摘  要: 高層建筑作為現(xiàn)今城市發(fā)展中土地集約利用的一種有效解決方案，越來越普遍為城市規(guī)劃部門所鼓勵，越來越多被地產(chǎn)開發(fā)商所采用。高層建筑中燃?xì)夤��?yīng)的安全性與可靠性也越來越受到業(yè)界的重視。主要探討了高層建筑燃?xì)夤艿涝O(shè)計及設(shè)計過程中的問題。

　　關(guān)鍵詞:高層建筑；燃?xì)猓辉O(shè)計

　　中圖分類號：TU996.7         文獻(xiàn)標(biāo)識碼：  A       文章編號：2095-0802-(2012)07-00  -0

　　Discussion on the High Gas Pipeline Design Matters Needing Attention

　　LIU Yu

　　(Foshan Hua Chan Gas Design Company Limited， Foshan528000， Guangdong， China)

　　Abstract: high-rise building as an effective solution for the development of city intensive land use is becoming more and more common for the city planning department to encourage, more and more used by real estate developers. High-rise building gas supply security and reliability are increasingly attention. This article mainly discusses the high-rise building gas pipeline design and design process issues.

　　Key words: high-rise building; gas; design

　　0前言

　　近年來，隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展和建筑業(yè)的興盛，在各大城市中，大量的高層建筑乃至超高層建筑已經(jīng)普遍。其中以高層普通住宅和商住用房尤為突出。這類建筑要求燃?xì)獾墓��?yīng)必須與之配套。鑒于高層建筑的特殊性，在進(jìn)行其燃?xì)夤艿脑O(shè)計時，就必須解決在多層建筑中對燃?xì)夤芎腿細(xì)夤��?yīng)影響不大而可以忽略不計、但在高層建筑中的燃?xì)夤芎腿細(xì)夤��?yīng)就不可忽略的一些因素。其影響因素主要有以下幾點：a) 高層建筑因其體積和自重遠(yuǎn)大于普通建筑，其地基下沉對燃?xì)庖�入管的影響；b) 高層建筑高度較高，因燃?xì)獗戎嘏c空氣比重的差異所產(chǎn)生的附加壓頭對用戶灶具使用的影響；c) 高層建筑燃?xì)饬⒐艿淖灾匾�起的壓縮應(yīng)力、管道因環(huán)境溫度變化所帶來伸縮量及熱應(yīng)力的影響；d) 高層建筑在受到地震和風(fēng)荷載的影響下，會產(chǎn)生一定量的變形，設(shè)于其上的燃?xì)夤艿离S之產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力的影響等。

　　本文擬就上述幾點影響因素，提出一些消除方法。

　　1 消除高層建筑的沉降對燃?xì)庖�入管的影響的方�?/p>

　　高層建筑因自重會產(chǎn)生一定量的沉降，燃?xì)庖�入管自室外進(jìn)入室內(nèi)時，此段管道在建筑物沉降過大時會受到損壞，為此必須在燃?xì)庖�入管處采取沉降量的補償措施。通常是在緊貼建筑物基礎(chǔ)外側(cè)設(shè)沉降，在沉降箱內(nèi)再采取如下方式。

　　方式一：采用多個絲扣聯(lián)接的彎頭按順時針方向組合，利用絲扣一定量的可旋轉(zhuǎn)性產(chǎn)生的管道上下位移進(jìn)行沉降量的補償。

　　方式二：利用鉛管的可撓性進(jìn)行補償。

　　方式三：選擇不銹鋼金屬波紋軟管，利用其可撓性進(jìn)行補償。

　　方式四：將通用型波紋補償器垂直安裝于引入管上，利用其伸縮能力進(jìn)行沉降量的補償。

　　方式一中，多個彎頭埋于地下，其螺紋部分軟管道易于腐蝕，且在施工過程中極易形成反時針現(xiàn)象。當(dāng)管道下沉?xí)r，某些絲扣會反時針方向轉(zhuǎn)動，從而影響其氣密性。

　　方式二中，鉛管在彎曲過程中易于扁平，從而影響管道的通過能力。

　　方式四中，通用補償器可通過計算選擇滿足沉降量的補償，但對其他方向位移的補償能力有限。另外，波紋補償器的安裝要求也高于其他幾種方式。還有方式一、二、四在地震頻發(fā)地區(qū)也不太適合。因此，選擇何種方式，必須根據(jù)當(dāng)?shù)氐木唧w情況。個人認(rèn)為，方式三是進(jìn)行燃?xì)庖�入管沉降量補償?shù)淖罴逊绞剑�目前佛山燃�(xì)庹�是采用用不銹鋼金屬波紋軟管來防止沉降。

