管架结构的抗震性能研究与探讨

陆景慧 高明旭 孙蕾 井帅 钱睿

(北京市煤气热力工程设计院有限公司 100032)

引言

管架作为管道的支承结构， 广泛应用于工业管道、 市政管道、 建筑机电设备管道等各类管道工程中[1]。 其中既有重要的生命线管道(如自来水)， 也有易引发严重次生灾害的燃气、 化工等管道， 管架结构的抗震性能至关重要。

虽然管架应用于不同行业， 具有不同的使用功能， 结构形式也多种多样， 但是在管架结构的抗震特性等方面， 存在着很多共性。 本文将针对几种不同的管架类型， 进行结构抗震性能的研究与探讨， 并提出几点体会与建议， 希望可以为管架的抗震设计提供参考。

1 相关现行规范及适用性分析

目前与管道抗震设计相关的国家现行规范，主要有《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》(GB 50032 -2003)[2]、 《油气输送管道线路工程抗震技术规范》(GB/T 50470 -2017)[3]、《构筑物抗震设计规范》(GB 50191 -2012)[4]、《化工工程管架、 管墩设计规范》(GB 51019 -2014)[5]、 《建筑机电工程抗震设计规范》(GB 50981 -2014)[6]、 《非结构构件抗震设计规范》(JGJ 339 -2015)[7]等。 其中与管架结构抗震设计密切相关的主要有《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》、 《构筑物抗震设计规范》、《化工工程管架、 管墩设计规范》和《建筑机电工程抗震设计规范》等。

根据现行国家标准《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》、 《构筑物抗震设计规范》、 《化工工程管架、 管墩设计规范》， 依靠管道正常运行工况下的管架体系， 在充分考虑地震作用组合前提下， 一般无需另外增设其他抗震管架。

根据现行国家标准《建筑机电工程抗震设计规范》， 抗震管架是与管道正常运行无关的独立设置的一套管架系统， 不承担管道重力， 不具有固定或限位功能。 组成抗震管架的所有构件应采用成品构件。 该规范同时直接给出了沿管线侧向及纵向抗震管架间距的计算公式和最大间距限值。

根据大量的震害调查分析， 与一般建(构)筑物相比， 整体连接的钢制管道， 其震害要明显小于相同场地的建(构)筑物结构。 这主要是由于整体连接的管道属于匀质连续的线形结构， 材料强度高、 连接可靠、 材料一致性好， 具有良好的延展性， 能够吸收较大的弯曲与轴向变形， 其抗震性能明显好于一般建(构)筑物结构。

同样根据震害调查分析， 管道采用架空敷设时， 其震害也会明显小于地下直埋敷设。 这主要是由于与地下直埋敷设管道相比， 架空敷设管道无论是在运行工况还是在地震工况下， 其所处的工作环境都要相对宽松许多， 管道有充分的自由变形空间与条件。 在地震发生时， 露天场所本身就属于人类的安全避难区域， 对于架空管道来讲同样如此。 大量的震害调查与分析表明， 除非发生相邻建(构)筑物倒塌砸坏管道、 管架结构倒塌或者管道从管架上掉落下来， 鲜有管道发生破坏的实例。

多年来的工程实践充分证明， 根据具体工程的管道布置及运行条件， 按管道正常运行工况所确定的管架体系， 在充分考虑地震作用前提下，一般无需设置其他抗震管架， 即可充分满足管道及其管架结构的抗震安全需要。 管架结构抗震设计时的地震作用、 抗震验算、 抗震构造等， 应符合现行《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》、 《构筑物抗震设计规范》、 《化工工程管架、 管墩设计规范》的相关规定。

2 管架分类及常见结构形式

2.1 管架分类

管架按使用功能可分为固定管架、 导向管架(或称为侧向限位管架， 下同)和活动管架三种类型。 其中固定管架作为管道的固定点， 管架与管道之间不允许发生各方向相对位移(包括纵向、侧向和竖向位移)； 导向管架一般仅限制管道的侧向位移； 活动管架不限制管道变形， 允许管道与管架之间发生热位移。

2.2 常见结构形式

管架结构形式需根据管架的使用功能、 结构支承条件、 管道荷载等因素确定， 常见的结构形式主要有以下几种:

