隔震技术是目前世界地震工程界推广应用较多的成熟的高新技术之一, 使建筑在地震中不倒塌真正成为可能。我国汶川5.12地震以后, 在地震多发区的医院、学校、幼儿园、商场等人员密集场所, 机场、通信和电力等重要生命线工程建筑物, 党政机关等重要目标单位, 隔震技术逐步得到更多的推广应用。

　　 隔震建筑是指应用了隔震技术, 对建筑结构进行了隔震设计的建筑。隔震设计指在房屋基础、底部或下部结构与上部结构之间设置由橡胶隔震支座和阻尼装置等部件组成具有整体复位功能的隔震层, 以延长整个结构体系的自振周期, 减少输入上部结构的水平地震作用, 达到预期防震要求^[1]。

　　 隔震建筑通过设置隔震层将建筑隔分为“上部建筑”和“下部建筑”。隔震层是建筑隔震工程中安装支座及阻尼器的部位与相关构件, 通常包括支座及连接件、阻尼器及连接件、支座上部梁板体系及其下支墩 (柱) 构件等^[2]。因此, 隔震建筑必然有安装隔震部件和相关构件的隔震层。图1为隔震建筑示意, 该建筑隔震层设在首层与地下室之间, 也可根据需要设置在底部基础之上或其他位置。

　　 传统抗震建筑把上部结构和基础牢固连接在一起, 地震时地面的振动能量直接传输到上部结构, 为防止结构断裂, 传统抗震技术通过增大梁柱截面尺寸和梁柱配筋、提高建筑材料强度等方法来实现, 在发生罕见地震时容许混凝土产生裂缝和钢筋屈服。隔震建筑的隔震层可以看作是刚性很低, 容易变形, 且具有适当弹性恢复力的柔性底层, 地震时隔震层延长了上部结构的振动周期, 增大阻尼, 减少了输入上部结构的水平地震能量, 从而降低了上部建筑物摇摆程度, 减弱了地震对建筑结构的有害作用。图2为传统抗震结构与隔震结构地震时建筑物的状态示意。

　　 隔震层隔震构造多, 地震时空间变形大, 隔震构件的变形范围内不得有任何障碍物。隔震构件的安装、更换、维护和检修, 需要预留操作空间。由于安全性和空间限制, 隔震层一般不布置其他建筑功能。

　　 隔震建筑的隔震层内的管道应进行管道隔震设计, 隔震层上部和下部建筑的管道应按规范进行抗震设计。

　　 由于隔震层的“隔震”、“吸震”作用, 地震时隔震层上部结构水平地震加速度减少至1/2~1/12, 地震烈度降低1~2度。隔震建筑虽然降低了隔震层上部建筑的抗震设防烈度, 但其整体仍应按隔震后的抗震设防烈度做抗震设计。管道系统抗震设计时, 机电设备及管道的抗震支吊架, 锚固件、预埋件及其他与结构连接的构部件, 地震作用计算应选用不同的地震影响系数 (隔震层下部建筑选用正常水平地震影响系数, 上部建筑应采用隔震后的水平地震影响系数, 由结构专业提供) , 根据计算结果选用不同的抗震措施。

　　 管道抗震设计相关计算方法和抗震措施, 在2015年8月实施的《建筑机电工程抗震设计规范》 (GB 50981-2014, 以下简称“规范”) 中有较为详尽的规定, 按规范执行即可实现与建筑结构相同的地震设防目标。

　　 如果隔震层上部建筑的排水立管较多, 应优先考虑“先汇合后下穿”的排水方式, 即在隔震层的上部某层, 把分散的排水立管优化汇合, 形成较少的排水立管向下穿越隔震层出户的排水方式。同理, 如果隔震层上部的压力给水分支立管较多时, 应优先考虑“先上穿后分支”的给水方式, 即从地下泵房引出干管先穿越隔震层, 连接的给水横干管和引出的分支给水立管布置在隔震层上部。此种设计目的是, 使给排水横干管和其连接的分支立管全部位于隔震层上部, 避免了分支立管穿越隔震层, 仅需在穿越隔震层的干管上设隔震措施, 与横干管布置在隔震层下部, 分支管全部上穿隔震层方案相比, 减少了竖向穿越隔震层分支立管的数量。这有利于在隔震层内集中实施管道隔震处理措施, 减少工程使用过程中隔震层立管的检查维修难度, 保障隔震设施的安全。

　　 隔震层内给水、消防、汇合排水等水平横管, 当必须布置在隔震层时, 横管可利用抗震支吊架敷设在隔震层顶部。顶部属于隔震上部结构, 管道受到的地震作用力较小, 有利于管道安全, 可避免在层高较小的隔震层形成地面管道过多, 影响检查维修空间。

