中国建筑机电抗震浅析

建筑机电,抗震,刚性,柔性

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04-06

深圳优力可科技有限公司  卞广为 谢家明 郑炜

伴随着建筑结构抗震的发展成熟,建筑附属机电设备的抗震便显得非常紧迫。本文梳理了建筑附属机电设备抗震发展的理论脉络,对该领域的最新规范颁布状况和实际工程中的应用做了介绍。

1    结构抗震规范对非结构构件的规定

建筑抗震包含两个方面的含义,分别是建筑结构抗震和非结构构件抗震,非结构构件抗震又细分为建筑非结构构件抗震和建筑附属机电设备抗震。在建筑抗震发展前期,建筑的地震破坏主要表现在建筑结构的破坏:房倒屋塌。所以此时建筑抗震理论的研究对象主要是建筑结构的抗震性能,由此而发展出抗震概念设计,地震作用计算,抗震构造措施等系统的抗震设计理论。另外,减震、隔震技术,也主要地应用在建筑结构的地震防护方面,并起到了很好的地震防护效果。当建筑结构抗震发展到一定程度时,建筑结构抵抗地震破坏的能力大幅度提高,而非结构构件的地震破坏便凸显了其破坏性。见图1及图2

图1    建筑非结构构件的破坏形态

图1(a)庐山地震芦山中学女儿墙破坏 图1(b)汶川地震都江堰骨科医院围护墙破坏

图2    建筑附属机电设备的破坏形态

图2(a)法兰处螺栓剪切破坏 (b)管道穿墙处破坏

图2(c)三通处分支管道脱落 (d)管道与设备接口处

中国建筑规范对非结构构件的抗震规定最先体现在《建筑抗震设计规范》GBJ11-89中。具体条文有:

第2.4.1条  附属的结构构件,应与主体结构有可靠的连接或锚固,避免倒塌伤人或砸坏重要设备。

第2.4.2条  围护墙和隔墙应考虑对结构抗震的不利或有利影响,应避免不合理的设置而导致主体结构的破坏。

第2.4.3条  装饰贴面与主体结构应有可靠连接;应避免吊顶塌落伤人和贴镶或悬吊较重的装饰物,当不可避免时应有可靠的防护措施。

另外,在第4.2.3条中,当采用底部剪力法计算水平地震作用时,对女儿墙做了明确规定。

可以清晰地看到,89规范对非结构构件的抗震规定主要局限于建筑非结构构件方面(女儿墙,隔墙,大悬挑雨棚,装饰贴面,悬吊物等),对建筑附属机电设备的规定尚属空白。

《建筑抗震设计规范》GB50011-2001对建筑机电设备抗震首先做了规定,具体体现在:

第3.7.1条  非结构构件,包括建筑非结构构件和建筑附属机电设备,自身及其与结构主体的连接,应进行抗震设计。

第3.7.6条  安装在建筑上的附属机械、电气设备系统的支座和连接,应符合地震时使用功能的要求,且不应导致相关部位的损坏。

第13章 对建筑机电设备的支架、锚固及其对主体结构的影响等做了规定。

比较GBJ11-89规范与GB50011-2001规范可知,最大的区别就是新规范拓展了非结构构件的范围,把建筑附属机电设备抗震纳入了规范要求。

在建筑附属机电设备抗震方面,《建筑抗震设计规范》GB50011-2010基本上沿袭了《建筑抗震设计规范》GB50011-2001,所做更新甚少。这是因为,《建筑抗震设计规范》主要针对建筑结构的抗震要求,而对建筑非结构构件和建筑附属机电设备的抗震规定从属于建筑结构抗震,即:为满足结构抗震而必须考虑的非结构构件的影响。当《建筑抗震设计规范》GB50011-2001已经充分考虑了非结构构件对结构构件的抗震影响后,非结构构件的抗震要求就由相关专业性规范分别规定(见《建筑抗震设计规范》GB50011-2001和《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第3.7.2条),而无需由《建筑抗震设计规范》GB50011-2010再大费周章。

2    建筑附属机电抗震专业性规范规定

于是,专业性的建筑附属机电设备抗震设计规范应运而生。陆续诞生了诸如《电信设备安装抗震设计规范》YD5059-2005,《建筑机电工程抗震设计规范》GB50981-2014(2015年8月1日起实施),《建筑机电设备抗震支吊架通用技术条件》CJ/T476-2015(2015年9月1日起实施),《非结构构件抗震设计规范》JGJ339-2015(2015年10月1日起实施)等。