　　2 燃?xì)饬⒐苌细郊訅侯^的影響的消除方式

　　因燃?xì)馀c空氣的容重有差異，燃?xì)饣蜉p于空氣或重于空氣，造成燃?xì)饬⒐苌细郊訅侯^的產(chǎn)生。

　　ΔP=H (Ra-Rg)g,                   （1）

　　式中，ΔP 為附加壓頭，Pa；H 為管道始末端的高程差，對于上升管段，H值取負(fù)值，反之取正值，m；Ra 為空氣密度，1.293 kg/m3；Rg 為燃?xì)饷芏龋琸g/m3；g為重力加速度，取9.81 m/s2。

　　以上升管段為例，當(dāng)燃?xì)馊葜匦∮诳諝馊葜貢r，ΔP 值為負(fù)，反之ΔP 值為正值。

　　對家用燃?xì)庠顏碚f，其灶前允許壓力波動范圍是灶具額定工作壓力的0.75倍～1.5 倍。在家用燃?xì)庠畹念C布標(biāo)準(zhǔn)（CJ-83）中也列出了與灶具工作壓力有關(guān)的灶具性能參數(shù)，即必須以灶具額定工作壓力的0.75～1.5 倍壓力進(jìn)行測試并符合要求的規(guī)定。當(dāng)灶具在灶前壓力大于1.5 倍額定工作壓力下使用時，將會使灶具的熱效率下降，火焰的穩(wěn)定性（離焰、脫火） 下降，帶電子點火裝置的灶的點火成功率下降；同時使灶具的燃燒噪聲加大，煙氣中一氧化碳的含量也會有所增加。

　　當(dāng)整個低壓管網(wǎng)只有極少數(shù)用戶在用氣，而高層建筑又離調(diào)壓設(shè)備較近時，自調(diào)壓器出口管至表前的整個管段的壓降微乎其微，可認(rèn)為引入管前壓力接近于調(diào)壓設(shè)備出口壓力，附加壓頭的疊加就極易使某些層次以上的用戶灶前壓力超過其最高允許壓力波動范圍[1]。

　　這種工況是高層建筑燃?xì)夤芫W(wǎng)的最不利運行工況。把這種運行工況作為考慮對象，用戶灶前壓力按下述公式計算：

　　P2=P1-ΔP1-ΔP2-ΔP 附. （2）

　　式中，P2 為灶前壓力，Pa；P1 為調(diào)壓器出口壓力，Pa；ΔP1為主干管及庭院支管壓降，Pa；ΔP2為立管至灶前分支管壓力降，取300 Pa（表壓降為150 Pa 左右）；ΔP 附為附加壓頭，Pa。當(dāng)燃?xì)馊葜匦∮诳諝馊葜貢r，ΔP 附值為負(fù)，反之ΔP 附值為正值。

　　在最不利工況下，ΔP1 忽略不計，當(dāng)灶前壓力達(dá)到灶具額定工作壓力的1.5 倍時， 式（2） 變?yōu)椋?/p>

　　1.5Pn=P1-300-ΔP附。 （3）

　　式（3） 可用于確定附加壓頭增加至多少時，灶前壓力會超過其額定工作壓力。

　　以佛山市燃?xì)夤��?yīng)為例，天然氣的灶具額定工作壓力為2 000 Pa，調(diào)壓器出口壓力P1=3 000 Pa，當(dāng)附加壓頭大于300 Pa時，灶前壓力會超出最高允許壓力，因此附加壓頭的允許極限取300 Pa為宜。

　　佛山使用天然氣容重約為0.78 kg/m3，附加壓頭約為5 Pa/m。當(dāng)住宅高度超過60 m時，就應(yīng)考慮附加壓頭的影響。消除附加壓頭影響的方式：

　　方式一，通過管道水力計算，用增加管道阻力的方式消除附加壓頭的影響，如改變立管口徑、立管上增加閥門等。

　　方式二，從附加壓頭超過300 Pa 的層次開始，在立管上設(shè)置低-低壓調(diào)壓器，使灶前壓力穩(wěn)定在額定工作壓力范圍內(nèi)。

　　方式三，從附加壓頭超過300 Pa 的層次開始，在用戶表前設(shè)置用戶低-低壓調(diào)壓器，使灶前壓力穩(wěn)定在額定工作壓力范圍內(nèi)。

　　方式一中，當(dāng)高層建筑自頂層開始有極少數(shù)用戶用氣時，其附加壓頭幾乎未有所減少。

　　方式二中，當(dāng)調(diào)壓器出現(xiàn)故障時，其后的用戶將受其影響。且調(diào)壓器位于建筑外立面立管上，既影響美觀，又不易于日后維護(hù)，不推薦使用此種方式。

