【论文精选】高层和超高层建筑燃气管道应力控制措施
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2024-11-11 17:14
天津
作者：申晋益
第一作者单位：成都燃气集团股份有限公司
摘自《煤气与热力》2023年11月刊
申晋益. 高层和超高层建筑燃气管道应力控制措施［J］. 煤气与热力，2023，43（11）：B19-B23.
作为高层、超高层建筑的附属设施，燃气管道及设备运行的安全性尤为重要。高层、超高层建筑燃气管道及设备不可避免地存在安装工程量大的特点，并且燃气管道跨越建筑的各层，受到各类外荷载作用的影响大。若管道存在过度应力集中或长期腐蚀等情况，则容易发生损坏或泄漏。因此，有必要对高层、超高层建筑燃气管道的应力进行控制，旨在提高燃气设施运行的稳定性与安全性。在进行管道应力控制时，需要对高层、超高层建筑燃气管道系统可能受到的外荷载作用进行分析，既包括因管道热膨胀、不均匀沉降产生的直接作用，也包括因地震荷载、风荷载造成主体结构动力响应而产生的间接作用［1］。研究上述荷载作用对燃气管道的影响程度，并采取有效的控制措施，以避免发生管道失效或泄漏事故。2 热补偿措施
常用热补偿方式有自然补偿、方形补偿器补偿（简称方形补偿）、波纹管补偿器补偿（简称波纹管补偿）、套筒式补偿器补偿（简称套筒式补偿）。①自然补偿能充分利用管道自身弹性变形，无须额外安装补偿器，但会产生横向位移，补偿量有限，难以满足长距离竖直管道的要求。②方形补偿简单可靠，便于安装，应用范围广，能达到与管道同寿命。缺点是介质阻力大，空间占用大，影响美观。③波纹管补偿空间占用小，可吸振降噪，仅发生轴向变形，但受力性能差，安全性低，不耐腐蚀。④套筒式补偿介质阻力小，空间占用小，但不适应横向变形，需要经常检修及更换填料。另外，目前推出了一种新型波纹管补偿器，安装实例见图1。首先，其体积更小，补偿量可达30 mm。其次，该补偿器的波纹管外增加了保护罩，提高了防腐能力，寿命得到了大幅延长。再次，补偿器上自带温度修正装置，可按照安装时的环境温度预设初始长度，操作简单易行，便于施工人员掌握。另外，这种新型波纹管补偿器可根据管道材质、管径的不同，适配焊接、螺纹连接、机械连接、法兰连接等连接方式，应用面广，适应性强。①室外燃气管道应保证两个固定支架间（即一个变形单元内）采取有效的补偿措施。为最大限度发挥补偿器的补偿作用，应通过定量分析计算一个变形单元的补偿量，确定补偿形式、补偿器安装位置和安装数量。③由于补偿器位置容易发生锈蚀，当补偿器使用法兰连接时，推荐使用凸面对焊带颈法兰。管道的沉降是指建筑物的地基土与周围土体之间，或者相互独立的紧邻建筑物之间的不均匀沉降，使上述位置的管道设施出现变形和应力集中的现象。对单个建筑主体沉降而言，当建筑物沉降量大于周围土体时，主要由于建筑物自重导致沉降长期自然积累。沉降速率先快后慢，总体上保持缓慢下降的趋势。随着建筑使用年限增加，沉降量积累情况逐年增加，这类沉降问题在服役年限较长的建筑中尤其明显。燃气管道的引入管及庭院管埋设于建筑周围回填土中，当周围回填土密实度未达到标准要求时，回填土沉降量大于建筑物沉降量，会造成管道的应力集中及变形。这类现象不仅存在于高层、超高层建筑中，在多层建筑中也不少见。回填土体密实度不足的问题，从根本上讲还是人为影响，应予避免。对紧邻建筑之间沉降而言，主要为高层建筑主塔楼与裙楼之间的沉降量差异。高层、超高层建筑在主塔楼周围设置裙楼的情况已经十分常见。当水平燃气管道跨越高层建筑的主塔楼与裙楼的沉降缝时，两类结构主体完全断开，成为独立单元，各自的沉降速率、沉降量不同步，造成跨越位置水平燃气管道的应力集中与变形。人们往往关注引入管及埋地庭院管的沉降问题，而这类沉降问题很容易被忽视。在建筑物周围场地回填土压实度合格的前提下，随着使用年限积累，建筑物本身的沉降、主塔楼与裙楼之间的沉降差异均不可避免，应采取必要的防沉降措施，减轻由此造成的管道应力集中与变形。