1. 植根于地面、 管廊底板或建(构)筑物主体结构上的落地管架， 适用于各类管架。 如图1 所示。

2. 位于管廊或建(构)筑物内， 管架主要构件两端与主体结构(或地面)均有可靠连接， 适用于各类管架。 如图2 所示。

3. 植根于建(构)筑物或管廊侧墙(或柱)上的挑出式管架， 适用于各类管架。 如图3 所示。

4. 植根于建(构)筑物楼板或管廊顶板底面的悬挂式管架， 适用于各类管架。 如图4 所示。

5. 在实际工程中， 受到特定工程条件制约或根据工艺设计需要， 有时会采用摇摆式管架， 即管架承重杆件一端与建(构)筑物主体结构(或地面)之间的连接以及另一端与管道之间的连接均为铰接， 管架可随管道同步摇摆， 此类管架仅适用于活动管架[8]。 如图5 所示。

图1 落地管架Fig.1 Landing support(pier)

图2 立柱两端有可靠连接的管架Fig.2 Supports with reliable connections at both ends of the column

图3 悬挑管架Fig.3 Cantilever bracket

图4 悬挂式管架Fig.4 Hanging bracket

图5 摇摆式管架Fig.5 Swing hanger

3 管架抗震计算单元的确定

由于管道种类繁多， 难以一概而论。 考虑到在常用的各类管道中， 热力管道输送介质温度较高、 压力较大， 工艺设计较为复杂， 在技术研究角度上具有较好的代表性， 本节内容将主要以架空热力管道为例进行简要分析。

根据现行国家标准《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》、 《构筑物抗震设计规范》、 《化工工程管架、 管墩设计规范》， 为便于分析计算， 一般将相邻两个补偿器或自然补偿弯头之间的一段架空管道(含各类管件、 设备)， 划分为一个管道抗震计算单元(以下简称“计算单元”)， 进行管道及其管架结构的抗震分析。

根据正常运行工况下计算单元内管道与设备的不同布置， 计算单元主要有以下几种常见类型:

1. 计算单元两端为自然补偿弯头、 直管段较短的“Z”型管道布置， 如图6 所示。 此类计算单元最为简单， 可仅设置活动管架。

图6 “Z”型管道布置Fig.6 “Z” type pipe layout

2. 计算单元两端均为“π”型补偿器、 直管段较长的管道布置， 如图7 所示。 计算单元内设置一处固定管架及若干活动管架。

图7 “π”型管道布置Fig.7 “π” type piping arrangement

3. 计算单元两端采用波纹管补偿器或套筒补偿器的管道布置， 如图8 所示。 计算单元内除设置一处固定管架及若干活动管架外， 根据工艺设计要求， 在补偿器附近需设置导向管架， 保证补偿器沿管道轴向位移或伸缩变形， 并防止波纹管补偿器侧向失稳。

图8 两端采用波纹管补偿器的管道布置Fig.8 Pipeline system with ripple compensator at both ends

4. 计算单元内采用波纹管补偿器或套筒补偿器并设有管道切断阀门的管道布置， 如图9 所示。 计算单元内设置有一处固定管架、 若干导向管架及活动管架。

图9 带有管道切断阀门的管道布置Fig.9 Piping system with pipe cut-off valve

5. 计算单元内设有管道分支的管道布置， 如图10 所示。 分支附近往往会设置固定管架以保护三通安全性， 计算单元内其他管架仍常规布置。

图10 带有管道分支的管道布置Fig.10 Pipeline system with pipeline branches

4 管架结构抗震

4.1 固定管架

1. 抗震性能要求

固定管架原则上不允许管道发生各向位移。但是在实际工程中， 管架结构只有在发生一定弯曲或拉压变形后， 才能提供相应的位移反弹力(即管架反力)。 所以， 固定管架结构在管道推力作用下， 不可避免会产生一定量的位移或变形，根据工艺专业要求， 热力管道固定管架一般控制其位于管道中心点的结构变形值不超过30mm。

如图6 ～图10 所示， 为确保管道的正常温度伸缩位移， 在一个计算单元内只允许设置一处固定管架， 无需增设其他纵向抗震管架。 对于供热管道， 如纵向抗震管架增设不当， 可能会威胁到管道的正常运行安全。

做为管道纵向抗震的主体结构， 固定管架应具有足够的抗侧移刚度， 严格控制管道的纵向地震位移。

2. 管架结构形式

固定管架结构上的地震组合作用值(含管道运行推力及水平地震荷载等， 下同)和管架高度往往会相差很大， 同时受到工程条件等多种因素制约， 管架结构形式多种多样。

实际工程中， 当固定管架结构上的地震组合作用值较大时， 固定管架多采用如图1、 图2 所示的框(排)架结构形式； 当固定管架上的地震组合作用值较小时， 图3、 图4 所示的结构形式也会经常采用。

