在建筑设计领域, 目前结构专业对于建筑隔震的研究和实际应用较为成熟, 机电专业在隔震建筑机电配套设计方面的研究相对滞后。其中给排水专业由于进出户管线数量最多, 各类给排水管线由于材质原因应对位移形变能力差, 在隔震建筑设计中遇到的工程技术问题相对突出。

　　 《建筑抗震设计规范》 (GB 50011-2010, 以下简称“建筑抗震规范”) 12.1.3条第4款规定:“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以适应隔震层的罕遇地震水平位移。”其条文解释中特别提出“2008年汶川地震中, 位于7、8度区的隔震建筑, 上部结构完好, 但隔震层的管线受损, 故需要特别注意改进。”笔者结合隔震建筑项目的设计工作, 对给排水管道穿越隔震层 (沟) 的技术措施进行研究和探讨, 旨在部分解决给排水专业在隔震建筑设计中遇到的问题。

　　 隔震建筑是指采用隔震和消能减震设计的建筑。利用隔震层将地震运动输入的能量部分转移到隔震元件或减震构件上, 提高建筑应对地震破坏的能力。隔震层一般是指在结构间沿水平方向设置隔震支座, 目前常用的隔震支座有叠层橡胶支座、摩擦摆支座、弹性滑动支座、滚珠支座等。

　　 根据隔震层设置的位置, 隔震建筑可以分为基础隔震和柱顶隔震。基础隔震又可以细分为地下室底板隔震和地下室顶板隔震, 在一层以上柱顶设置隔震层的又称为层间隔震。

　　 根据建筑抗震设计的分析, 建筑物遭受地震波带来的破坏性位移主要是水平向。纵向位移由于受到建筑自身刚度和地震波特性的影响, 可不做考虑。

　　 隔震建筑在地震力的作用下, 会在隔震支座的调节下做阻尼运动, 在隔震层所在平面 (X/Y平面) 内产生相对位移, 在Z轴方向不发生位移。其位移情况如图1所示。图1中D为建筑中隔震层上下对应点在阻尼运动中的相对位移。

　　 隔震建筑在地震力作用下产生的位移、位移的频率及衰减形式等运动特性与建筑的结构形式、地震力的大小、隔震支座的类型、尺寸及性能参数等因素有关。

　　 在隔震建筑的结构设计中, 建筑位移的最大值由隔震支座的最大允许位移确定。

　　 对于机电抗震设计, 需要关注的是隔震建筑在地震力作用下会发生怎样的位移以及这种位移的最大值。隔震建筑在地震力作用下, 会以隔震层所在平面为界, 产生水平方向的相对位移, 但无竖向位移。水平向位移的最大值等于隔震支座的最大允许位移。在工程实践中, 隔震建筑在地震力下的最大位移值需要由结构专业提供, 作为机电专业隔震设计的依据。目前隔震建筑中常用的隔震支座最大允许位移一般在400 mm以内。

　　 以上分析可以看出, 穿越隔震层的竖向管线和进出建筑的横管管线都可能会受到隔震层 (沟) 两侧相对运动的影响。建筑给排水专业进出建筑的横管和建筑内部的立管类型多、数量大, 而且一般布置相对分散。所以在隔震建筑的机电设计与施工中, 给排水专业面临的挑战最大。为保证给排水管道系统在平时正常工作, 在地震时可以适应隔震建筑在地震力下的相对位移, 穿越隔震层的给排水管线需要设置合理有效的技术措施。为此笔者查阅了《建筑机电工程抗震设计规范》 (GB 50981-2014, 以下简称“机电抗震规范”) , 仅对机电工程设施的抗震、隔震设计标准提出了总体要求, 没有条文提及建筑内部机电管线穿越隔震层 (沟) 的具体技术措施。

　　 给排水管线穿越隔震层需要解决的问题是:在维持管道系统使用功能的前提下, 设置柔性连接以适应所在建筑采用的隔震支座的允许最大位移。笔者就隔震建筑中不同的隔震层设置位置对管线的影响进行梳理, 可以归纳为以下两种情况。