　　 隔震层内的消火栓、冲洗龙头等用水设备, 应优先考虑由隔震层的临近下层向上引支管供水, 减少隔震层隔震软连接数量。

　　 在隔震层的结构顶板采取预应力设计时, 不得在结构施工完成后, 再钻孔或打洞, 否则会对预应力结构造成破坏。因此在紧邻隔震层的上一层建筑给排水设计时, 应注意是否有与水专业相关的后期深化设计事项。原则上该位置所有深化设计应提前介入, 一次性设计完成, 所有孔洞精准定位。

　　 “规范”没有涉及隔震层管道的隔震措施, 但隔震层内安装的管道系统, 总体也应满足该规范1.0.3条中对建筑机电工程设施抗震要求:“当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震时, 机电工程设施一般不受损或不需修理可继续运行;当遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地震影响时, 机电工程设施可能损坏经一般修理或不修理仍可继续运行;当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时, 机电工程设施不至于严重损坏, 危及生命。”

　　 《叠层橡胶支座隔震技术规程》 (CECS 126∶2001) 中, 对穿越隔震层的竖向管线应符合下列要求: (1) 直径较小的柔性管线在隔震层处应预留伸展长度, 其值不应小于隔震层在罕遇地震作用下最大水平位移的1.2倍; (2) 直径较大的管道在隔震层处宜采用柔性材料或柔性接头; (3) 重要管道、可能泄漏有害介质或燃介质的管道, 在隔震层处应采用柔性接头。

　　 《建筑隔震工程施工及验收规范》 (JGJ 360-2015) 第5节规定: (1) 穿过隔震层的设备配管、配线, 应采用柔性连接或其他有效措施; (2) 对可能泄露有害介质或可燃介质的重要管道, 在穿越隔震层位置时应采用柔性连接; (3) 穿过隔震层的柔性管线, 应在隔震缝处预留足够的伸展长度。

　　 综合上述规范条文可知, 为保障给排水管道在隔震层的设计要求, 对穿越隔震层的管道, 其对柔性连接隔震能力的要求是:柔性连接在地震时可承受发生在任一水平方向的位移, 该水平位移数值不应小于隔震层在罕遇地震作用下最大水平位移的1.2倍。最大水平位移是结构专业根据抗震设防烈度、场地类别、结构形式、建筑高宽比等多种条件综合计算得出。本文中最大水平位移的1.2倍用“d”表示。

　　 根据隔震层设置位置不同, 常见的隔震层设置位置有6种, 分别为: (1) 隔震层在基础层 (无地下室) ; (2) 隔震层在地下室和上部结构之间 (如图1所示) ; (3) 隔震层在地下室; (4) 隔震层在基础和地下室之间; (5) 隔震层在裙房和上部结构之间; (6) 隔震层在中间层。

　　 隔震层位置不同, 对给排水管道隔震的影响不同。其中第 (2) 种方式, 遇到建筑基底面积较大, 隔震层层高偏小时, 给排水管道设计需要考虑因素最多。此时隔震层在首层以下, 在地下机电设备层以上, 因此给排水进出户管、机房向上供水的立管, 下行上给的横干管、汇合排水管等, 可能会出现共同布置在隔震层内的情况。尤其是遇到建筑基底面积较大, 隔震层偏小的情况, 由于排水坡度致使排水管道出户标高较低时, 情况最为复杂。下文管道布置论述的情况均为隔震层在地下室和上部结构之间这种方式。

　　 如图3所示, 为一种建筑给排水出户管道竖向隔震做法, 其优点安装相对简洁, 水平占用空间小。缺点是在地震水平位移数值d较大时, 竖向软管较长, 严重影响管道给排水出户管的埋设深度。例如对于DN150的金属波纹软管, 当d=530mm时, 软管竖向长度L≈2 600mm。对于排水管道, 考虑排水坡度和到建筑外墙距离后, 其埋设深度将更低, 这势必降低室外排水管网整体埋深, 增加室外管网造价。另外还需要校核, 过低的排水标高, 能否顺利接入市政排水管网。

　　 为了解决给排水软管竖向长度过大问题, 工程中可采用在水平管道上设隔震软连接的做法, 如图4所示, 该做法缺点是两个水平安装的软管占用平面空间较大, 尤其对于大型公共建筑, 其入户管多而密集, 完全采用这种布置形式布置有一定困难。对于排水来说, 其增加了2个90°转向, 增加了排水不利条件。

　　 对于压力管道, 隔震形式还可以采用U形软管隔震方式, 如图5所示, 当隔震层水平横管下部有一定安装空间时, 压力管道可以选用此种隔震方式。

　　 穿越隔震层至地下机房层的管道, 排水立管可采用图6a所示的连接方式, 压力立管可采用图6b所示的连接方式。排水隔震软连接可采用钢丝缠绕橡胶软管, 压力管道隔震软连接可采用金属波纹软管。隔震软管可变形管段的长度, 通过计算确定并应大于隔震支座竖向长度。当立管距柱子或墙体小于d时, 立管刚性段可转动接头部分应设置在隔震层梁和其他障碍物之下^[3]。

