基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的管線處理

劉云濤 楊雅靜

0 引言

在建筑物基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置一層隔震層,把房屋結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)隔離開來。隔離地面運動能量向建筑物的傳遞以減少建筑物的地震反應(yīng),實現(xiàn)地震時建筑物只發(fā)生較輕微的運動和變形,從而保證建筑物的安全,這就是基礎(chǔ)隔震。

目前基礎(chǔ)隔震實施方案主要有三類:以橡膠支座為代表的隔震元件;摩擦滑移隔震元件;以懸吊、滾軸、滾珠、滾擺、柔性柱等為手段的隔震元件。其中橡膠支座具備很高的抗壓承載能力和很低的水平剪切剛度,是基礎(chǔ)隔震用得最多的方式,迄今90%以上的房屋隔震用此元件。到20世紀(jì)90年代中期,美、日、新、法、意等國建造了400棟左右的采用橡膠支座的隔震建筑和橋梁。在1994年美國洛杉磯北嶺地震和1995年日本神戶大地震中,隔震建筑顯示了令人驚嘆的隔震效果。之后,世界各國加快了對隔震建筑的研究和工程應(yīng)用,并相繼制定出自己的更加詳盡和嚴(yán)格的隔震建筑設(shè)計規(guī)范和隔震支座的質(zhì)量、驗收和維護標(biāo)準(zhǔn)。例如,中國2000年頒布了《建筑隔震橡膠支座》,規(guī)定了建筑隔震橡膠支座的產(chǎn)品定義、分類、要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標(biāo)志、包裝、運輸和貯存,適用于工業(yè)與民用建筑所用的建筑隔震橡膠支座;2001年頒布的GB 50011-2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范[1]新加了“隔震和消能減震設(shè)計”,同年頒布了《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》[2],對隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工和維護的技術(shù)要求作出了配套的規(guī)定,并于2003年頒布了《建筑結(jié)構(gòu)隔震構(gòu)造詳圖》[3],是關(guān)于隔震層的結(jié)構(gòu)布置、節(jié)點設(shè)計、構(gòu)造連接等方面的國家標(biāo)準(zhǔn)圖集;美國在1997年對建筑統(tǒng)一設(shè)計規(guī)范(UBC,1997年)[4]中的“基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的抗震規(guī)程”部分進行了修訂,對彈性隔震支座(天然橡膠支座、鉛橡膠支座、高阻尼橡膠支座等)、滑移隔震支座以及混合隔震裝置分別作了規(guī)定;2006年頒布的國際建筑規(guī)范(International Building Code,2006)[5]中亦增加了“隔震結(jié)構(gòu)”一章。ASCE/SEI 7-05建筑和其他結(jié)構(gòu)最小設(shè)計荷載[6]對隔震減震結(jié)構(gòu)也較為細致的作了具體規(guī)定。日本建筑學(xué)會在1989年制定了《隔震建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計指南》[7],專門針對疊層鋼板橡膠支座隔震體系,對天然橡膠支座、高阻尼橡膠支座、帶鉛軸的橡膠支座的機械性質(zhì)、設(shè)計法及耐久性等作了相應(yīng)的規(guī)定,并在1991年、1997年更新了隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計指南,1998年編寫了《隔震結(jié)構(gòu)入門》[8]一書,深入研究和介紹了建筑物隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法和性能及施工;日本免震構(gòu)造協(xié)會在《國外建筑設(shè)計詳圖圖集8》[9]中,著重給出減震建筑設(shè)計與細部圖集,是比較系統(tǒng)介紹隔震結(jié)構(gòu)詳細構(gòu)造的一部圖集。

本文參閱中國、美國、日本等國家的建筑結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范中關(guān)于“基礎(chǔ)隔震中的管道處理”有關(guān)規(guī)定,對其進行歸納、比較,并指出了建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震標(biāo)準(zhǔn)化進程中需要進一步研究的問題。

1 美國規(guī)范

美國規(guī)范體系繁雜,抗震規(guī)范大約在20世紀(jì)90年代中期才開始進行統(tǒng)一。1995年,UBC,NBC與SBC三本規(guī)范的編制機構(gòu)成立了國際規(guī)范協(xié)會ICC(International Code Council),開始推動規(guī)范的統(tǒng)一。1997年,SEAOC推出了最新版的 UBC。同年,SEAOC與ASCE,ICC等機構(gòu)合作編制了最新版的NEHRP Provision。2000年,以1997 NEHRP Provision為基礎(chǔ)的2000 IBC規(guī)范正式發(fā)布實施,取代了UBC,SBC和NBC等規(guī)范,從而使美國的新建建筑規(guī)范達到了統(tǒng)一。IBC每3年修訂一次,目前最新版本是IBC(2006年)。可以把IBC視為一個規(guī)范門戶,由它通向各個專門規(guī)范。在抗震設(shè)計方面,IBC大多引用了ASCE 7的內(nèi)容。因此ASCE 7-05是敘述隔震設(shè)計最全面的一個規(guī)范,本文重點研究了ASCE 7-05在管道處理方面的內(nèi)容,ASCE在13.6.8節(jié)對隔震結(jié)構(gòu)管線處理及各種管道進行了比較具體的規(guī)定,但除去對管道本身的材料、強度和延性進行了規(guī)定之外,在管道處理方面僅對穿過隔震層的管線要設(shè)計成能夠承受最大位移等進行了概念化的規(guī)定。目前尚未發(fā)現(xiàn)有切實可行的標(biāo)準(zhǔn)圖集。