3. 地震作用

整体连接的钢制管道在一个计算单元内沿纵向具有足够的拉压稳定性及整体性， 当地震动沿管道纵向时， 受到固定管架约束， 管道与固定管架组成一个近乎完美的单质点结构体系， 符合底部剪力法进行地震验算的结构特征。

根据现行国家标准《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》、 《构筑物抗震设计规范》、 《化工工程管架、 管墩设计规范》， 当地震动沿管道纵向时， 将计算单元内的管道作为一个整体， 进行水平地震作用计算， 再根据计算单元内固定管架和全部活动管架的水平抗侧移刚度的比值， 将水平地震力分配到每个管架上； 当地震动沿管道侧向时， 由于管道的抗弯刚度较小， 通常按每个固定管架仅承担单跨管道的水平地震力进行计算。

4.2 导向管架

1. 抗震性能要求

导向管架与固定管架在功能上的区别， 主要在于导向管架仅限制管道在特定方向(主要为侧向)的位移， 其在该方向上的抗震性能要求与固定管架基本一致。

2. 管架结构形式

导向管架上的地震组合作用值较为有限， 实际工程中一般与活动管架合并设置。

3. 地震作用

导向管架结构上的地震作用值， 为地震动沿管道侧向时的管道水平地震力。 每个导向管架仅承担单跨管道的水平地震力， 采用底部剪力法计算确定。

4.3 活动管架

1. 抗震性能要求

(1)活动管架的抗震性能主要应满足以下两点要求: 一是应具有足够的承载能力和可靠的稳定性， 保证管架结构在地震组合作用下不破坏、不倾倒； 二是要采取可靠的防脱落措施， 保证管道在地震期间不会掉下来。

(2)活动管架与管道之间允许相对滑动(滚动)， 使得管架结构对于其所支承的管道， 具备了一定的减震效能， 从而降低管道的水平地震效应。 对于摇摆式管架， 由于其出色的吸收变形能力， 其对管道的减震效能更为明显。 活动管架抗震设计应秉承“抗放结合、 刚柔并济”的技术理念， 充分释放和利用管架结构所具备的减震效能。

2. 管架结构形式

活动管架结构形式可以多种多样， 管架结构选型应因地制宜， 注重适用性。 同时需注意:

(1)在管道平面折点及其影响区段， 应根据正常运行工况下的管道侧向水平位移(应根据管道布置及运行条件确定， 并适当预留施工安装误差)， 在活动管架上为管道预留足够的侧向位移条件， 避免活动管架功能转换， 变成限位管架。

(2) 在管道竖向翻身位置， 在正常运行工况和地震工况下， 管道均有向上移动或变形的可能， 此处的活动管架建议选用弹簧吊架(属于一种摇摆式管架)， 避免管架与管道脱离而丧失支承功能的情况。

3. 地震作用

(1)每个活动管架仅承担单跨管道的水平地震力。

(2)除摇摆式管架外， 活动管架结构与管道之间， 一般采用滑动(或滚动)接触。 在地震动较小时， 管架与管道同步晃动， 结构上的水平地震力为管架结构的位移反弹力， 最不利作用方向为管架结构主要构件的最薄弱截面方向； 当地震动达到一定程度时， 管架与管道之间发生相对滑动(或滚动)， 管架结构上的水平地震作用为接触面上的摩擦力， 最不利作用方向为管架结构主要构件的最薄弱截面方向； 当地震动进一步加大， 直至管架两侧防止管道脱落的侧挡发挥作用， 管架结构上的水平地震力， 尚应计入管道施加在管架侧挡上的水平地震作用， 该项作用可采用底部剪力法计算， 但考虑到管道与管架之间可相对滑动(或滚动)， 具有一定的减震效能， 在按底部剪力法计算时可适当折减。

5 意见与建议

1. 依靠管道正常运行工况下的管架体系， 在充分考虑地震作用组合前提下， 一般无需另外增设其他抗震管架， 即可充分满足管道及其管架结构的抗震安全要求。

2. 为确保管道的正常温度伸缩位移， 在一个计算单元内只允许设置一处固定管架， 并作为管道纵向抗震的主体结构， 无需增设其他纵向抗震管架。 对于供热管道， 如纵向抗震管架增设不当， 可能会威胁到管道的正常运行安全。

3. 活动管架抗震设计应秉承“抗放结合、 刚柔并济”的技术理念， 充分释放和利用管架结构所具备的减震效能。