对由于建筑周围场地回填土压实度不合格而产生的沉降问题，则需要在庭院管道埋设前，要求土建工程的施工方完成场地回填土的压实工作，并达到规范要求的工程质量验收标准。根据前文所述，引入管竖直出地面处、引入管与立管水平连接处、水平管跨越（非穿越）建筑物之间的沉降缝处，均为燃气管道受沉降影响最大的位置。针对以上这些位置的燃气管道沉降问题，结合工程的实践经验，建议采取如下控制措施。①引入管竖直出地面位置，应设置钢套管，避免管道的竖向位移受到硬化地面的限制。套管与引入管之间应留有间隙，采用密封性能良好的柔性防腐、防水材料填充，端口用热缩套密封，以加强引入管的防腐能力。②由于建筑主体与周围土体的沉降差难以完全避免，为减小沉降对埋地管道的影响，中低压引入管埋地部分推荐采用PE管。相比钢管，PE管具有更为良好的弹塑性，可利用PE管更大的容许变形量吸收部分沉降变形。③在管道与建筑主体牢固连接的前提下，管道与建筑物的沉降保持一致。而引入管受建筑周围土体沉降影响，无法达到与建筑物沉降同步，致使引入管与立管的水平连接处是沉降应力集中问题十分显著的位置。因此，应在引入管水平段上设置柔性连接管，见图2。要特别注意的是，柔性连接管的两端不得同时固定，否则其无法发挥防沉降的作用。④为避免不同建筑物之间的沉降差问题，室外水平燃气管道不应穿过建筑物的沉降缝（或伸缩缝、抗震缝等），尽量避免跨越建筑物设缝的位置。若由于供气需要，水平燃气管道不得不跨越沉降缝时，必须考虑设置水平柔性连接管等必要的应力补偿措施。4 风荷载
相比低层、多层建筑，高层、超高层建筑对风荷载更为敏感。当风荷载施加在建筑物上时，会呈现如下特点。①风荷载与受荷建筑的平面形状、空间尺寸有直接关系。在高层、超高层建筑中，平面形状越规则、均匀，越有利于减小风荷载的作用。有利于抗风的建筑平面形状包括圆形、正多边形等，其中圆形平面为最佳。相反，如果建筑平面形状有较大突变、非对称，或者存在局部内凹，则会在一定程度上增大风荷载的作用。因此，在风荷载的计算中考虑了建筑物体型的影响，引入了风荷载体型系数。②风荷载与建筑周围环境存在很大的关联性。大中型城市往往高楼密布，风荷载效应很容易被城市建筑群放大。这种相邻建筑间的狭窄区域使得风力陡然增大的现象，被称为群楼效应。同时，群楼之间的非对称遮挡也会增加风荷载作用的偏心，对建筑物的受荷不利。③风荷载对建筑物的作用存在不规则性。风荷载作用的频率高、时间长，并伴随着风速、风向时刻变化。④风荷载具有静力和动力的双重属性。作用在建筑物立面上的稳定风压可以被视为静力作用。但风荷载中存在一定波动的脉动风压，使建筑物产生不同频率的振动，属于动力作用。2021年5月，深圳市赛格广场大厦产生了非常显著的振动现象，引起了社会的广泛关注。经过专家组的调查，造成大厦振动的主要原因之一，就是风荷载的风振效应引起了大厦的共振。对于总体高度大、侧向刚度相对较小（基本自振周期较长）的高层、超高层建筑物，受脉动风压的动力效应影响大，必须考虑风振的作用。故有关规范在风荷载标准值的计算中引入了风振系数。⑤从风压沿高度的变化情况可知，由于受地面粗糙度的影响，风压随着距地面高度的提升，不断增大。风荷载的这一特点，体现在风压高度变化系数。![]()
建筑外墙面上的燃气管道为圆形截面，且迎风面积远远小于建筑物的立面，所以作用于管道表面上的风压极为有限。因此，实质上建筑结构本身才是承受风荷载的主体，风荷载主要作用在建筑立面上。假定燃气立管牢固安装在建筑外墙面上，当高层、超高层建筑在风荷载作用下发生层间位移变形时，立管由于这种层间位移发生弯曲变形，同时管道上产生弯曲应力。若管道中的弯曲应力没有超过允许值，则可以认为管道是安全的。经过上述分析，可以得出风荷载对高层、超高层建筑燃气管道的作用具有间接性，这种作用需要通过主体结构的侧向位移来进行传导。因此，主体结构在风荷载作用下的抗侧移刚度，很大程度上决定了燃气管道的受力情况。考虑到高层、超高层建筑的重要性程度，其在设计过程中会进行抗风验算，所以可以认为建筑由于风荷载产生的位移能够控制在标准要求范围内。在风荷载作用下，只有当燃气管道牢固连接在建筑物上时，才能与主体结构保持协同响应。若部分管道支架在受振动时与主体结构脱离，则可能使管道因失去部分有效约束而发生过大变形或失稳破坏。所以，保证管道的稳管体系的有效性，使管道能够与主体结构牢固连接，在受迫振动时达到协同变形，才是燃气管道抗风的最有效措施。5 地震荷载
