(gòu)工種設(shè)置隔振器，地震時(shí)隔振器將產(chǎn)生水平位移。圖1、圖2 給出了水平地震荷載作用下X、Y 兩方向隔振器水平位移時(shí)程結(jié)果。根據(jù)隔振器產(chǎn)品性能，其水平最大設(shè)計(jì)位移限值為28mm。管道設(shè)計(jì)以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)條件。

圖1 X 主向地震隔振器位移時(shí)程曲線

圖2 Y 主向地震隔振器位移時(shí)程曲線

1.3 隔震設(shè)計(jì)與布置基本原則

根據(jù)上述規(guī)范要求及結(jié)構(gòu)變形影響，確定以下基本原則。

（1）本項(xiàng)目給水、自動(dòng)噴水系統(tǒng)供水橫干管、消火栓系統(tǒng)供水環(huán)管均設(shè)置于隔振層。布置在隔振層內(nèi)的給水、消防橫干管，均采用固定支架與下部結(jié)構(gòu)固定。

（2）與供水橫干管不同側(cè)（連接至上部結(jié)構(gòu)）的供水立管，均采用隔震連接措施。為有效減輕振動(dòng)對(duì)管道的不利影響，隔震連接具體措施是采用柔性管道連接。

（3）對(duì)生活給排水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)采用盡量減少豎向穿越隔震層管道的原則，減少可能發(fā)生位移的管道數(shù)量。

（4）穿越隔震層的豎向管道在罕遇地震作用下最大水平位移d 不小于設(shè)置隔振支座的結(jié)構(gòu)柱最大水平位移的1.2 倍。

2 隔震用柔性管道設(shè)計(jì)

2.1 隔震用柔性管道選擇

常用柔性管道有金屬軟管、PCV 伸縮管和橡膠軟管，三者各有優(yōu)缺點(diǎn)，需根據(jù)適用條件、變形需求、管道材質(zhì)、安裝空間、支架能力等維度綜合考慮。由于擔(dān)心橡膠軟管用于排水管時(shí)可能比金屬軟管更易堵塞以及PCV 伸縮管的材質(zhì)性能可能較金屬軟管略差，設(shè)計(jì)最終考慮采用金屬軟管。

2.2 金屬軟管原理及特性

金屬軟管是以波紋管為核心元件的輸送各種流體的管路配件，其工作性質(zhì)是在管道與管道、管道與設(shè)備等之間的連接中起補(bǔ)償作用。以其彎曲和饒性去彌補(bǔ)管路系統(tǒng)因?yàn)橥獠课灰圃斐傻奈恢闷?，去承?dān)兩端接點(diǎn)正常工作所需要的相對(duì)位移。隔振金屬軟管的最大位移可達(dá)到800mm，且其往復(fù)使用率非常高，因此使用壽命非常長(zhǎng)，適合設(shè)置有隔震建筑的水專業(yè)管道設(shè)計(jì)。

2.3 金屬軟管的各類長(zhǎng)度關(guān)系及計(jì)算

基本計(jì)算公式[4]如下：

式中：Y——金屬軟管允許最大設(shè)計(jì)橫向補(bǔ)償位移，mm；L——產(chǎn)品長(zhǎng)度，mm；EL——安裝長(zhǎng)度，mm；Hs——不參加彎曲中間段長(zhǎng)度，mm；θ——變位角，（°）；R——彎曲半徑，mm，取值不宜小于規(guī)范值，金屬軟管的彎曲半徑規(guī)范值見(jiàn)波紋金屬軟管通用技術(shù)條件（GB/T 14525—2010）；Ls1、Ls2——?jiǎng)傂蚤L(zhǎng)度，mm；Z——接口處不變形長(zhǎng)度，mm；ΔS——變形后最大伸長(zhǎng)量，mm。

2.4 安裝長(zhǎng)度確定

上式中的L 為產(chǎn)品長(zhǎng)度，即為伸長(zhǎng)長(zhǎng)度，是指金屬軟管被拉伸到最大極限的長(zhǎng)度（圖3 中的L）。上式中的EL 為安裝長(zhǎng)度，即為壓縮長(zhǎng)度，是指把金屬軟管壓縮到極限位置時(shí)的長(zhǎng)度（圖3 中的EL）而管道的安裝長(zhǎng)度是指處于最大位移量一半的中間位置時(shí)金屬軟管的長(zhǎng)度，在此位置安裝狀態(tài)下，金屬軟管有X、Y 兩個(gè)可移動(dòng)方向，隔震層中這兩個(gè)移動(dòng)方向上都應(yīng)預(yù)留d 的安裝尺寸，以便應(yīng)對(duì)振動(dòng)帶來(lái)的位移。此時(shí)軟管的彎曲半徑為實(shí)際安裝彎曲半徑，軟管兩端的實(shí)際距離為實(shí)際安裝長(zhǎng)度。

