基础隔震结构的管线处理

刘云涛 杨雅静

0 引言

在建筑物基础与上部结构之间设置一层隔震层,把房屋结构与基础隔离开来。隔离地面运动能量向建筑物的传递以减少建筑物的地震反应,实现地震时建筑物只发生较轻微的运动和变形,从而保证建筑物的安全,这就是基础隔震。

目前基础隔震实施方案主要有三类:以橡胶支座为代表的隔震元件;摩擦滑移隔震元件;以悬吊、滚轴、滚珠、滚摆、柔性柱等为手段的隔震元件。其中橡胶支座具备很高的抗压承载能力和很低的水平剪切刚度,是基础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世纪90年代中期,美、日、新、法、意等国建造了400栋左右的采用橡胶支座的隔震建筑和桥梁。在1994年美国洛杉矶北岭地震和1995年日本神户大地震中,隔震建筑显示了令人惊叹的隔震效果。之后,世界各国加快了对隔震建筑的研究和工程应用,并相继制定出自己的更加详尽和严格的隔震建筑设计规范和隔震支座的质量、验收和维护标准。例如,中国2000年颁布了《建筑隔震橡胶支座》,规定了建筑隔震橡胶支座的产品定义、分类、要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存,适用于工业与民用建筑所用的建筑隔震橡胶支座;2001年颁布的GB 50011-2001建筑抗震设计规范[1]新加了“隔震和消能减震设计”,同年颁布了《叠层橡胶支座隔震技术规程》[2],对隔震结构的设计、施工和维护的技术要求作出了配套的规定,并于2003年颁布了《建筑结构隔震构造详图》[3],是关于隔震层的结构布置、节点设计、构造连接等方面的国家标准图集;美国在1997年对建筑统一设计规范(UBC,1997年)[4]中的“基础隔震结构的抗震规程”部分进行了修订,对弹性隔震支座(天然橡胶支座、铅橡胶支座、高阻尼橡胶支座等)、滑移隔震支座以及混合隔震装置分别作了规定;2006年颁布的国际建筑规范(International Building Code,2006)[5]中亦增加了“隔震结构”一章。ASCE/SEI 7-05建筑和其他结构最小设计荷载[6]对隔震减震结构也较为细致的作了具体规定。日本建筑学会在1989年制定了《隔震建筑结构设计指南》[7],专门针对叠层钢板橡胶支座隔震体系,对天然橡胶支座、高阻尼橡胶支座、带铅轴的橡胶支座的机械性质、设计法及耐久性等作了相应的规定,并在1991年、1997年更新了隔震结构设计指南,1998年编写了《隔震结构入门》[8]一书,深入研究和介绍了建筑物隔震结构的设计方法和性能及施工;日本免震构造协会在《国外建筑设计详图图集8》[9]中,着重给出减震建筑设计与细部图集,是比较系统介绍隔震结构详细构造的一部图集。

本文参阅中国、美国、日本等国家的建筑结构抗震规范中关于“基础隔震中的管道处理”有关规定,对其进行归纳、比较,并指出了建筑结构基础隔震标准化进程中需要进一步研究的问题。

1 美国规范

美国规范体系繁杂,抗震规范大约在20世纪90年代中期才开始进行统一。1995年,UBC,NBC与SBC三本规范的编制机构成立了国际规范协会ICC(International Code Council),开始推动规范的统一。1997年,SEAOC推出了最新版的 UBC。同年,SEAOC与ASCE,ICC等机构合作编制了最新版的NEHRP Provision。2000年,以1997 NEHRP Provision为基础的2000 IBC规范正式发布实施,取代了UBC,SBC和NBC等规范,从而使美国的新建建筑规范达到了统一。IBC每3年修订一次,目前最新版本是IBC(2006年)。可以把IBC视为一个规范门户,由它通向各个专门规范。在抗震设计方面,IBC大多引用了ASCE 7的内容。因此ASCE 7-05是叙述隔震设计最全面的一个规范,本文重点研究了ASCE 7-05在管道处理方面的内容,ASCE在13.6.8节对隔震结构管线处理及各种管道进行了比较具体的规定,但除去对管道本身的材料、强度和延性进行了规定之外,在管道处理方面仅对穿过隔震层的管线要设计成能够承受最大位移等进行了概念化的规定。目前尚未发现有切实可行的标准图集。

