胡斌
同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司
摘要：本文对给排水管道穿越隔震层发生形变类型和形式做了概念性的定量分析，发生形变后如何选择补偿措施，选择何种类型的补偿器也进行了简单的阐述。
关键词：柔性管道 隔振 补偿 分析
Abstract: this paper makes a conceptual quantitative analysis of the type and form of deformation of water supply and drainage pipeline through the isolation layer. How to select compensation measures after deformation, and what type of compensator is also briefly described.
Key words: Flexible pipe Isolation Compensation Analysis
地震会造成较为严重的经济损失，和人员伤亡。随着我国经济的技术的发展，对抗震和隔振的研究也越来越成熟。尤其隔振技术在建筑工程中应用较为广泛。隔振建筑中，隔震层把整体建筑分成上下两部分，将地震纵向运动和横向运动产生的能量削弱或减少，从而降低地震对整体建筑破坏。
隔震建筑中给排水进出管线较多，《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010（2016年版））12.1.3条规定：“穿过隔震层的设备管、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。”本文根据隔振建筑的设计特点进行分析、探讨，采取相应措施，实现给排水管线穿越和敷设在隔振建筑中的设防目标。
1 隔振建筑分类
根据建筑中隔震层设置的不同位置，大致可分为三类：隔震层位于基础位置的称为基础隔震；隔震层位于地下室柱顶位置称为柱顶隔振；隔震层位于地上部分楼层之间位置的称为层间隔振。
2 地震产生的能量形式
地震产生主要以地震波的形式向外传递能量，地震波按传播方式分为三种类型：纵波（又称P波）、横波（又称S波）和面波（又称L波）。纵波是推进波，它使地面发生上下振动，破坏性较弱。横波是剪切波它使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强。面波是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波，是造成建筑物强烈破坏的主要因素。根据建筑抗震的设计特征分析，建筑体遭受地震波带来的破坏性位移主要体现在水平面方向上。纵向位移破坏力受建筑设计的自身特征和地震波特性的影响，可不做考虑。
3 隔振建筑的位移分析
隔震建筑一般都设有不同类型的抗震支座，目前设计中常用的抗震支座类型有：叠层橡胶支座、弹簧滑动支座、摩擦摆支座、滚珠支座等。当隔震建筑受到地震波冲击力的作用下，隔震支座会发生形变（如图2）。隔振支座的上部建筑会在隔振支座的带动下做阻尼运动，隔震层发生的相对位移主要体现在水平方向，围绕固定支点在一定范围内做不规则运动，隔振建筑竖向位移可忽略不计。
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图1 隔震支座示意图
Fig. 1 Schematic diagram of isolation support
若将隔震建筑设在一个三维坐标系内（分别为X轴、Y轴、Z轴）， 隔震层所在的平面为X/Y平面，建筑立面方向为Z轴方向。水平位移主要发生在X/Y平面上，隔震层上下两部分对应点的相对位移最大值为d（如图3）。这个最大位移d在隔振建筑的结构设计中，由隔振支座的最大允许位移值确定的。同时，受地震烈度大小、结构设计形式、隔振支座位置、隔振支座类型等诸多控制因素的影响，隔振建筑在地震力的作用下产生的位移、位移分布范围，位移频率、衰减形式等动力学特性也有所不同。这些动力特性产生的水平位移都集中在如图3圆形范围内。
