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摘要：在超高层建筑合理的使用无推力补偿器可以将管道中循环水的重力合理的分摊到不同楼层的固定支架上，从而减小单个固定支架对建筑物主体结构的压力，保证主体结构不被损坏。
关键词：无推力补偿器；固定支架；重力；受力分析
一、前言
在超高层建筑的空调循环水系统中由于立管的管道长再加上管道的截面积大等原因导致循环水管的运行重量非常大，又因为必须在管道中安装补偿器这就导致了管道的重量只能由少数的几个固定支架承担，如果不对这些固定支架的受力做出分析，并将这个力提给结构专业校核，则有可能导致土建结构的破坏。本文先对循环水管固定支架的受力进行分析，然后利用无推力补偿器合理的将管道的运行重量合理的分摊到不同的固定支架上。
二、采用普通补偿器的水系统固定支架受力分析
以深圳某综合体项目中的其中一栋超高层办公塔楼为例，该塔楼共57层，建筑高度为244.6米，水系统分为高、低两个分区，在26层避难层设置板式换热器，26层以上为高区，26层以下为低区，高、低区之间循环水不接触。低区水系统分成2组立管，其中一组立管供给低区的空调末端，另一组管径为DN400的立管供给26层的板式换热器。由于供给板式换热器的这组立管在管井内管径没有变化，为了简化模型因此取这组立管中的其中一根立管作为研究对象，分析设在这段管上的固定支架所承担的重量。该循环水管在地下-3接入管井，管道最低点大约-13.60m；在26层接出管井，管道最高点大约112.00m。分别在-2层、12层、26层楼板处各安装了1个固定支架，在11层和25层各安装了1个波纹管补偿器。将该管段简化为示意图一，并着重分析-2层和12层两处固定支架的受力。为了简化计算，分析过程中忽略波纹管补偿器自身的弹性力和重量。
取立管中的液体中一点P，P点与波纹管补偿器的底部处于同一标高。P点距离立管底部的距离为L1，波纹管补偿器长度为L2，波纹管补偿器顶部至12层楼板处固定支架的距离为L3，12层楼板处固定支架距离安装在25层波纹管补偿器底部的距离为L4，25层处波纹管补偿器底部距离立管顶部的高度为L5。P点水平方向的压强因为作用在四周管壁，力的大小相同方向相反，所以相互抵消，因此不再分析。分析上下两个固定支架所承担的作用力Fc和Fd的大小：
Fd=Fb'+G *L1=Fb+ρ*g*L1*S+ g *G *L1………………①
Fa= Fb=ρ*g*（L2 +L3 +L4+ L5）*S……………………②
得出Fc= g *G*(L3+L4)…………………………………③
Fd=ρ*g*S*( L1+ L2 +L3 +L4+ L5)+ g *G *L1……④
Fa、Fb——P点向上和向下的压力。
Fb'、Fa'——管道内液体对管道的压力。
S——管道的内截面积。
G——单位长度管道的重量。
ρ——水的密度，区1000kg/m3
由等式③和④可以看出，分摊到12层固定支架上的力仅仅是两个补偿器之间管道自身的重力，而压在-2层土建结构上的力则是除了管道自身的重力以外还有整根管道内水的重力。
根据项目实际情况ρ、S、G、L1、L2、L3、L4、L5分别等于9.8kg/N、0.32m2、92.55kg/m、56.2m、1m、1.5m、57.3m、5.1m。将这些数值代入等式③和④计算得出Fc和Fd分别等于53059N和430742N。
由计算结果可以看出，作用在-2层土建结构上的力远大于作用在12层土建结构上的力。而且管井内有2根冷冻水立管，也就是说压在-2层管井土建结构上的重量超过860千牛。土建结构如果要承担这个重量除了增加钢筋以外还需要增加量的高度，这反过来又影响到水平干管的安装高度，影响到室内净高。为了减少土建结构单层受力通常的做法是将固定支架错层布置，错层后每层只需要承担一根立管的重量。可是一根立管的重量也有430kN,那有没有办法使这个力再小一点呢?
三、采用无推力补偿器的水系统固定支架受力分析
在其它条件不变的情况我们将波纹管补偿器换成无推力补偿器再对设固定支架的位置进行受力分析。无推力补偿器的工作原理是在原有波纹管补偿器的外围增加一圈活塞，活塞的面积与管道内径的截面积相同，活塞内的液体通过导流孔与管道内的液体相连通，通过螺杆或其它连接构件将活塞所受到向下的作用力传递到补偿器上部管段，把活塞收到向上的作用力传递到补偿器下部管段。如示意图二所示。
通过受力分析得出下列等式：
Fe= g *G*(L3+L4)+F1'= g *G*(L3+L4)+ F1…………………………⑤
Fe = g *G*(L3+L4)+ρ*g*（L2 +L3 +L4+ L5）S………………………⑥
Ff= g* G *L1+Fb'-F2' ………………………………………………⑦
Ff = g *G *L1+ρ*g*（L1+ L2 +L3 +L4+ L5）*S -ρ*g*（L3 +L4+ L5）*S……………………………………………………………………⑧
Ff = g *G *L1+ρ*g*(L1+L2) *S……………………………………⑨
在代入数字进行计算之前我们再利用公式先分析一下Fc、Fd、Fe、Ff关系：
（Fe+Ff）-（Fc+ Fd）=ρ*g*S*L2…………………………………⑩
可以看出，使用无推力补偿器时两个固定支架对维护结构的压力有所增加，增加部分刚好是无推力补偿器活塞腔内水的重量。由于该段水柱占整根立管水柱的比例很小，因此在做粗略分析的时候几乎可以忽略。
将数值代入等式⑥和⑨计算得出Fe和Ff分别等于256857N和230352N。
对比等式⑥和③可以看出，使用无推力补偿器后安装在12层的固定支架除了要承担管道自身的重力以外还要承担从补偿器底部到立管顶部水柱的重量；而对比等式⑨和④可以看出，使用无推力补偿器后安装在-2层的固定支架仅需要承担管道自身的重量和补偿器顶部至管道底部水柱的重量。可见，原本全部由-2层固定支架承担的水柱的重量一部分在使用无推力补偿器后分摊到安装在12层的个固定支架上，分界点就在补偿器的位置。从公式⑨和⑥可以看出，如果要减小Ff只需要减小L1的长度就可以了。因为L1的减小必然会导致L3的增大，L3的增大导致Fe的增大。因此又可以得出这样的结论：只要调整无推力补偿器的安装个位置则可以调整分配到每个固定支架力的大小。 由于该项目在25层还装有另一个补偿器，如果将安装在25层的补偿器也换成无推力补偿器，通过同样的分析方法，可以把一部分12层固定支架上的力转移到26层。在实际工程中不同的楼层可以设置的梁高不一样，能承受的最大压力也不一样，调整 无推力补偿器的安装位置可以时管道重力分配更合理，保证建筑主体的土建结构不受损坏。
四、结论
在高层或者超高层建筑中由于立管的重量比较大，如果采用普通的补偿器会使管道内水柱的所有重量都由最底层的固定支架承担，如果通过错层布置固定支架后重力仍超过主体结构的承受范围时可以使用无推力补偿器使管道的重力分摊到其它固定支架。
参考文献：
[1]陆耀庆【实用供热空调设计手册】（第二版）
论文作者:罗展鑫
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/16
标签：补偿器论文; 支架论文; 推力论文; 管道论文; 重量论文; 重力论文; 结构论文; 《建筑学研究前沿》2018年第20期论文;