摘要：《建筑机电工程抗震设计规范》GB50981-2014已开始实施，在国外尤其是地震多发的发达国家建筑机电工程抗震已有多年的理论研究史和成熟的应用经验。在国内建筑机电工程的设备、设施中的成品装配式抗震支吊架理论研究及应用方兴未艾。为减少地震灾害中机电工程造成的破坏、降低机电设备、管线在地震中次生灾害造成的人员和财产损失，国家制定机电工程的抗震设防标准，是与国家抗震设防减灾的宗旨一致。抗震设防烈度为6度及6度以上地区的建筑机电工程要求进行抗震设计及验算。地震中给予各机电系统提供充分的保护，
关键词：抗震支吊架；地震力计算；布置原则；抗震措施
一、概述
地震的难以预测使它成为当今人类危害性最大的自然灾害之一，据美国地震勘探局调查显示，全球每年地震次数约130万次。而中国是世界上多地震多灾害最为严重的国家之一。
我国的研究和制定的标准对建筑工程抗震设防设计理论研究和实践基本概括为三个层次，即建筑结构抗震设防、建筑非结构构件抗震设防及建筑机电设备抗震设防。建筑结构抗震和建筑非结构构件理论研究和实践经验起步较早，目前都有了比较成熟的设计规范及施工验收规范，而建筑机电设备的抗震理论研究正处于方兴未艾的阶段。自汶川地震后，我国科研人员认识到地震灾害破坏不仅是建筑主体结构的坍塌造成人员伤亡，建筑机电工程设备、设施当未做抗震设防也是造成人员伤亡的重要原因。
总结国内外的惨痛教训和经验，住建部于2010年重新修订了《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）增加了对机电工程抗震设防强制条款和抗震措施的新规定。该规范第 3.7.1条"非结构构件，包括建筑非结构构件和建筑附属机电设备，自身及其与结构主体的连接，应进行抗震设计"和 第 3.7.2条"非结构构件的抗震设计，应由相关专业人员分别负责进行"【1】。此条款做为强制条款列入规范。
为了在机电工程推广抗震设防理念并在应用层面上具有可操作性，住建部于2014年10月9日颁布了《建筑机电工程抗震设计规范》（GB50981-2014）标准，它是对《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）标准针对机电设备抗震设防规定的进一步细化，该标准提出了成品装配式抗震支吊架体系的概念，阐述了对建筑附属机电设备、设施抗震设防理念、计算方法和抗震措施的具体规定和要求。
《建筑机电工程抗震设计规范》（GB50981-2014）的抗震设防将建筑附属机电设备、设施设计为具有抗震性能的成品装配式支吊架，用锚固螺栓连接于已做抗震设计的建筑主体结构上，其功能是限制附属机电设施产生超过限定值的相对位移，控制管道振动，并将设备荷载有效地传递至主体结构上的各类组件或装置所形成的体系。确保建筑物消防、应急照明、防排烟、通讯、电力、燃气供应等重要机电设施完整性、安全性，极大程度上防止次生灾害的发生。并且在抗震救灾第一时间迅速恢复设备的功能。
二、建筑结构、机电工程抗震设防理念
1、建筑主体结构
《中华人民共和国建筑法》和《中华人民共和国防震减灾法》的宗旨是实行以“预防为主” 的方针，《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）标准是执行国家的政策制定出的以防为主的设防理念，是当建筑遭到罕遇地震作用影响时实施的抗震措施设防，其原则是减轻建筑的破坏程度，避免人员伤亡，减少经济、财产损失。建筑主体结构的抗震设防设计原则为：
（1）大震不倒：当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震作用影响时，建筑主体结构不致于倒塌或发生危及人员生命的严重破坏；
（2）中震可修：当遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地震作用影响时，建筑主体结构可能发生损坏但没有失去建筑的使用功能，但经一般性建筑、结构加固修理仍可继续使用；
（3）小震不裂：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震作用影响时，建筑主体结构不受损坏或不需修理，经过简单的装饰维护可继续使用；
2、建筑附属机电设备
2015年8月01日实施的《建筑机电工程抗震设计规范》（GB 50981-2014）标准是当建筑遭到罕遇地震作用影响时实施的建筑附属机电设备的给水、排水、供暖、通风及空调、燃气、热力、电力、通讯、消防等设防的抗震措施。该标准的第1.0.4条 "抗震设防烈度为 6 度及 6 度以上地区的建筑机电工程必 须进行抗震设计 "作为强条为设计提供了理论依据和建筑机电工程抗震设防提出具体要求。实践证明当建筑主体结构遭遇地震影响时，实施了抗震措施设防的机电设备、设施可减轻地震对建筑附属机电设备、管线遭到破坏影响，可以防止二次次生灾害造成的人员伤亡。