圖3 金屬軟管橫向位移變形

其中，不參加彎曲中間段長(zhǎng)度Hs 用于防止撓性部分在嵌裝接頭部位的過(guò)渡變形而易于破壞。因?yàn)橹苯涌拷宇^嵌裝部位的波紋受到的負(fù)荷最大，另外由于焊接或釬接端接頭引起的殘余熱應(yīng)力，使嵌裝部位的疲勞強(qiáng)度降低了。使用實(shí)踐證明，金屬軟管最常發(fā)生破壞的部位正是這里。一般考慮HS 為2～3 倍的管道公稱直徑，其對(duì)金屬軟管設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的確定有重要影響。

3 給排水管道隔振設(shè)計(jì)措施

3.1 橫向壓力管道隔震做法

布置在隔震層內(nèi)的給水、消防橫干管，均采用固定支架與下部結(jié)構(gòu)固定；與供水橫干管不同側(cè)（連接至上部結(jié)構(gòu)）的供水立管，均采用隔震連接措施，設(shè)置金屬軟管，具體做法如圖4 所示。

圖4 穿隔震層給排水橫管隔震做法

3.2 豎向壓力管道隔震做法

穿越隔震層的豎向管道，均需設(shè)置隔震柔性連接。一般情況下的立管隔震做法如圖5 所示。

圖5 穿隔震層給排水立管隔震做法

本項(xiàng)目隔震層的結(jié)構(gòu)空腔局部層高僅為1.8m，DN100 的隔震軟連接管件長(zhǎng)度均至少為2m，所以此區(qū)域無(wú)法在豎向管道穿越隔震層的位置直接豎向安裝隔震柔性連接。豎向穿越管道隔震軟性連接采用橫向安裝隔震柔性連接的方式，其中，豎向管道在隔離層可以分為兩個(gè)部分，分別用固定支架與上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)連接，上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的固定支架之間橫向安裝兩個(gè)方向之字連接的隔震柔性連接，用于吸收地震以及日常地鐵運(yùn)行振動(dòng)給管道帶來(lái)的位移。

3.3 壓力入戶管隔震做法

生活給水入戶管、自動(dòng)噴水及消火栓水泵接合器供水管穿越建筑外墻時(shí)，需根據(jù)橫管在隔震層內(nèi)的固定位置，決定是否進(jìn)行隔震處理。本工程部分消防管道穿出外墻前固定在下部結(jié)構(gòu)，故出戶時(shí)不需做隔震處理，直接穿出建筑外。大部分壓力供水管在穿出外墻前，固定在上部結(jié)構(gòu)，在穿越出外墻前，設(shè)置隔震柔性連接后再穿出建筑外。

3.4 排水出戶管隔震做法

排水管在排出外墻前需采取隔震措施以提高系統(tǒng)排水安全性。常用的隔震措施有：直接在排水出戶位置設(shè)置隔震柔性管道后排出建筑外墻；或在隔震層內(nèi)下部結(jié)構(gòu)設(shè)置集水坑或污水收集設(shè)施，上部重力排水排至積水坑或污水收集設(shè)施后提升出戶，在重力排水管與集水設(shè)施連接處設(shè)置隔震軟連接。兩種方式都有其缺點(diǎn)，前者由于設(shè)置了軟連接，排水中的雜質(zhì)易在軟連接拐彎處沉積，造成管道堵塞；后者把重力排水均變成壓力排水，平時(shí)運(yùn)行時(shí)耗能較多。

3.5 管道敷設(shè)其他注意事項(xiàng)

設(shè)有隔震層的建筑物，隔震層上、下部結(jié)構(gòu)體之間會(huì)發(fā)生一定的水平位移，在設(shè)計(jì)管道布置平面時(shí)，應(yīng)注意每個(gè)隔震柱、隔震結(jié)構(gòu)縫周圍均應(yīng)預(yù)留足夠的空間，不敷設(shè)管道，避免下部結(jié)構(gòu)體一定頻率的位移，而上部結(jié)構(gòu)體幾乎不位移帶來(lái)的對(duì)管道的剪切擠壓破壞。本工程設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合規(guī)范及結(jié)構(gòu)地震作用分析結(jié)論，考慮在隔震柱四周300mm 的范圍內(nèi)不敷設(shè)給排水管道。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，越來(lái)越多的隔震層設(shè)計(jì)方案開始運(yùn)用于國(guó)內(nèi)TOD 建筑的設(shè)計(jì)實(shí)踐，給排水管道在隔震層的柔性連接對(duì)整個(gè)給排水管道系統(tǒng)的安全性極為重要，需在設(shè)計(jì)階段就綜合分析，選擇合適的隔震連接方式，通過(guò)計(jì)算和精細(xì)化布置，充分發(fā)揮隔振、消能作用，保障給排水管道的正常工作。雖然TOD 建筑的設(shè)計(jì)還是在探索過(guò)程中，但相信隨著設(shè)計(jì)更安全建筑的設(shè)計(jì)理念的普及，對(duì)隔震柔性連接的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多，使隔震柔性連接的技術(shù)得到長(zhǎng)足的發(fā)展。