　　方式三應(yīng)該是消除附加壓頭的最理想的方式。目前佛山燃?xì)鈱τ诟邔幼≌�多采用方式一和方式三相結(jié)合的辦法，對于難以消除附加壓頭影響的高層住戶，我們采用在燃?xì)獗砬鞍惭b戶內(nèi)穩(wěn)壓器的二級調(diào)壓方式。Jeavons廠商的J42S型號穩(wěn)壓器,進(jìn)口壓力范圍可達(dá)5 000 Pa～35 000 Pa，而出口壓力可穩(wěn)定調(diào)至2 000 Pa～2 300 Pa，保證灶前壓力不受附加壓頭的影響。

　　3 燃?xì)饬⒐艿膽?yīng)力計算及應(yīng)力消除方式

　　高層建筑內(nèi)因立管較長，管道較重，管道上會產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。因受環(huán)境溫度變化的影響，立管會產(chǎn)生伸縮變形和熱應(yīng)力。另外，建筑物在受到風(fēng)荷載和地震的影響時均會產(chǎn)生一定的擺動，燃?xì)饬⒐芤蚴艽�樓板的限制也會隨之?dāng)[動從而產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。此3 種應(yīng)力在高層建筑燃?xì)饬⒐艿脑O(shè)計中均不可忽視。

　　3.1 壓縮應(yīng)力

　　因管道自重產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力：

　　σ=W/A，              （4）

　　式中：σ為縮應(yīng)力，N/mm2；W 為管道自重，當(dāng)立管上無承重支撐時為全部立管之重量，N；A 為立管截面積，A=π（D-d） 2/4，mm2；D 為管道外徑，mm；d 為管道內(nèi)徑，mm。

　　普通碳鋼（A3） 在工作環(huán)境溫度小于100 ℃時的許用應(yīng)力[σ] =113 N/mm2， 根據(jù)管道允許自重W允許≤ [σ] ×A 可計算出不同管徑的允許管長（見表1）。

　　表1  根據(jù)管道允許自重計算的不同管徑的允許管長

　　公稱直徑

　　DN/mm外徑D/mm內(nèi)徑D/mm截面積A/mm2單位重量/N·m-1允許重要/N允許管長/m

　　100140.0106.01381.6108.51561439.0

　　8088.580.51061.383.41191438.0

　　5060.053.0620.948.870166.21437.8

　　4048.041.0489.038.455263.01439.0

　　根據(jù)表1 計算可知，當(dāng)管長超過1 400 m 時，因管重引起的壓縮應(yīng)力會超過管材的許用應(yīng)力，而如此高的立管長度對一般高層建筑是不可能的，故該壓縮應(yīng)力對管材的破壞性可不予考慮，但在考慮管道推力和綜合應(yīng)力時則不可忽視，為此必須將立管重量采用分層支撐的方式給予均攤。

　　3.2 伸縮量與熱應(yīng)力及其消除方式

　　隨著立管周圍環(huán)境溫度的變化，會產(chǎn)生伸縮變形和熱應(yīng)力。管道兩端不固定時伸縮量的計算公式：

　　Δl=C×Δt×L，       （5）

　　式中，Δl為伸縮量，mm；C為線膨脹系數(shù)（碳鋼C=12×10-2 mm/℃m）Δt為環(huán)境溫差，℃。

　　如果將管道兩端固定，產(chǎn)生的熱應(yīng)力的計算公式為：

　　（6）

　　式中，σr 為熱應(yīng)力；E為彈性模數(shù)（鋼取2.1×105 MPa）。

　　熱應(yīng)力只與管道材質(zhì)和溫度變化有關(guān)，與管長、管徑無關(guān)。不同溫差時的熱應(yīng)力、不同管長時的伸縮量的計算結(jié)果見表2。