建筑附属机电设备的抗震设防设计原则为：
（1）大震不坏：当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震作用影响时，建筑主体结构不致倒塌或发生危及生命的严重破坏；附属于建筑物内的机电设备、设施也不至于严重损坏造成二次灾害危及生命；
（2）中震可修：当遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地作用震影响时，建筑主体结构可能发生损坏，但经过一般性修理仍可恢复建筑物的使用功能；附属于建筑物内的机电设备、设施可能损坏经一般修复或不需修理仍可继续运行；并投入到救灾中。
（3）小震不修：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震作用影响时，建筑主体结构不受损坏或不需修理可继续使用；附属于建筑物机电设备设施一般不受损坏或不需修理可继续运行；并投入到救灾中。
三、建筑机电工程抗震设计体系---成品装配式抗震支吊架
《建筑机电工程抗震设计规范》（GB 50981-2014）标准提出了装配式抗震支吊架系统，其系统有侧向抗震支吊架、纵向抗震支吊架、门型抗震支吊架按照一定的间距布置形成的抗震体系。
1、建筑附属机电设备抗震设防的基本原则：
（1）建筑机电工程设备、设施与建筑主体结构的连接构件和部件的应具备抗震措施；
（2）建筑机电工程重要机房不应设置在主体结构抗震性能薄弱的部位；对于有隔振装置的设备，当发生强烈振动时不应破坏连接件，并应防止机电工程的设备和建筑结构发生谐振现象。
（3）建筑机电工程设备、设施的抗震支吊架应具有足够的刚度和强度，支、吊架与建筑结构应有可靠地连接，连接锚栓应进行抗震验算满足承载力的要求。
（4）建筑机电工程管道穿越结构墙、二次砌筑墙体、楼板的洞口时，须设置管道和与建筑结构的连接，并应能满足主体结构的相对变形要求。
（5）建筑机电工程设施的基座或连接件应能将设备承受的地震作用全部传递到主体结构上。建筑机电工程设施的预埋件、锚固件具备抗震设防，应能有效传递给主体结构。
成品装配式抗震支吊架是以承受机电设备、管道等由重力产生的地震作用为主要荷载的支撑，并确保当建筑物遭遇到设防烈度的地震作用影响时能将管道及设备产生的地震作用传递到主体结构体上，而设计的用于机电工程设备的抗震支吊架支撑系统。
机电抗震支吊架系统分为侧向、纵向抗震支吊架，它是由锚固体、加固吊杆、斜撑、和抗震连接件组成。它区别于原有概念一般意义的以重力为主要荷载的支撑系统的非抗震支吊架系统。
2、成品装配式抗震支吊架在建筑附属机电设备中的设置范围
（1）直径大于DN65mm的室内给水、热水及消防管道；
（2）所有防排烟风道、事故通风风道及设备；
（3）所有直径大于等于0.70m的圆形风管；
（4）所有截面积大于等于0.38m2的矩形风管；
（5）内径不小于60mm的电气配管及重力不小于150N/m的电缆梯架、电缆槽盒及母线槽等。
四、城市轨道交通车站工程成品装配式抗震支吊架的应用
成品装配式抗震支吊架2016年首次应用于城市轨道交通北京地铁燕房线车站工程，北京地铁燕房线起于阎村东站，连接房山良乡、燕山地区和房山城关，途径于房山区，止于燕山站。全长14.4千米，全为高架段；设9座车站，于2017年12月30日开通主线（阎村东站-燕山站）
1、车站工程公共区和设备区成品装配式抗震支吊架设计参数及原则：
（1）抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度值为0.02g
（2）抗震设防类别乙类
（3）抗震等级二级
（4）布置原则（见表一）
表一（见《建筑机电工程抗震设计规范》GB50981-2014））
2、消防给水单管地震力验算
按照上述要求对给水系统侧向抗震支吊架进行抗震验算，侧向抗震支撑承担垂直于管道方向的布置间距为12米荷重的地震力，，纵向抗震支撑承担平行于管道方向的布置间距为24米荷重的地震力。通过抗震连接件和锚栓与主体结构连接。
依据《建筑机电工程抗震设计规范》GB50981-2014布置原则及地震力计算按照等效侧力法时为：
F=γηζ1ζ2αmax G。《建筑机电工程抗震设计规范（3.4.5）》
其中：F---沿最不利方向施加于机电工程设施重心处的水平地震作用标准值；
γ---非结构构件功能系数，查表取值0.9；