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图2 隔震支座处位移示意图
Fig. 2 Diagram of displacement at isolation support
从上述对隔振建筑的位移分析，影响给排水管线设计的主要是水平位移。当水平位移达到最大值d的时候，也是给排水管线发生位移的最不利条件。这是给排水抗震设计中最需要关注的问题，当给排水采取的技术措施满足最不利条件时，图3圆形范围内其他位移也能得到满足。在具体工程实施过程中，这个最大允许位移值由结构设计专业提供相应数据作为给排水抗震设计的基础依据。以下就给排水管线穿越和敷设在隔振建筑中的设防目标，重点进行分析、探讨，采取的相应技术措施进行阐述。
4 穿越隔振层的给排水管线形变特点
在隔振建筑中给排水立管和横管类型较多、数量较大、分散较广，同时还有很多的重力排水管，所以给排水专业的隔振任务较重，穿越隔震层的给排水管线需要设置合理有效的技术措施。在《建筑机电工程抗震设计规范》GB50981-2014中亦有说明需要增加隔振措施的总体要求。但具体隔振技术还需要针对具体管线做合理设置。以下对给排水管线形变特点进行分析，大概可分为两类，即立管形变特点和横管形变特点。
4.1 立管形变特点
对于层间隔振和柱顶隔振，给排水立管需要穿越隔震层，在与隔震层相交的平面（XY平面）上发生相对水平位移d（如图3）。此时的立管会产生剪切力，拉扯管道沿着立管的中心线发生偏转，偏转的最大值为隔震垫的最大允许值。此时的立管就要增加隔振保护措施，以减少地震力对立管角向扭曲。
4.2 横管形变特点
在基础隔震中，隔震主要处于地下室底板位置，主体建筑内部的给排水管线和上部建筑是一个整体，在隔震支座和抗震支架的作用下，受地震力的影响较小，几乎可以忽略不计。此时，给排水的排出横管会垂直穿越主体建筑和和基础之间的隔振沟，在排出横管上既会发生轴向位移，也会发生角向位移，相当于沿着相对圆心在圆形范围内运动（如图3）。管道会产生轴向的伸缩力，角向的剪切力。位移的最大值为隔震垫的最大允许值。
5 隔振层处给排水管线补偿办法
根据上述的管线的形变特点，管线的相对位移会损坏管线，为了保证管线的运行的安全性，隔震层处需加强保护。目前的保护措施基本为柔性连接，一般柔性连接的办法有：金属波纹管（金属软管）、橡胶软管、PVC伸缩管等。柔性连接管道的补偿能力与材料的物理特性、直径、长度、壁厚等都有一定的关系。金属波纹管还与加工的工艺、波形、波距的也有很大的关系。
6 建筑隔震柔性管道的选用和分析
笔者查阅了《中华人民共和国建筑工业行业标准》JG/T541-2017、《中华人民共和国国家标准》GB/T 14525-2010、《中华人民共和国国家标准》GB/T 9124等相关资料，标准中分别进行的定性分析和定向试验。金属波纹管的轴向力矩和角向偏心位移的补偿能力较大；橡胶软管的轴向力矩较小，角向偏心位移补偿能力较大；PVC伸缩管类似于承插构造，由于自身的构造原因，只有轴向位移的伸缩量，也就是只具有轴向补偿能力，无法进行角向偏移。
结合建筑隔震柔性管道行业标准、建筑机电工程抗震设计规范、柔性管道自身构造特点等因素，金属波纹管的轴向和角向应对变形能力最好，但只适用于有压管道，在给排水专业中主要表现为各种给水管。对于重力排水管，由于自身无压力，对管道的阻力要求比较高，为了减少隔震处柔性管道对排水能力的影响，一般可以考虑采用橡胶软管应对角向变形和PVC伸缩管应对轴向变形相结合的排水方式。从上述分析可以看出，给排水管线应对抗震变形主要体现在两种形式：立管变形和横管变形。需做抗震补偿的也主要体现在两种形式上，即立管补偿和横管补偿。以下对两种补偿形式做定量分析。
6.1立管补偿器的分析