　　 在地下室顶板隔震、柱顶隔震和层间隔震的建筑中, 立管穿越隔震层, 与隔震层平面垂直相交, 立管上的a点和b点会在XY平面内产生相对位移D (见图2) 。地下室顶板隔震的建筑 (见图2a) 中如果横管的管道支吊架在隔震层上方结构顶板固定, 应采用隔震支架, 支架允许管道的自由位移应大于建筑采用的隔震支座允许的最大位移。

　　 在地下室底板隔震的建筑中, 建筑内部管道没有直接穿越隔震层, 管道上的a点和b点相对位置始终固定。进出建筑的横管位于与隔震层平行的平面内, 垂直穿越与地下室外墙水平的隔震沟, 横管上的b点和c点会在XY平面内产生相对位移D (见图3) 。

　　 目前, 给排水管道应对相对位移可以采用的柔性连接, 一般有金属波纹管、橡胶软管、套管伸缩器和它们的衍生产品, 如波纹管伸缩节。不同柔性连接附件 (以下统称管道补偿器) 的补偿能力与其制造材料的物理特性, 直径、长度以及壁厚等都有关系, 金属波纹管还与波纹管的波形、波距和波厚有关系。

　　 定性分析可以得出以下特点:金属波纹管的轴向位移补偿能力和角向位移补偿能力较大;橡胶软管的轴向位移补偿能力很小, 角向位移补偿能力较大;套管伸缩器由于构造原因, 只有轴向位移补偿能力, 无角向位移补偿能力。

　　 以下讨论中选用的管道补偿器特性见表1。目前设计中常用的管道补偿器安装形式有2种 (见图4) 。建议优先采用安装方式 (2) , 通过2个补偿器的补偿能力来应对隔震建筑在地震力作用下的位移。安装方式 (2) 可以减少单个补偿器需要承受的轴向补偿和角向补偿, 有效提高柔性连接的可靠性。以下的分析计算也以安装方式 (2) 为基础展开。对于安装方式 (1) 而言, 单个管道补偿器需要承担安装方式 (2) 中2个管道补偿器和中间管段对应的补偿要求。

　　 从表1可以看出, 金属波纹管同时具有轴向和角向补偿能力, 应对变形能力最好, 但由于自身的构造特性, 只适用于给水管, 不适用于重力排水管。对于重力排水管道, 为了减少管道补偿器对管道排水能力的影响, 可以考虑采用橡胶软管应对角向变形, 采用套管伸缩器应对轴向变形。

　　 从以上分析可以知道, 给排水管道在穿越隔震层和隔震沟时需要应对的隔震位移可以分为以下两种情况:立管 (垂直管段) 应对形变和横管 (水平管段) 应对形变。以下对两种情况的位移补偿措施分别讨论。

　　 立管轴向垂直于隔震层平面, 位于隔震层上、下两侧的管段在地震力作用下发生相对位移 (见图5) 。通过在立管可能发生形变的位置安装管道补偿器应对形变 (见图6) 。

　　 由于在地震力作用下, a点在XY平面内运动, 垂直于XY平面的立管和补偿器会产生角向位移和沿着两个补偿器之间倾斜管段的轴向位移。图7中L_B是指对应隔震建筑的最大位移下, 补偿器之间直线管段的长度与两个补偿器沿倾斜直线管段的轴向位移之和 (mm) 。立管上两个补偿器之间安装的直管段的最小长度应按式 (1) 计算确定:

　　 $L{}_{\text{v}}={\rm K}\frac{D}{\text{t}\text{a}\text{n}Q}(1)$

　　 式中 L_v——立管上补偿器之间直线管段的长度, mm;

　　 D ——隔震支座的最大允许位移, mm;

　　 Q ——补偿器的角向位移, °, 取补偿器允许的最大角向位移的40%～50%;

　　 K ——安全补偿系数, 取1.2。

　　 补偿器设计最大轴向位移量应按式 (2) 计算确定:

　　 $L{}_{\text{x}}=\frac{{\rm K}}{2}\left(\frac{D}{\text{s}\text{i}\text{n}Q}-L\right)(2)$

