高层建筑燃气设计有关问题的探讨

薛 晟

高层建筑燃气设计有关问题的探讨

薛 晟

探讨了高层建筑燃气管道设计及设计过程中的问题。

高层建筑；燃气设计；沉降量；补偿措施；附加压头；应力计算

近年来，随着城市建设的不断发展和建筑业的兴盛，在各大城市中，大量的高层建筑（10层以上建筑）乃至超高层建筑（40层以上或高100 m以上建筑）已经建成和正在建设之中。其中尤以高层普通住宅和商住用房更突出。这类建筑要求燃气的供应必须与之配套。鉴于高层建筑的特殊性，在进行其燃气管的设计时，就必须解决在多层建筑中对燃气管和燃气供应影响不大而可以忽略不计、但在高层建筑中的燃气管和燃气供应就不可忽略的一些因素。其影响因素主要有以下几点：

①高层建筑因其体积和自重远大于普通建筑，其地基下沉对燃气引入管的影响；

②高层建筑高度较高，因燃气比重与空气比重的差异所产生的附加压头对用户灶具使用的影响；

③高层建筑燃气立管的自重引起的压缩应力、管道因环境温度变化所带来伸缩量及热应力的影响；

④高层建筑在受到地震和风荷载的影响下，会产生一定量的变形，设于其上的燃气管道随之产生的弯曲应力的影响等。

本文拟就上述几点影响因素，提出一些消除方法。

1 消除高层建筑的沉降对燃气引入管的影响的方式

高层建筑因自重会产生一定量的沉降，燃气引入管自室外进入室内时，此段管道在建筑物沉降过大时会受到损坏，为此必须在燃气引入管处采取沉降量的补偿措施。通常是在紧贴建筑物基础外侧设沉降箱，在沉降箱内再采取如下方式。

方式一：采用多个丝扣联接的弯头按顺时针方向组合，利用丝扣一定量的可旋转性产生的管道上下位移进行沉降量的补偿。

方式二：利用铅管的可挠性进行补偿。

方式三：选择不锈钢金属波纹软管，利用其可挠性进行补偿。

方式四：将通用型波纹补偿器垂直安装于引入管上，利用其伸缩能力进行沉降量的补偿。

方式一中，多个弯头埋于地下，其螺纹部分软管道易于腐蚀，且在施工过程中极易形成反时针现象。当管道下沉时，某些丝扣会反时针方向转动，从而影响其气密性。

方式二中，铅管在弯曲过程中易于扁平，从而影响管道的通过能力。

方式四中，通用补偿器可通过计算选择满足沉降量的补偿，但对其他方向位移的补偿能力有限。另外，波纹补偿器的安装要求也高于其他几种方式。

方式一、二、四对地震频发地区也不太适合。

因此，选择何种方式，必须根据当地的具体情况。本文中认为，方式三是进行燃气引入管沉降量补偿的最佳方式。

2 燃气立管上附加压头的影响的消除方式

因燃气与空气的容重有差异，燃气或轻于空气或重于空气，造成燃气立管上附加压头的产生。

式中：ΔP——附加压头，Pa；

H——管道始末端的高程差，对于上升管段，H值取正值，反之取负值，m；

Ra——空气密度，1.293 kg/m3；

Rg——燃气密度，kg/m3；

g——重力加速度，取9.81 m/s2。

以上升管段为例，当燃气容重小于空气容重时，ΔP值为负，反之ΔP值为正值。

对家用燃气灶来说，其灶前允许压力波动范围是灶具额定工作压力的0.5～1.5倍。在家用燃气灶的颁布标准（CJ-83）中也列出了与灶具工作压力有关的灶具性能参数，即必须以灶具额定工作压力的0.5～1.5倍压力进行测试并符合要求的规定。当灶具在灶前压力大于1.5倍额定工作压力下使用时，将会使灶具的热效率下降，火焰的稳定性（离焰、脱火） 下降，带电子点火装置的灶的点火成功率下降；同时使灶具的燃烧噪声加大，烟气中一氧化碳的含量也会有所增加。

当整个低压管网只有极少数用户在用气，而高层建筑又离调压房较近时，自调压房出口管至表前的整个管段的压降微乎其微，可认为引入管前压力接近于调压房出口压力，附加压头的叠加就极易使某些层次以上的用户灶前压力超过其最高允许压力波动范围。这种工况是高层建筑燃气管网的最不利运行工况。把这种运行工况作为考虑对象，用户灶前压力按下述公式计算：

式中：P2——灶前压力，Pa；

P1——调压房（器）出口压力，Pa；

ΔP1——主干管及庭院支管压降，Pa；

ΔP2——立管至灶前分支管压力降，取200 Pa（表压降为150 Pa左右）；

P附——附加压头，Pa。

在最不利工况下，ΔP1忽略不计，当灶前压力达到灶具额定工作压力的 1.5倍时，式 （1） 变为：

式（2） 可用于确定附加压头增加至多少时，灶前压力会超过其额定工作压力。

以南京市燃气供应为例，人工煤气的灶具额定工作压力为1 000 Pa，调压房出口压力为1 500 Pa。取式（2）中P1=1 500 Pa（低压管网处于最不利运行工况），当附加压头大于200 Pa时，灶前压力会超出最高允许压力，因此附加压头的允许极限取200 Pa为宜。

煤气容重为 0.42 kg/m3～0.59 kg/m3（一般取0.55 kg/m3），附加压头约为6 Pa/m。当住宅高度超过33 m时，就应考虑附加压头的影响。

