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建筑设备抗震止动装置设计

发表时间：2021/5/25 来源：《基层建设》2021年第2期作者：孙权

[导读] 摘要：在建筑的建造中，建筑设备的抗震设计往往容易不受专业工程师的重视，同时由于建筑设备的抗震设计为施工的难点和重点，由此如何设计及计算建筑设备的抗震是施工过程中的重要内容。

        上海茂秀置业有限公司上海 200000
        摘要：在建筑的建造中，建筑设备的抗震设计往往容易不受专业工程师的重视，同时由于建筑设备的抗震设计为施工的难点和重点，由此如何设计及计算建筑设备的抗震是施工过程中的重要内容。本文主要结合国内外相关资料对于建筑设备抗震止动装置的设计及计算进行总结，由此来应对不同的设备重量对装置的需求以满足抗震要求。由于全国各地对于改装置的名称叫法不统一，故本文将其作用定位其名称。
        关键词：建筑设备；抗震止动装置；水平力；拉拔力；弯曲力矩
        1.抗震止动装置的抗震支撑
        1.1.抗震止动装置
        建筑设备机器在进行减振支撑的时候，当无法采用固定螺栓进行抗震支撑时，应使用抗震止动装置。
        同时抗震止动装置的板厚的计算由于不考虑机器设备与装置的冲撞，故装置与机器设备之间的间距应考虑在平时运行时2者之间不相互接触。
        1.1.1.抗震止动装置的种类
        抗震材料与抗震装置的种类有许多，与机器设备的组合也存在多样。在什么样的情况下采用何种形式的抗震止动装置应经过慎重的考虑。作为参考，常规采用的抗震止动装置的形式如下所示。
        使用弹簧减振等存在大挠度的减振材料时，应采用防止移动、倾覆的形式。选用防拉杆形以外的抗震止动装置时，应考虑地震时减振材料的拉拔是否能满足相关技术要求。
        抗震止动装置主要有防止移动形的L形挡板形、防止移动、倾覆形的Z形挡板形，防拉杆形，具体样式如下所示。其他形式也可参考如下形式进行调整。
        ①防止移动形抗震止动装置
        主要采用型钢或钢板进行制作、用于防止设备在地震时水平移动。

        图-1
        ②防止移动、倾覆形的Z形挡板形
        主要采用型钢或钢板进行制作、用于防止设备在地震时水平移动及机器设备倾覆。

        图-2
        ③防拉杆形抗震止动装置（防止移动、倾覆型）
        防拉杆形抗震止动装置在平时设备运行时应处于机器设备与减振台架不接触的状态，当地震时用于防止机器设备的水平方向的移动及防止倾覆。

        图-3
        1.1.2.抗震止动装置的设计计算流程
        选定抗震止动装置是，应根据以下流程进行计算，同时应根据拉拔力T0是否作用来决定防止移动形抗震止动装置和防止移动、倾覆形抗震止动装置的选型。
        ①防拉杆形抗震止动装置的计算：
        假定防拉杆形抗震止动装置拉杆螺杆的尺寸，计算σtb、τ的值，判定fb≥σtb是否成立，不成立重新确定螺杆尺寸，成立后判定fs≥τ，不成立重新确定螺栓尺寸，成立后计算螺杆的Rb、Q，最后选定螺杆的尺寸。（相关公式可参考1.4章节内容）
        ②挡板形抗震止动装置的计算：
        计算拉拔力T0是否大于0，大于0采用防止移动、倾覆形抗震止动装置，公式参照式-3，小于0采用防止移动形抗震止动装置，公式参照式-2，成立后计算固定螺栓的Rb、Q，最后选定固定螺栓的尺寸。
        1.1.3.拉拔力T0的计算
        在采用出防拉杆形抗震止动装置的时候，应充分考虑地震时减振装置是否会在地震时脱开、拉断。
        根据图-4把支撑部B作为中心考虑倾覆挠度，可采用下式计算拉拔力T0（kN）

        图-4
        其中：G：机器设备的重心位置 W：机器设备的重量（kN）
        hG：从机器设备支撑部到机器设备重心的高度（cm）
        l：从长边方向观察的支撑长度（cm）
        lG：从长边方向观察的支撑部中心到机器设备重心的距离（同时lG≤l/2）（cm）
        KH：设计用水平震度 KV：设计用铅垂震度
        T0：支持部A所受的拉拔力（kN）
        当T0≤0时，即hG/ lG≤（1- KV）/ KH时
        减振装置不会产生拉拔，可以采用防止移动形抗震止动装置
        当T0＞0时，即hG/ lG≤（1- KV）/ KH时
        由于减振装置会产生拉拔，应采用防止移动、倾覆形抗震止动装置
        1.1.4抗震止动装置的抗震支撑
        抗震止动装置的使用对象不仅仅限于抗震机器设备。无减振措施的机器设备也适用于该设计。通过设置抗震止动装置来对机器设备的抗震能力进行补强。根据图-5抗震止动装置与机器设备采用螺栓进行直接固定。