对于燃气管道的震害分析，已有很多学者进行了相关的研究。早在2007年，孙磊［2］研究了高层建筑中燃气管道的抗震性能，他认为在主体结构弹性反应阶段，主体结构的允许层间位移量小于管道的允许层间水平位移量。刘志斌等人［3］在研究室内燃气管道抗震性能时，认为建筑主体结构变形是造成管道破坏的主要因素。刘志斌［4］的研究结果表明，燃气立管同时受惯性力和变形的影响，不仅需要保证立管具有足够的变形能力，同时管道支架、管卡也需要有较强的刚度来抵抗惯性力。从上述分析可以发现，作为建筑的附属设施，燃气管道受地震力的影响程度与建筑本身的抗震能力息息相关。主体结构的抗震能力在很大程度上决定了燃气管道这类非结构构件的震后损伤程度。另外，管道抵抗变形的能力、支架与主体结构的连接强度等因素，均在抗震中起到了至关重要的作用。![]()
高层、超高层建筑燃气管道的抗震目标是：当建筑物受地震作用发生相对层间侧移时，燃气立管能够与主体结构保持协同变形，保证管道能够在震动中与建筑物牢固连接而不松脱。鉴于燃气管道本身具备一定的强度和弹性变形能力，因此管道抗震措施的关键是稳管体系。结合前述管道的震害分析结果，建议高层、超高层建筑燃气管道采取如下抗震措施。①在管道选材上，可以考虑采用抗震性能更优的不锈钢材料。由于不锈钢管的壁厚可以更薄，不仅降低了管道自重，也在一定程度上提高了变形能力。②稳管体系的布置是管道抗震措施的核心。首先，承重支架用于支撑整个管道系统，必须使其与建筑主体结构保持有效固定。其次，导向支架应该能够有效约束管道的侧向位移，保证在地震时不发生松脱。最后，可在建筑物侧向变形相对较大的位置设置抗震支架，抗震支架应进行单独设计，以保证管道与建筑物能够在地震中协同变形。③充分利用管道的自然补偿，通过改变管道几何形状，起到耗散地震力的作用。④当发生地震时，抗震缝两侧的位移及变形很大。为避免该处的管道损坏，水平燃气管道不应穿越建筑物的抗震缝。①推荐在补偿器安装时进行温度修正，考虑安装温度的影响。②引入管竖直出地面处、引入管与立管水平连接处、水平管跨越建筑物之间的沉降缝处，均为燃气管道受沉降影响最大的位置。中低压引入管埋地部分推荐采用PE管，在引入管的水平段上设置柔性连接管。室外水平燃气管道不应穿过建筑物的沉降缝（或伸缩缝、抗震缝等），尽量避免跨越建筑物设缝的位置。③管道抗风与抗震方面，应保证管道稳管体系的有效性，使管道能够与建筑物墙体牢固连接，在受迫振动时达到协同变形。考虑采用抗震性能更优的不锈钢管道材料。［1］孟悦，杨炯，王夏. 高层建筑燃气立管应力分析及应对措施［C］//中国土木工程学会燃气分会. 2014年中国燃气运营与安全研讨会论文集. 天津：《煤气与热力》杂志社有限公司，2014：50-57.［2］孙磊. 高层建筑中燃气管道抗震性能研究（硕士学位论文）［D］. 上海：同济大学，2007：120-122.［3］刘志斌，郭恩栋，李倩，等. 室内管道系统抗震研究综述［J］. 震灾防御技术，2019（3）：591-599.［4］刘志斌. RC框架结构室内燃气管道地震响应研究（硕士学位论文）［D］. 哈尔滨：中国地震局工程力学研究所，2020：89-90.维普免费下载《煤气与热力》论文（现刊和过刊均可）
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