　　 式中 L_x——补偿器最大轴向位移量, mm;

　　 K ——安全补偿系数, 取2.0。

　　 对于金属波纹管和橡胶软接管, 产品一般不提供最大角向位移参数, 可以通过材料的允许弯曲半径和管段长度计算角向位移参数。图8中弧长A为金属波纹管或者橡胶软接管的长度, 管道由于发生弯曲造成的长度变化忽略不计。R为管道材料的允许弯曲半径。a点为弯曲后管道下游端口对应的轴向, 与管道对应的曲率圆周的相切点。补偿器的角向位移可以按式 (3) 计算确定:

　　 $Q=\frac{180A}{\text{π}R}(3)$

　　 式中 R——材料的允许弯曲半径, mm;

　　 A ——金属波纹管或者橡胶软接管长度, mm;

　　 π ——圆周率, 取3.14。

　　 综合以上分析, 立管柔性连接节点的安装要求可以归纳如下:

　　 (1) 管道补偿器的类型选择。立管应对形变过程中, 管道补偿器需要应对角向位移和极少量的轴向位移。结合给排水管道系统的水力特性, 立管上管道补偿器应按以下要求选用:①压力给水立管可以采用金属波纹管作为管道补偿器;②重力排水立管可以采用橡胶软管作为管道补偿器;③压力排水立管应优先采用橡胶软管补偿器, 在管道内水压超过橡胶软管工作压力的情况下, 可以采用金属波纹管作为管道补偿器。

　　 (2) 管道补偿器的参数选择。①对于管道补偿器安装方式 (1) (见图4a) , 管道补偿器自身的长度应不小于L_v+2d, L_v按式 (1) 计算, 同时管道补偿器的允许轴向位移应不小于2L_x, 按式 (2) 校核;②对于管道补偿器安装方式 (2) (见图4b) , 两个管道补偿器之间的直线管段的长度L_v应按式 (1) 计算, 同时管道补偿器的允许轴向位移L_x应按式 (2) 校核。

　　 (3) 管道补偿器的安装要求。①为保证管道补偿器应对角向位移和轴向位移的安全性, 管道补偿器连接的两根管道之间的轴向空隙应不小于连接管道的直径 (见图9) ;②管道补偿器与管道搭接长度应根据采用的连接方式的要求确定。

　　 横管轴向位于平行于隔震层的平面内, 横管的两端在地震力下发生相对位移 (见图10) 。通过在横管可能发生形变位置安装管道补偿器应对形变 (见图11) 。

　　 由于横管位于平行于隔震层的平面内, 管道受力形变的分析比之前立管与隔震层平面垂直的情况复杂, 还需要考虑沿横管轴向的形变。横管轴向位于平行于隔震层的平面内。从图12可以看出, 在未受到地震力影响的情况下, 横管柔性节点中管道端点位于o点。在地震力作用下, 该端点对应地震力下的最大位移D会在XY平面内运动到以o为圆心, 以D为半径的圆周上的任意一点。圆周上有几个特殊点位, 当管道端点o运动到a点和c点时, 横管补偿节点的补偿状态与立管垂直穿越隔震层的补偿状态完全一致。对于立管穿越隔震层平面在地震力作用下的补偿情况可以参见图6示意, 立管横断面在平行于隔震层的平面内可能的运动轨迹见图13。

　　 结合图12的分析, 当横管柔性节点的管道端点运动到a点和c点这两点时, 横管柔性节点和立管柔性节点的形变情况完全一致。以横管端点运动到a点的状态作为横管柔性节点形变分析的基准状态, 展开后续讨论。

　　 根据之前立管柔性节点的分析, Q是管道补偿器的角向位移。应取补偿器允许的最大角向位移的40%～50%, 以保证管道补偿器不发生塑性变形和渗漏。从图14可以分析得出, 当横管节点在地震力作用下运动到圆周上的abc弧线和fdg弧线时, 管道补偿器的角向位移Q_e均小于Q。当横管节点在地震力作用下运动到圆周上的ahf弧线和对应的gc弧线时, 管道补偿器的角向位移Q_e会大于Q。为了控制管道补偿器的角向位移, 可以采取延长两个管道补偿器之间直线管段的方式。h点是对应角向位移Q, 与运动轨迹圆周的切点, 此时对应需要的两个管道补偿器之间直线管段的长度最大, 记为L_h。即横管上两个补偿器之间安装的直管段的最小长度应按式 (4) 计算确定:

　　 $L{}_{\text{h}}={\rm K}\frac{D}{\text{s}\text{i}\text{n}Q}(4)$

　　 式中 L_h——横管上补偿器之间初始直线管段的长度, mm;

　　 D ——隔震支座的最大允许位移, mm;

　　 Q ——补偿器的角向位移, °, 取补偿器允许的最大角向位移的40%～50%;

　　 K ——安全补偿系数, 取1.2。

　　 与之前分析的立管柔性节点不同, 横管柔性节点还要考虑管道轴向在地震力作用下的形变补偿。式 (4) 计算的L_h是指两个管道补偿器之间直管段未发生轴向拉伸或者压缩情况下的初始长度。

　　 从图15可以看出, 管道端点o当运动到b点时, 横管节点需要应对最大的轴向拉升, 管道补偿器无角向变形;当运动到d点时, 横管节点需要应对最大的轴向压缩, 管道补偿器无角向变形。横管轴向的最大位移补偿量应按式 (5) 计算确定:

　　 $L{}_{\text{x}}=\pm {\rm K}D(5)$

　　 式中 L_x——补偿器最大轴向位移量, mm;

　　 K ——安全补偿系数, 取1.2。

　　 综合以上分析, 横管柔性连接节点的安装要求可以归纳如下:

　　 (1) 管道补偿器的类型选择。横管应对形变过程中, 管道补偿器需要应对角向位移和轴向位移。结合给排水管道系统的水力特性, 横管上管道补偿器应按以下要求选用:①压力给水横管可以采用金属波纹管作为管道补偿器;②重力排水横管可以采用橡胶软管和套管伸缩器作为管道补偿器;③压力排水横管应优先采用橡胶软管和套管伸缩器作为补偿器, 在管道内水压超过橡胶软管和套管伸缩器工作压力的情况下, 可以采用金属波纹管作为管道补偿器。

　　 (2) 管道补偿器的参数选择。①对于采用金属波纹管的柔性连接节点 (见图15a) , 两个金属波纹管轴向中心之间的初始长度L_h应按式 (4) 计算, 同时金属波纹管的允许轴向形变应按±0.5L_x校核, L_x按式 (5) 计算;②对于采用橡胶软管和套管伸缩器的柔性连接节点 (见图15b) , 两个橡胶软管之间安装了套管伸缩器的直管段 (在套管伸缩节未做轴向形变的初始状态下) 的长度L_h, 按式 (4) 计算, 同时套管伸缩器的允许轴向形变应按±L_x校核, L_x按式 (5) 计算。

　　 (3) 管道补偿器的安装要求。①为保证管道补偿器应对角向位移和轴向位移的安全性, 管道补偿器连接的两根管道之间的轴向空隙应不小于连接管道的直径 (见图15) ;②管道补偿器与管道搭接长度应根据采用的连接方式的要求确定。

　　 通过对隔震建筑中各种隔震层 (沟) 设置情况下给排水管道的受力和形变分析.对给排水管道穿越隔震层 (沟) 的技术措施总结如下:

　　 (1) 给排水管道穿越隔震层和隔震沟时, 应设置柔性连接措施。

　　 (2) 柔性连接的设计目标是在保证管道系统正常使用功能的前提下, 适应隔震支座的允许最大位移。

　　 (3) 柔性连接中管道补偿器的类型和安装方式应根据管道和隔震层 (沟) 的空间关系和管道的水力特性选择。

　　 (4) 柔性连接中管道补偿器的安装要求应根据需要应对的隔震建筑位移补偿量和管道补偿器参数条件计算确定。

　　 (5) 应根据隔震建筑的相对位移情况, 合理选择、综合应用固定支架和隔震支架, 隔震支架允许管道的位移应大于建筑采用的隔震支座的允许最大位移。