　　 近来市场出现了新型给排水软连接产品。

　　 图7a为新型Π波金属波纹管软连接, 可用于压力给水系统, Π波金属波纹软管不同于传统螺旋形或环形金属波纹软管, 它的特点是可被拉长变形, 而不改变软连接安全性。该软连接相比传统金属波纹软管, 其安装时保持直线状态, 水力条件较好;发生相同位移时, 其柔性管段安装长度也相对较短。

　　 图7b为PVC-U万向伸缩套筒组合软连接排水管件, 该管件两端为两个万向可转动接头, 中间直线管段为可伸缩密封套筒, 套筒可沿轴向一定范围内做伸缩滑动。套筒中间缝隙填充密封材料, 即使发生伸缩, 也不会发生泄漏。伸缩套筒和万向可转动接头组合在一起, 可承受地震时各个方向的水平位移。套筒可滑动长度根据设防地震位移确定。

　　 目前新型Π波金属波纹管软连接管件最大管径为DN150, PVC-U万向伸缩套筒组合软连接排水管件最大管径为DN200。

　　 金属波纹软管长度计算与其弯曲半径直接相关, 金属波纹软管的弯曲半径是实际应用中一个很重要的参数, 需要用户分析研究的是如何以最小弯曲半径为基础, 根据使用的具体情况确定金属软管的实际弯曲半径^[4]。

　　 计算公式^[5]:

　　 式中L_s1、L_s2———刚性长度, mm;

　　 θ———变位角, °;

　　 Z———接口处不变形长度, mm;

　　 R———弯曲半径, mm, 见产品标准, 取值不宜小于产品规定最小弯曲半径;不得小于规范值, 金属波纹管规范值见《波纹金属软管通用技术条件》 (GB/T 14525-2010) ;

　　 ΔS———变形后最大伸长量, mm;

　　 Y———金属软管允许最大设计横向补偿位移, mm;

　　 L———产品长度, mm;

　　 EL———金属软管在最小弯曲半径时, 软管的两端长度, mm;

　　 H_s———不参加弯曲中间段长度, mm。

　　 计算公式^[7]:

　　 式中L———金属软管长度, mm;

　　 K₁———管端至弯曲处最小距离, mm;

　　 K₂———管端至弯曲处最大距离, mm;

　　 R_j (R_d) ———金属软管静态 (或动态) 弯曲半径, mm;

　　 T———金属软管径向位移量, mm;

　　 L———金属软管接头长度, mm。

　　 金属软管是现代工业管路中一种高品质的柔性管道。它主要由波纹管、网套和接头组成。它的内管是具有螺旋形或环形波形的薄壁不锈钢波纹管, 波纹管外层的网套, 是由不锈钢丝或钢带按一定的参数编织而成。

　　 常见金属波纹软管本身不能进行轴向伸缩, 因此只能通过预留一定的弯曲长度, 通过径向变形实现软管的压缩或伸长, 来补偿地震水平位移。金属软管一般可分为压缩长度、伸长长度、安装长度。压缩长度是指把软管压缩到极限位置时的长度, 见图8中的EL;拉伸长度是指软管被拉伸到最大极限时的长度, 见图8中的L;安装长度是指软管处于最大位移量的一半的中间位置时软管的长度, 在此位置安装状态下, 软管可以有2个移动方向, 隔震层中这2个移动方向上都应预留d的变形长度, 此时软管的弯曲半径为实际安装弯曲半径, 软管两端的距离为实际安装长度。

　　 在图8、图9计算示意中, 软管从极限压缩状态到极限伸长状态时所发生的总补偿位移量Y或T应按2d计算。安装时应使软管的伸缩状态处于最大位移量一半时的中间位置, 才能满足管道隔震要求。

　　 图7的新型给排水隔震软连接产品, 需要根据厂家提供参数确定软管安装长度。

　　 软管选型时应考虑软管耐压性能、液体耐腐蚀、液体等因素, 注明软管柔性体形式及材质、接口的类型及连接方式等设计要求。

　　 隔震软连接应设置文字标识, 方便后期维护管理。隔震建筑工程竣工验收前, 应提交由隔震产品生产厂家、设计等单位编写的使用维护手册及维护管理计划;隔震建筑的维护检查可分为常规检查、定期检查、应急检查^[7]。

　　 经常性检查可一年两次, 2月和8月, 采用目测方式。定期检查应为竣工后的3年、5年、10年, 10年以后每10年进行一次, 由专业人员进行检查。在隔震使用后的最后10年 (产品使用寿命的最后10年) , 需要在5年、3年、1年的时候进行检查。在发生地震、火灾、水灾等异常情况时, 应立即进行应急检查^[3]。检查时应注意软连接管道位移范围内是否有障碍物。

　　 地震时, 给排水管道在隔震层的软连接对整个给排水管道系统的安全性极为重要, 必须在设计阶段就认真分析, 充分考虑各种因素, 选择正确的隔震连接方式, 通过计算和精准布置, 专业的施工以及后期规范的维护管理, 才能在隔震层发生最大水平位移时充分发挥“隔震”作用, 保障隔震建筑的正常运转。