2 我國規(guī)范

我國《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定:穿過隔震層的設(shè)備配管、配線,應(yīng)采用柔性連接或其他有效措施,以適應(yīng)隔震層在罕遇地震下的水平位移。另外規(guī)定,穿過隔震層的豎向管線應(yīng)符合下列要求:

1)直徑較小的柔性管線在隔震層處應(yīng)預(yù)留伸展長度,其值不應(yīng)小于隔震層在罕遇地震作用下最大水平位移的1.2倍;

2)直徑較大的管道在隔震層處宜采用柔性材料或柔性接頭;

3)重要管道、可能泄漏有害介質(zhì)或可燃介質(zhì)的管道,在隔震層處應(yīng)采用柔性接頭。

最大位移限制較其他國家更為嚴(yán)格,其他基本思路是一致的。

在《建筑結(jié)構(gòu)隔震構(gòu)造詳圖》圖集中,對立管的柔性連接和水平管的柔性連接有了較為具體的規(guī)定。

3 日本規(guī)范

日本是地震遍布全國的地方,地震多而大,因而抗震工作開展的較早。早在1924年,日本就已經(jīng)編寫了抗震規(guī)范。日本規(guī)范的發(fā)展趨勢可以概括為:

1)提高了設(shè)計地震力的水平;

2)設(shè)計方法變化不大,但強調(diào)了非線性的重要性;

3)引入了減震和消能設(shè)計的條款;

4)對構(gòu)造措施和細節(jié)作了詳細的規(guī)定,可操作性強。日本也是最早對隔震減震設(shè)計給出圖集的國家。在《國外建筑設(shè)計詳圖圖集8》中編輯整理了大量設(shè)計人員應(yīng)注意的設(shè)計事項,詳細的構(gòu)造做法實例以及對提高減震性能頗有益處的各種資料,對隔震建筑管線處理的規(guī)定:

當(dāng)隔震層被豎向切斷時,把管道豎井與隔震層劃為同一防火區(qū)間。管道井在隔震層開敞,通過接縫連接上下適應(yīng)變位。通過隔震層設(shè)備管線處于較特殊的部位,要適應(yīng)地震時產(chǎn)生的大的變位。因此,需考慮主要設(shè)備的配置而且布置越緊湊越好。

水平管柔性連接:

1)輥輪支承,通過隔震臺與調(diào)節(jié)裝置來適應(yīng)變形,根據(jù)現(xiàn)場情況,隔震臺可設(shè)置在下部結(jié)構(gòu)或吊掛于上部結(jié)構(gòu)。

2)球形接頭,在曲軸部位分別設(shè)三處球形接頭,以適應(yīng)地震時兩個方向的水平位移。

3)吊掛支承,將接合部位及彎管吊掛在頂棚上,為防止配管扭曲并保證起水平移動,使用耐張拉的吊掛材料。

立管柔性連接:在立管上使用強柔軟性、可撓性的接合,吸收配管上產(chǎn)生的位移。柔性管合卡箍式接頭應(yīng)根據(jù)管道使用功能和可靠性要求不同,如消防管、燃氣管及上下水道管等,由設(shè)計人員選定。

4 結(jié)語

對于基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的管道處理方面,各國標(biāo)準(zhǔn)都有一定的敘述和規(guī)定,但大多比較籠統(tǒng),相比較而言,日本設(shè)計圖集更為詳實一些。我國的中國建筑科學(xué)研究院和中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究所編制的03SG610-1建筑結(jié)構(gòu)隔震構(gòu)造詳圖,在各國隔震規(guī)程中,也屬于可操作性較強的。但是隨著隔震技術(shù)的大量推廣應(yīng)用,與之相關(guān)的配套技術(shù)的研究和規(guī)范化尚顯不足,所需工作仍舊很多,已經(jīng)成為急需解決的問題。

[1]GB 50011-2000,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[2]CECS 126-2001,疊層橡膠支座隔震設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].

[3]03SG610-1,建筑結(jié)構(gòu)隔震構(gòu)造詳圖[Z].

[4]InternationalConference of Building Officials(ICBO).Uniform Building Code,Whittier,Calif,1997.

[5]International Code Council.INC,2006 International Building Code[S].

[6]ASCE/SEI 7-05,Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures[S].

[7]日本建筑學(xué)會.日本建筑隔震設(shè)計指南[M].王廣軍,李永紅,譯.北京:科學(xué)出版社,1992.

[8]日本免震構(gòu)造協(xié)會.隔震結(jié)構(gòu)入門[M].北京:科學(xué)出版社,1998.

[9][日]日本免震構(gòu)造協(xié)會.國外建筑設(shè)計詳圖圖集8——減震建筑設(shè)計與細部[M].慕春暖,譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.