其中,《建筑机电工程抗震设计规范》GB50981-2014与《建筑机电设备抗震支吊架通用技术条件》CJ/T476-2015着重针对管道系统的抗震要求给出了详细的规定,下面分别予以说明:

2.1《建筑机电工程抗震设计规范》GB50981-2014

2.1.1 建筑附属机电地震作用与温度效应

《建筑机电工程抗震设计规范》GB50981-2014主要针对包括给水、排水、消防、暖通空调、燃气、电气在内的机电管线设备做了抗震规定。基于《建筑抗震设计规范》GB50011-2010的要求,《建筑机电工程抗震设计规范》GB50981-2014体现了刚柔并济的抗震理念:建筑机电管线系统一般被认为柔性系统,在地震工况中会产生较大的惯性地震作用,为减小该作用,必须增大系统刚性;当管线系统穿越结构防震缝、基础外墙等有较大位移差的部位,位移差会在管道内部产生较大的内力,为减小该内力,必须增大管道在该处的柔性。

地震作用的计算见规范第3.4.5条:

地震位移差的计算见规范第3.4.6条:

另外,管线的热胀冷缩效应也是部分建筑附属机电设备抗震设计必须考虑的因素。从本质上讲,减小管线热胀冷缩效应需要增大管线系统的柔性,以使得管线系统有足够吸收温度应力的能力,但是,这与减小惯性地震作用形成了冲突,因为减小惯性地震作用要求增大管线系统的刚性。所以,合理地协调管道温度效应与管道惯性地震作用是建筑机电抗震方案的一项重要任务。

2.1.2 建筑附属机电抗震措施

增大管线系统刚性的措施,主要是增设抗震支撑,在规范的第八章以及其他各章的条文说明中有着详细规定。第八章主要针对抗震支撑的布设原则,受力计算做了规定,抗震支撑的构造形式见第二章条文说明的附图。图3和图4给出了其中部分示意图。

增大柔性的措施常见于规范的各章节中,主要措施大致包括:沟槽接头,膨胀节,防震缝接头,开洞口等,见图5。

图5(a)沟槽接头 图5(b)膨胀节

不同的机电抗震措施所对应的工况见表1:

2.1.3《建筑机电工程抗震设计规范》GB50981-2014条文总结

《建筑机电工程抗震设计规范》GB50981-2014对机电设备抗震刚柔特性的总体要求见表2

表2《建筑机电工程抗震设计规范》GB50981-2014条文总结

2.2《建筑机电设备抗震支吊架通用技术条件》CJ/T476-2015

由深圳优力可科技有限公司主编的《建筑机电设备抗震支吊架通用技术条件》CJ/T476-2015从申报立项到完成报批,历时2年多,期间经历了2013年4月的标准编制组成立会,2014年4月的送审稿预审会,2014年10月的报批稿审查会等专家组会议。深圳优力可科技有限公司的谢家明、郑炜、吴道禹等,作为主编人员全程参与了整部规范的编制过程。《建筑机电设备抗震支吊架通用技术条件》CJ/T476-2015主要针对建筑附属机电设备抗震支吊架产品的力学性能测试,防腐处理工艺等给出了明确的规定。

为了编制该规范,确实对中国建筑机电抗震支撑事业起到助推助力的作用,深圳优力可科技有限公司凭借其在理论、技术方面的研发实力,参考包括美国Underwriter Laboratory,FM Approval在内的测试试验机构的先进理念,进行大量的测试实验,既有抗震支撑部件的力学性能测试,也有抗震支撑组件的力学性能循环测试。所有这些测试成果都为规范的成功编制奠定了数据基础。深圳优力可科技有限公司的抗震支撑力学性能试验机见图6。

图6    深圳优力可科技有限公司抗震支撑构件力学性能测试试验机

图6(a)建筑机电设备抗震支撑部件测试试验机

图6(b)建筑机电设备抗震支撑组件测试试验机

3    建筑附属机电设备抗震的工程应用

建筑附属机电设备抗震在具体工程上的应用方面,深圳优力可科技有限公司走在国内前列,其所实施的典型工程案例见图7

图7(a、b)上海新理想大厦水平、立管管道抗震支撑

图7(c、d)西安旺都国际大厦风管、水管抗震支撑

4    结论

建筑附属机电设备抗震在中国起步较晚,但规范理论方面的发展却非常迅猛,这主要得益于相关主管部门的推动以及相关企业的助力,建筑附属机电抗震在具体项目中的运用又会反过来进一步推动规范理论的发展,两者的交互作用将会大大提高中国建筑的整体抗震水平。

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