隔震建筑中，设隔震层平面为XY平面，立管垂直穿越XY平面时，在地震力的作用下，上下管段发生相对位移（如图6），此时安装在隔震平面上下两个管段之间的柔性管道（用于应对变形的补偿器）发生相应的变形。
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图6 穿隔震层立管形变示意图
Fig. 6 Schematic diagram of the deformation of riser through the barrier layer
O点在以O点为原点的XY平面发生运动，柔性管道在垂直于XY的平面内发生角向位移，在沿着上下两管段间的补偿器变形方向发生轴向位移。图6中的Lb为隔振建筑在地震力的作用下，水平方向发生最大位移时立管上补偿器的总长度；为隔振建筑在地震力的作用下发生最大位移时的角向位移。La为补偿器在未受地震力的作用下补偿器的总长度。Lb的长度按式（1）计算如下：
（1）
式中：Lb———为水平方向发生最大位移时立管上补偿器的总长度,mm
d———隔震支座的最大允许位移,mm
α———补偿器的最大角向位移,°
K———补偿器安全系数，取1.2
补偿器的允许伸长量按式（2）计算如下：
Ld= Lb-La （2）
式中：Ld———为水平方向发生最大位移时补偿器最大允许伸长量,mm
在产品手册中各类隔震柔性管道一般不表示角向位移，有相关材料的允许弯曲半径。可通过允许弯曲半径推导出角向位移量。以金属波纹管和橡胶软管为例（简称补偿软管），假设在材料允许的弯曲半径下，由于弯曲造成的长度变化忽略不计，如图7所示，R为补偿软管允许的弯曲半径，弧长B为穿越隔震层的上下两管段之间的补偿软管的接管长度。M点位管段为补偿器下端点位置。补偿软管角向位移按（3）式计算如下：
（3）
式中：R———为补偿软管允许的弯曲半径,mm
B———补偿软管的接管长度,mm
π———圆周率，取3.14
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图7 角向位移示意图
Fig. 7 Diagram of angular displacement
通过对立管补偿器的定量分析计算，可以得出选择补偿器的类型有了量的认识。在《中华人民共和国建筑工业行业标准》JG/T541-2017中，各类柔性管道的允许伸长量和对应的管径、材质亦有明确的数据支持。立管上的柔性管道主要以角向位移为主，轴向位移较小。同时，在水力学中我们了解到，管壁对水流有一定的阻力，与水的压力、粘滞系数、管道的材料等均有关系。结合柔性管道的构型特点，有压给水或排水立管一般选用金属波纹管用于管道补偿。重力流排水立管在穿越隔震层的时候采用橡胶软管作为管道补偿措施。
管道的补偿量等具体数据选择的时候，柔性软管的自身长度不应小于图6中的La值，允许的伸长量既要满足行业标准的允许伸长量，也要满足式（2）中的计算允许值。在选择施工安的装过程中，母管和用于穿越隔震层的柔性管道接口处要做清洁处理、防腐处理。一般的连接管件基本为法兰片居多，且法兰接头拆卸也较为方便。
6.2横管补偿器的分析
横管主要位移主要表现在建筑基础隔震中，管道穿越的主要是主体建筑与外墙之间的隔震沟。穿越隔震沟的两端母管分别设置在隔震沟的两侧，中间连接隔震柔性管道。母管和柔性连接管均处在同一个平面内。在地震力的作用下，两端母管发生水平方向的相对位移。隔震层所在的平面为XY平面，以图8中O点为圆心的相对位移点，在圆形范围内运动。穿越隔震沟的柔性管道补偿器运动既有角向位移又有轴向位移。在受地震力的作用下，O点在圆形范围内发生位移过程中会出现几个特殊的位移点位（如图8），当O点移动到最大位移点H点的时候，为补偿器最大的轴向拉伸位移，此时的补偿器受到的拉力最大；当O点运动到最大位移点N点的时候补偿器会受到挤压，此时的补偿器受到的压力最大。当O点运动到M、P点的时候，横管补偿变形和立管补偿变形完全一致，可参照立管的计算方式进行分析计算，此处就不做赘述。当O点运动到Q、E点的时候，这两个点的角向位移会比M、P点的更大。下面来着重分析一下Q、E点的角向位移引起的补偿软管的长度变化。