　　表2  不同溫差時的熱應(yīng)力及不同管長時的伸縮量

　　溫差/℃　伸縮量/mm熱應(yīng)力/N·mm2

　　管長50mm管長100mm管長150mm

　　106121825.2

　　2012243650.4

　　40244872100.8

　　603672108151.2

　　當(dāng)管道兩端固定時，因不能自由伸縮，故將對兩固定端形成推力，計算公式如下：

　　F=σr×A，          （7）

　　以口徑DN50 的管道為例，在不同溫度下的推力計算如下：溫差10 ℃時，F(xiàn)=25.2×620.94=15 647.7 N；溫差20 ℃時，F(xiàn)=50.4×620.94=31 295.4 N；溫差40 ℃時，F(xiàn)=100.8×620.94=62 590.7 N；溫差60 ℃時，F(xiàn)=151.2×620.94=93 886.1 N。

　　如此大的推力，如果作用在樓板等處，將形成極大的破壞力。因此，必須對立管的伸縮量和熱應(yīng)力采取有效的補償措施。一般采取如下方式：方式一，在立管上采用多處彎頭的組合進(jìn)行補償；方式二，在立管上設(shè)置一個或多個波紋補償器進(jìn)行補償。

　　近些年一些高層樓盤為了美觀，在外立面多有美化裝飾線，燃?xì)饬⒐鼙仨氉龊附育堥T繞行，相當(dāng)于做了方式一的補償；而方式二選擇波紋補償器時，則需要注意根據(jù)管道伸縮量和補償器的補償能力來確定選一個或多個補償器。所以，在高層建筑燃?xì)庠O(shè)計工作中，我們應(yīng)從現(xiàn)場實際情況出發(fā)，選擇最佳的補償方式。

　　3.3 彎曲應(yīng)力

　　彎曲應(yīng)力的計算公式：σ=12EI/H2，        （8）

　　式中，σ為彎曲應(yīng)力，N/mm2；E 為彈性模數(shù)；I 為管道斷面回轉(zhuǎn)半徑，mm；H為層高，mm。

　　高層建筑在地震7 度的地區(qū)受地震影響時的允許層間相對水平位移量一般取層高的1/1 500。高層建筑受風(fēng)荷載影響時的允許層間相對水平位移量一般取層高的1/3 000。設(shè)于高層建筑內(nèi)的燃?xì)饬⒐艿膶娱g相對水平位移量取建筑物的層間相對水平位移量的1.5 倍。根據(jù)管道彎曲應(yīng)力應(yīng)小于其管材許用應(yīng)力[σ]，計算出不同口徑管道的允許層間相對位移量（見表3）。

　　在受地震影響時（地震烈度7度以下地區(qū)），建筑物允許層間相對水平位移量在層高為3 m時為2 mm，該值遠(yuǎn)小于管道的允許位移量（見表3）。所以，當(dāng)立管已采取承重支撐和伸縮補償措施后，在這種情況下產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力對管道的破壞作用可不予考慮[2]。

　　表3 不同口徑管道的允許層間相對位移量

　　口徑/mmDN100DN80DN50DN40DN25

　　外徑/mm114.088.560.048.033.5

　　內(nèi)徑/mm106.080.553.041.027.0

　　允許位移量/mm10.3713.4920.1625.5737.51

　　注：層高H 按3 000 mm 計，許用應(yīng)力[σ] =113 N/mm2 。

　　4 結(jié)語

　　高層建筑的燃?xì)夤艿涝O(shè)計應(yīng)綜合考慮，尤其是對于高度逐步增加的高層建筑，必須綜合考慮消防建筑結(jié)構(gòu)特點、安全美觀、穩(wěn)定供氣以及遠(yuǎn)期發(fā)展等諸多因素，確定切實可行的設(shè)計方案。除此之外，還必須考慮管道走向的規(guī)范要求、管道的連接方式。以上只是我們在平時的設(shè)計工作中結(jié)合實際得出的一些微不足道的結(jié)論。當(dāng)然室內(nèi)燃?xì)夤艿赖脑O(shè)計首先應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庠础�壓力、建筑、安全、地理、環(huán)境等特點綜合考慮，最后要樹立以用戶需求為中心、以人為本的設(shè)計理念，選擇科學(xué)、合理、先進(jìn)且切實可行的最佳設(shè)計方案。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]劉憲理.談室內(nèi)燃?xì)夤艿赖脑O(shè)計與施工問題[J].建筑與發(fā)展,2009(12):25-27.

　　[2]朱艷紅，田文中，李英利.高層建筑對燃?xì)夤艿烙绊懠敖鉀Q措施[J].上海煤氣，2010(1) :89-90.

　　（責(zé)任編輯：高志鳳）

　　收稿日期：2012-06-08

　　作者簡介：劉  宇，1981年生，男，黑龍江大慶人，2004年畢業(yè)于黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院自動化專業(yè)，助理工程師。