η---非结构构件类别系数；
ζ1---状态系数；对支撑点低于质心的任何设备和柔性体系宜取2.0，其余情况可取1.0；
ζ2---位置系数，建筑的顶点宜取2.0，底部宜取1.0，沿高度线性分布；对结构要求采用时程分析法补充计算的建筑，应按其计算结果调整；
αmax---地震影响系数最大值；
G---非结构构件的重力。
例如：DN200保温管道为例，材质为钢管，根据查相关数据可知：每延米钢管重量为77.53kg/m，即G水=77.53kg/m=0.7753kN/m
根据《建筑机电工程抗震设计规范》8.2.3条表8.2.3抗震支吊架间距按12m。
G=G水L水=0.7753x12=9.3036kN
F=γηζ1ζ2αmaxG=0.9×1.4×2.0×2.0×0.08×9.3036=3.7512 kN
根据《建筑机电工程抗震设计规范》GB50981-2014中3.5章计算
S=γGSGE+γEhSEhK 《建筑机电工程抗震设计规范（3.5.1）》
式中：S---机电工程设施或构件内力组合的 设计值
γG：---重力荷载分项系数，一般情况取1.2
γEH：---水平地震作用分项系数，取1.3
SGE：---重力荷载代表值的效应
SEHK：---水平地震作用标准值的效应
根据计算简图计算得出斜撑与吊杆的内力组合设计值：S斜撑=4.93kN S吊杆=3.84kN。
五、成品装配式抗震支吊架抗震措施
成品装配式抗震支吊架的抗震措施和抗震构造措施：
（1）当侧向支撑作为固定支点管道和电线套管允许纵向偏移，但不得超过最大侧向支撑间距的1/16；风管允许偏移，但不得超过风管宽度的2倍。
（2）水平管道在90°转弯时，应增设侧向抗震支吊架；其他角度转弯长度大于抗震设计间距的1/16时，应同时增设侧向及纵向抗震支吊架。
（3）计算水平地震力时，管道自重荷载=满水+管壁自重。
（4）当管道需设置导向和固定支架式时抗震支吊架不应限制管线热胀冷缩产生的应力，当把热胀冷缩因素考虑在内时，纵向抗震支吊架应将热胀冷缩应力计算在内。
（5）保温管线的抗震吊架管码需按保温后的尺寸考虑，门形吊架用于保温风管，水管亦按此考虑。
（6）刚性连接的管道设置的抗震支吊架不应安装于建筑主体结构有刚度转换部位。
（7）管线穿越建筑沉降缝时，应考虑建筑物的沉降量。
（8）侧/纵向斜撑安装的宜为45°且不得小于30°。
六、需要探讨的问题
本案例是城市轨道交通车站工程中的地上建筑，机电工程抗震支吊架系统的地震力验算及抗震设防布置是符合《建筑机电工程抗震设计规范》GB50981-2014模型假设，但对于城市轨道交通车站工程中的地下建筑，抗震支吊架系统的地震力验算要遵循《建筑机电工程抗震设计规范》相关规定，执行中仍然存在以下商榷问题。
其一：车站工程中地下建筑机电抗震支吊架系统的地震力计算，《建筑机电工程抗震设计规范》GB50981-2014没有给出明确计算模型，按照地面建筑计算地震力偏于保守。而地下车站工程验算地震力的计算已充分考虑了建筑物周边土体作用的影响，车站主体结构地震反应宜采用反应位移法和惯性静力法【1】，而建筑机电抗震支吊架系统的地震力计算地震反应采用等效侧力法【2】。同一建筑物采用不同的计算模型应有待进一步研究和探讨。
其二：城市轨道交通工程中抗震支吊架系统设防布置中，一般地下车站工程中机电设备专业管线众多，空间狭窄。施工单位经不断地深化对各个专业管控分层综合管线设计已经是最优化空间，针对于实现装配式抗震支吊架侧向支撑系统几乎不可能实现（设备区）。公共区层高一般是4-5米，实现抗震支吊架侧向支撑系统其主要受力杆件的长度2-3米，主要受力杆件的加工工艺是钢板冷弯成型（钢板厚度小于6mm），其强度和刚度也不能满足抗震设防的要求。
随着国家规范的健全及相关技术的发展，抗震支吊架系统将会贯穿之后的所有工程设计中，最大力度的保障人民的财产及生命安全。
参考文献：
【1】《建筑抗震设计规范》GB50011－2010（160-166）
【2】《建筑机电工程抗震设计规范》GB50981-2014（28-30）
【3】《地铁设计规范》GB50157-2013
【4】《室内管道支架及吊架》国家建筑标准设计图集03S02
【5】《地铁工程机电设备系统重点施工工艺》国家建筑标准设计图集14ST201
【6】《地铁工程抗震支吊架设计与安装》国家建筑标准设计图集17T206
论文作者:姚凤成
论文发表刊物:《基层建设》2019年第10期
论文发表时间:2019/7/1
标签：吊架论文; 建筑论文; 机电工程论文; 结构论文; 机电设备论文; 设计规范论文; 主体论文; 《基层建设》2019年第10期论文;