消除附加压头影响的方式：

方式一，通过管道水力计算，用增加管道阻力的方式消除附加压头的影响，如改变立管口径、立管上增加阀门等。

方式二，从附加压头超过200 Pa的层次开始，在立管上设置低-低压调压器，使灶前压力稳定在额定工作压力范围内。

方式一中，当高层建筑自顶层开始有极少数用户用气时，其附加压头几乎未有所减少。

方式二中，当调压器出现故障时，其后的用户将受其影响。

方式三应该是消除附加压头的最理想的方式。

在日本名古屋市一栋高层高级公寓中，自20层开始的天燃气用户表前，使用了由爱知时针电机株式会社生产的HRT-7型调压装置，该装置的入口压力范围为1 500 Pa～5 000 Pa，出口压力为2 100 Pa，通过流量为7 m3/h。

目前在国内的一些燃气设备展览会上也有一种用户低-低压调压器，调压器的进口压力为1 500 Pa，出口压力为1 000 Pa，最大流量为5.6 m3/h。

3 燃气立管的应力计算及应力消除方式

高层建筑内因立管较长，管道较重，管道上会产生压缩应力。因受环境温度变化的影响，立管会产生伸缩变形和热应力。另外，建筑物在受到风荷载和地震的影响时均会产生一定的摆动，燃气立管因受穿楼板套的限制也会随之摆动从而产生弯曲应力。此3种应力在高层建筑燃气立管的设计中均不可忽视。

3.1 压缩应力

因管道自重产生的压缩应力：

近年来，文化例外条款是全球多边贸易谈判中一个不可避免要被谈及的问题，其本质是强调文化产品的文化属性，要求将其与一般商品区分开。对文化遗产的保护属于人类共同利益，我们需要考虑，是否应该扩大对于文化例外条款内涵的理解，并将其同样适用于国际投资法领域？

式中：σ——压缩应力，N/mm2；

W——管道自重，当立管上无承重支撑时为全部立管之重量，N；

A——立管截面积，A=π（D-d）2/4，mm2；

D——管道外径，mm；

d——管道内径，mm。

普通碳钢（A3） 在工作环境温度小于100℃时的许用应力 [σ]=113 N/mm2，根据管道允许自重W允许≤ [σ]×A可计算出不同管径的允许管长（见表1）。

表1 根据管道允许自重计算的不同管径的允许管长

根据表1计算可知，当管长超过1 400 m时，因管重引起的压缩应力会超过管材的许用应力，而如此高的立管长度对一般高层建筑是不可能的，故该压缩应力对管材的破坏性可不予考虑，但在考虑管道推力和综合应力时则不可忽视，为此必须将立管重量采用分层支撑的方式给予均摊。

3.2 伸缩量与热应力及其消除方式

随着立管周围环境温度的变化，会产生伸缩变形和热应力。管道两端不固定时伸缩量的计算公式：

式中：Δl——伸缩量，mm；

C——线膨胀系数（碳钢C=12×10-2mm/℃m）

Δt——环境温差，℃。

一般室外取60℃，室内无空调时取40℃、有空调时取20℃，如果将管道两端固定，产生的热应力的计算公式为：

式中：σr——热应力；

E——弹性模数（钢取2.1×105MPa）。热应力只与管道材质和温度变化有关，与管长、管径无关。不同温差时的热应力、不同管长时的伸缩量的计算结果见表2。

表2 不同温差时的热应力及不同管长时的伸缩量

当管道两端固定时，因不能自由伸缩，故将对两固定端形成推力，计算公式如下：

以口径DN50的管道为例，在不同温度下的推力计算如下：

如此大的推力，如果作用在楼板等处，将形成极大的破坏力。因此，必须对立管的伸缩量和热应力采取有效的补偿措施。一般采取如下方式：

方式一，在立管上采用多处弯头的组合进行补偿；

方式二，在立管上设置一个或多个波纹补偿器进行补偿。

多个弯头设于户内将影响美观；另外，如果采用丝扣弯头长期进行伸缩量的补偿，将造成丝口的松动。因此，方式一不便于采用，方式二为理想的补偿方式。

选择波纹补偿器时必须根据管道伸缩量和补偿器的补偿能力来确定选一个或多个补偿器。南京目前普通采用的是工作压力为0.25 MPa的通用型波纹补偿器。

用波纹补偿器进行补偿的管段间两端必须固定，固定方式可和管承重支撑一并考虑。

3.3 弯曲应力

弯曲应力的计算公式：

式中：σ——弯曲应力，N/mm2；

E——弹性模数；

I——管道断面回转半径，mm；

H——层高，mm。

高层建筑在地震7度的地区受地震影响时的允许层间相对水平位移量一般取层高的1/1 500。

高层建筑受风荷载影响时的允许层间相对水平位移量一般取层高的1/3 000。

设于高层建筑内的燃气立管的层间相对水平位移量取建筑物的层间相对水平位移量的1.5倍。

根据管道弯曲应力应小于其管材许用应力 [σ]，计算出不同口径管道的允许层间相对位移量，见第19页表3。

在受地震影响时（地震烈度7度以下地区），建筑物允许层间相对水平位移量在层高为3 m时为2 mm，该值远小于管道的允许位移量（见表3）。所以，当立管已采取承重支撑和伸缩补偿措施后，在这种情况下产生的弯曲应力对管道的破坏作用可不予考

Issues on Design to Gas for High-rise Building

Xue Sheng

This article mainly studies the design to gas pipeline for the high-rise building and points out the problems during design.

high-rise building;gas design;settlement;compensation measures;additional pressure head;stress calculation

TU996.7

A

1000-4866（2011）01-0014-03

表3 不同口径管道的允许层间相对位移量

薛晟，男，1970年出生，1994年毕业于太原工业大学（化工系），工学学士，现在大同煤矿集团公司煤气厂工作，工程师。

2010－11－26

2010－12－22