高层建筑燃气设计有关问题的探讨

摘要：近年来，随着城市建设的不断发展和建筑业的兴盛，在各大中城市中，大量的高层建筑（十层以上建筑）乃至超高层建筑（四十层以上或高100米以上）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为突出，（以南京市为例，市区内已建和待建的高层建筑将达三百栋，其中多为高度一百米以下的普通住宅，也有近五十层左右的商住楼。）这类建筑要求燃气的供应必须与之配套。

关键词：高层建筑；燃气设计；问题

1 消除高层建筑的沉降对燃气引入管影响的方式

高层建筑因自重会产生一定量的沉降量，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的设沉降箱，在沉降箱内再采取如下方式：

方式一：多个弯头的组合方式

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来进行沉降量的补偿。

方式二：铅管方式

利用鉛管的可桡性进行补偿。

方式三：金属软管方式

选择不锈钢金属波纹软管，利用其可扰性进行补偿。

方式四：金属通用型波纹补偿器方式

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，其螺纹部分较管道易于腐蚀，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来满足沉降量的补偿，但对其它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它几种方式。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的沉降量补偿的最佳方式。

2 燃气立管的应力计算及其消除方式

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，立管会产生伸缩变型和产生热应力。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管的限制也会随之摆动从而产生弯曲应力。

2.1 压缩应力

因管道自重产生的压缩应力计算公式为：

σ=W/A

式中σ——压缩应力（牛/毫米2）

w——管道自重（牛）当立管上无承重支撑时为全部立管之重量

A——立管截面积（毫米2）

A=Л（D2=d2）÷4

D——管道外径（毫米）

d——管道内径（毫米）

普通碳钢（A3）在工作环境温度小于100℃时的允许应力

[σ]=113牛/毫米2）

当管长超过1400米时，因管重引起的压缩应力才会超过管材的允许应力，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预考虑，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。

2.2 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，会产生伸缩变型和热应力。管道两端不固定时伸缩量的计算公式为：

△1=C△tL

式中 △1——伸缩量（毫米）

C——线膨胀系数（碳钢C=12×10-2毫米/℃·米）

△t——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时，产生的热应力的计算公式为：σr=E△tC 式中 σr——热应力（牛/毫米2） E——弹性模数（钢取2.1×105兆帕）

当管道两端固定时，因不能自由伸缩，固将对两固定端形成推力，计算公式如下：

F=σr×A

以口径DN50的管道为例，在不同温度下的推力计算如下：

温差10℃时：F=25.2×620.94=15647.7牛≈1.56吨

20℃时：F=50.4×620.94=31295.4牛≈3.13吨

40℃时：F=100.8×620.94=62590.7牛≈6.26吨

60℃时：F=151.2×620.94=93886.1牛≈9.39吨

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：在立管上采用多个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一个或多个补偿器。南京目前普遍采用的是工作压力为0.25MPa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承一并考虑。

我国目前的燃气设计规范中对固定方式和承重支承方式均未涉及，现介绍日本某煤气公司在其施工规范中规定的一些固定和支承方式。

2.3 弯曲应力

弯曲应力的计算公式为：

σW=12EI/H2

式中σw——层间相对水平位移（毫米）

I——管道断面回转半径（毫米）

H——层高（毫米）

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1/1500。

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1/3000。

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

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米时为2毫米，该值远小于管道的允许位移量（表3中）。所以，当立管已采取承重支承和伸缩补偿措施后，在这种情况下产生的弯曲应力对管道的破坏作用可不预考虑。

4 结束语

以上是本人结合实际工作所得出的结论。在进行高层建筑燃气管道设计还必须考虑的其它方面如管道走向的规范要求、管道的联结方式等，本文中就不再赘述。文中如有不妥之处烦请指教。

参考文献：

[1]《城镇燃气设计规范（GB50028-2006）》[S].中国建筑工业出版社，2009.

作者简介：付毅，身份证号码：410511198901311711endprint