2 我国规范

我国《叠层橡胶支座隔震技术规程》中规定:穿过隔震层的设备配管、配线,应采用柔性连接或其他有效措施,以适应隔震层在罕遇地震下的水平位移。另外规定,穿过隔震层的竖向管线应符合下列要求:

1)直径较小的柔性管线在隔震层处应预留伸展长度,其值不应小于隔震层在罕遇地震作用下最大水平位移的1.2倍;

2)直径较大的管道在隔震层处宜采用柔性材料或柔性接头;

3)重要管道、可能泄漏有害介质或可燃介质的管道,在隔震层处应采用柔性接头。

最大位移限制较其他国家更为严格,其他基本思路是一致的。

在《建筑结构隔震构造详图》图集中,对立管的柔性连接和水平管的柔性连接有了较为具体的规定。

3 日本规范

日本是地震遍布全国的地方,地震多而大,因而抗震工作开展的较早。早在1924年,日本就已经编写了抗震规范。日本规范的发展趋势可以概括为:

1)提高了设计地震力的水平;

2)设计方法变化不大,但强调了非线性的重要性;

3)引入了减震和消能设计的条款;

4)对构造措施和细节作了详细的规定,可操作性强。日本也是最早对隔震减震设计给出图集的国家。在《国外建筑设计详图图集8》中编辑整理了大量设计人员应注意的设计事项,详细的构造做法实例以及对提高减震性能颇有益处的各种资料,对隔震建筑管线处理的规定:

当隔震层被竖向切断时,把管道竖井与隔震层划为同一防火区间。管道井在隔震层开敞,通过接缝连接上下适应变位。通过隔震层设备管线处于较特殊的部位,要适应地震时产生的大的变位。因此,需考虑主要设备的配置而且布置越紧凑越好。

水平管柔性连接:

1)辊轮支承,通过隔震台与调节装置来适应变形,根据现场情况,隔震台可设置在下部结构或吊挂于上部结构。

2)球形接头,在曲轴部位分别设三处球形接头,以适应地震时两个方向的水平位移。

3)吊挂支承,将接合部位及弯管吊挂在顶棚上,为防止配管扭曲并保证起水平移动,使用耐张拉的吊挂材料。

立管柔性连接:在立管上使用强柔软性、可挠性的接合,吸收配管上产生的位移。柔性管合卡箍式接头应根据管道使用功能和可靠性要求不同,如消防管、燃气管及上下水道管等,由设计人员选定。

4 结语

对于基础隔震结构的管道处理方面,各国标准都有一定的叙述和规定,但大多比较笼统,相比较而言,日本设计图集更为详实一些。我国的中国建筑科学研究院和中国建筑标准设计研究所编制的03SG610-1建筑结构隔震构造详图,在各国隔震规程中,也属于可操作性较强的。但是随着隔震技术的大量推广应用,与之相关的配套技术的研究和规范化尚显不足,所需工作仍旧很多,已经成为急需解决的问题。

[1]GB 50011-2000,建筑抗震设计规范[S].

[2]CECS 126-2001,叠层橡胶支座隔震设计技术规程[S].

[3]03SG610-1,建筑结构隔震构造详图[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]日本建筑学会.日本建筑隔震设计指南[M].王广军,李永红,译.北京:科学出版社,1992.

[8]日本免震构造协会.隔震结构入门[M].北京:科学出版社,1998.

[9][日]日本免震构造协会.国外建筑设计详图图集8——减震建筑设计与细部[M].慕春暖,译.北京:中国建筑工业出版社,2002.