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图8 横管穿隔震沟示意图
Fig. 8 schematic diagram of transverse pipe piercing isolation ditch
从图8可以看出∠MGO的角位移量和立管补偿分析中的∠完全相同。当柔性管道节点O沿着弧MHP和弧QNE运动时角向位移均小于∠MGO。当O沿着弧MQS和弧PET两端弧运动时，角向位移大于∠MGO，这两段弧对补偿器材料的要求弯曲度更高，控制不好可能会损伤柔性软管补偿器，无法达到给排水管线在受地震力的作用下正常运行的目的。为了解决这个问题，在图8中为了让O点的角向位移不大于∠MGO，把直线MG向上平移，当MG与圆相切时，切点为Q，直线与穿隔震沟的管线交点为F，此时的最大角向位移仍为∠MGO。相当于在地震力的作用下，隔震的柔性管道增加了一段长度FG。补偿软管角向位移在弧MQS和弧PET上引起的补偿器变化按（4）（5）（6）式计算如下：
式中：Lb———为水平方向发生最大位移时立管上补偿器的总长度,mm
d———隔震支座的最大允许位移,mm
α———补偿器的最大角向位移,°
K———补偿器安全系数，取1.2
增加的柔性管道的长度为：
LFG= LOF - LOG （6）
横管穿越隔震沟轴向位移相对较为简单，只在XY平面上发生拉伸和压缩。本文只讨论最大拉伸和最大压缩长度。在最不利能满足的情况下，其余均能满足要求。如图8所示，最不利的两个点为H点和N点。管段在未受地震力的作用下的原始长度为LOG,当O点运动到H点的时候发生最大拉伸，此时的柔性管道补偿器的长度为LOG+LOH；当O点运动到N点的时候发生最大压缩，此时的柔性管道补偿器的长度为LOG-LON。由于抗震允许的最大轴向位移LOH和LON均等于d，所以横管柔性管道补偿器的最大轴向位移补偿量可以用式子（7）表示如下：
Ld= ±Kd （7）
式中符号和前文相同。
通过对横管穿越隔震沟的柔性管道补偿器的定量分析，可以发现横向补偿既要考虑角向位移，又要考虑轴向位移。在选择补偿器的时候和立管分析一样，在《中华人民共和国建筑工业行业标准》JG/T541-2017中，各类柔性管道的允许伸长量和对应的管径、材质亦有明确的数据支持。从水力学中的水力运动特性看，管壁对水流有一定的阻力，与水的压力、粘滞系数、管道的材料等均有关系。结合柔性管道的构型特点，横管补偿器的选择和立管补偿器的选择类似，有压给水或排水横管一般选用金属波纹管用于管道补偿。重力流排水横管在穿越隔震沟的时候采用橡胶软管作为管道补偿措施。
管道的补偿量等具体数据选择的时候，柔性软管的自身长度不应小于图8中的LOG值，允许的伸长量既要满足行业标准的允许伸长量，也要满足式（2）（6）（7）中的计算允许值。在选择施工安的装过程中，横管补偿器和立管补偿器也很类似，母管和用于穿越隔震沟的柔性管道接口处要做清洁处理、防腐处理。一般的连接管件基本为法兰片居多，且法兰接头拆卸也较为方便。横向管道的吊装支架安装在结构梁板上时，要采用抗震支架。
7 小结
综合上面对给排水专业管道穿抗震层的分析，穿越隔震层的管道会发生形变。立管主要体现在角向位移和少量的轴向位移，横管既有角向位移，也有轴向位移。为了保证在抗震时候管道不损坏，能正常运行需要对管道进行补偿，补偿器的选择一般为柔性管道，一般柔性管道包括金属波纹管（金属软管）、橡胶软管、PVC伸缩管等。选用柔性管道补偿器需满足结构专业提供的隔振支座最大允许值，同时，结合隔震层的特点、管道自身特性等合理分析补偿器的选择。
参考文献：
1.《建筑抗震》 张小云主编，高等教育出版社
2.《建筑机电工程抗震设计规范》GB50981-2014
3.《中华人民共和国建筑工业行业标准》JG/T541-2017
4.《中华人民共和国国家标准》GB/T 14525-2010
5.《中华人民共和国国家标准》GB/T 9124
6.《水力学》 赵振兴、何建京主编，清华大学出版社