        图-5
        1.2防止移动形抗震止动装置的计算
        防止移动形抗震止动装置板厚的计算应确保板材的弯曲力矩的应力度满足容许应力度算出相应的板厚。在水平力Q0=KH・W作用时，对于固定螺栓的拉拔会对抗震止动装置的端头附近产生压缩力。端头压缩力的合力会在距离端头稍微内侧的部位产生，但是便于计算可以视作为在端头处作用。
        并且水平力仅考虑单侧的抗震止动装置，应确保单侧的抗震止动装置能承受全体的作用力。
        通过以下公式根据作用的弯曲力矩和容许应力度计算出所需要的板厚
        依据容许应力度≥板上所承受的应力度，同时板厚取值t（cm）
        其中 M：L形四角部位的弯曲力矩（kN・cm）
        Z：在单侧Ns个抗震止动装置的螺栓孔的位置的断面系数（板材宽度l1减去螺栓孔径的合计值m•d0）

        同时，在Ns个抗震止动装置上各m根固定螺栓均存在作用于固定螺栓上的拉拔力Rb和切断力Q，根据下述公式进行计算。
        1.3防止移动、倾覆形抗震止动装置的计算
        防止移动、倾覆形抗震止动装置板厚的计算应确保板材的弯曲力矩的应力度满足容许应力度算出相应的板厚。
        根据拉拔力（T0/Ns）算出所需的板厚于1.2项相同，考虑压缩反力作用于抗震止动装置的端口（具体可参考图-7）

        铅垂方向力的平衡（T0+C）/Ns=m・Rb   力矩的平衡T0（l3+l5）/Ns=m・Rb・l5
        其中 M：固定螺栓部位的力矩（kN・㎝）
        Z：在单侧Ns个抗震止动装置的螺栓孔的位置的断面系数（板材宽度l1减去螺栓孔径的合计值m•d0）
        依据容许应力度≥板上所承受的应力度，同时板厚取值t（cm）
        根据水平力（Q0/Ns）算出的板厚可根据防止移动形抗震止动装置的方式进行计算。另外，在图-8中水平力和拉拔力是同时作用的，为了理解的方便，左图表示水平力，右图表示拉拔力。两者应分别计算并取较大值。
        同时，在Ns个抗震止动装置上各m根固定螺栓均存在作用于固定螺栓上的拉拔力Rb和切断力Q，根据下述公式进行计算。
        1.4防拉杆形抗震止动装置的计算
        防拉杆形抗震止动装置式利用抗震止动装置上螺杆的弯曲刚性与强度来约束机器设备的水平移动及倾覆。由于弯曲力矩与拉拔力相互作用于抗震止动装置的底部，故应需要确保此力能传到基础上以满足抗震要求。
        防拉杆形抗震止动装置中螺杆的尺寸的计算应确保螺杆所受的拉应力和切应力能满足对应尺寸容许应力度值。
        依据容许拉应力度≥螺杆上所受的拉应力度
        依据容许切应力度≥螺杆上所受的切应力度
        其中 σtb：拉拔与弯曲同时所受的应力度 T：拉拔力（kN）Ae：有效断面积（cm2）
        M：弯曲力矩 Ns：抗震止动装置的单侧根数 Z1：断面系数 0.06d3（cm3）
        d：螺栓的直径（cm）hs：从螺杆支撑点到上部台架的距离（cm）n：螺杆的总根数
        同时，螺杆的容许应力度表可参考表-1

        表-1
        【结束语】随着社会的发展，越来越多的高层建筑拔地而起，但国内对于建筑设备相关的抗震规范内容的缺失导致在设计施工上遇到许多难题，特别是机器设备抗震挡板的施工往往都是凭借的施工人员的经验，是否能满足实际要求并没有通过准确的计算。虽然国家在2014发布了建筑机电工程抗震设计规范GB50981，但在其中并没有对机器设备的抗震进行设计及规范，故本人结合国内相关的施工经验及国外规范文献及相关的技术要求对问题进行解决，以满足机器设备的抗震要求。
        参考文献：
        [1]建筑机电工程抗震设计规范 GB 50981-2014
        [2]陆耀庆主编实用供热空调设计手册》第二版
        [3]空气调和卫生工学会编空气调和卫生工学便览14版
        [4]井上宇市编空气调和手册5版
        [5]本书编委会编建筑设备耐震设计施工指针 2014年版
        [6]新菱冷热工业株式会社编空调设计手册