高層建筑燃氣設計有關問題的探討

薛 晟

高層建筑燃氣設計有關問題的探討

薛 晟

探討了高層建筑燃氣管道設計及設計過程中的問題。

高層建筑；燃氣設計；沉降量；補償措施；附加壓頭；應力計算

近年來，隨著城市建設的不斷發展和建筑業的興盛，在各大城市中，大量的高層建筑（10層以上建筑）乃至超高層建筑（40層以上或高100 m以上建筑）已經建成和正在建設之中。其中尤以高層普通住宅和商住用房更突出。這類建筑要求燃氣的供應必須與之配套。鑒于高層建筑的特殊性，在進行其燃氣管的設計時，就必須解決在多層建筑中對燃氣管和燃氣供應影響不大而可以忽略不計、但在高層建筑中的燃氣管和燃氣供應就不可忽略的一些因素。其影響因素主要有以下幾點：

①高層建筑因其體積和自重遠大于普通建筑，其地基下沉對燃氣引入管的影響；

②高層建筑高度較高，因燃氣比重與空氣比重的差異所產生的附加壓頭對用戶灶具使用的影響；

③高層建筑燃氣立管的自重引起的壓縮應力、管道因環境溫度變化所帶來伸縮量及熱應力的影響；

④高層建筑在受到地震和風荷載的影響下，會產生一定量的變形，設于其上的燃氣管道隨之產生的彎曲應力的影響等。

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氣引入管的影響的方式

高層建筑因自重會產生一定量的沉降，燃氣引入管自室外進入室內時，此段管道在建筑物沉降過大時會受到損壞，為此必須在燃氣引入管處采取沉降量的補償措施。通常是在緊貼建筑物基礎外側設沉降箱，在沉降箱內再采取如下方式。

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

方式二：利用鉛管的可撓性進行補償。

方式三：選擇不銹鋼金屬波紋軟管，利用其可撓性進行補償。

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象。當管道下沉時，某些絲扣會反時針方向轉動，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。

方式一、二、四對地震頻發地區也不太適合。

因此，選擇何種方式，必須根據當地的具體情況。本文中認為，方式三是進行燃氣引入管沉降量補償的最佳方式。

2 燃氣立管上附加壓頭的影響的消除方式

因燃氣與空氣的容重有差異，燃氣或輕于空氣或重于空氣，造成燃氣立管上附加壓頭的產生。

式中：ΔP——附加壓頭，Pa；

H——管道始末端的高程差，對于上升管段，H值取正值，反之取負值，m；

Ra——空氣密度，1.293 kg/m3；

Rg——燃氣密度，kg/m3；

g——重力加速度，取9.81 m/s2。

以上升管段為例，當燃氣容重小于空氣容重時，ΔP值為負，反之ΔP值為正值。

對家用燃氣灶來說，其灶前允許壓力波動范圍是灶具額定工作壓力的0.5～1.5倍。在家用燃氣灶的頒布標準（CJ-83）中也列出了與灶具工作壓力有關的灶具性能參數，即必須以灶具額定工作壓力的0.5～1.5倍壓力進行測試并符合要求的規定。當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。

當整個低壓管網只有極少數用戶在用氣，而高層建筑又離調壓房較近時，自調壓房出口管至表前的整個管段的壓降微乎其微，可認為引入管前壓力接近于調壓房出口壓力，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。這種工況是高層建筑燃氣管網的最不利運行工況。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：

式中：P2——灶前壓力，Pa；

P1——調壓房（器）出口壓力，Pa；

ΔP1——主干管及庭院支管壓降，Pa；

ΔP2——立管至灶前分支管壓力降，取200 Pa（表壓降為150 Pa左右）；

P附——附加壓頭，Pa。

在最不利工況下，ΔP1忽略不計，當灶前壓力達到灶具額定工作壓力的 1.5倍時，式 （1） 變為：

式（2） 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。

以南京市燃氣供應為例，人工煤氣的灶具額定工作壓力為1 000 Pa，調壓房出口壓力為1 500 Pa。取式（2）中P1=1 500 Pa（低壓管網處于最不利運行工況），當附加壓頭大于200 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200 Pa為宜。

煤氣容重為 0.42 kg/m3～0.59 kg/m3（一般取0.55 kg/m3），附加壓頭約為6 Pa/m。當住宅高度超過33 m時，就應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200 Pa的層次開始，在立管上設置低-低壓調壓器，使灶前壓力穩定在額定工作壓力范圍內。

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

方式二中，當調壓器出現故障時，其后的用戶將受其影響。

方式三應該是消除附加壓頭的最理想的方式。

在日本名古屋市一棟高層高級公寓中，自20層開始的天燃氣用戶表前，使用了由愛知時針電機株式會社生產的HRT-7型調壓裝置，該裝置的入口壓力范圍為1 500 Pa～5 000 Pa，出口壓力為2 100 Pa，通過流量為7 m3/h。

目前在國內的一些燃氣設備展覽會上也有一種用戶低-低壓調壓器，調壓器的進口壓力為1 500 Pa，出口壓力為1 000 Pa，最大流量為5.6 m3/h。

3 燃氣立管的應力計算及應力消除方式

高層建筑內因立管較長，管道較重，管道上會產生壓縮應力。因受環境溫度變化的影響，立管會產生伸縮變形和熱應力。另外，建筑物在受到風荷載和地震的影響時均會產生一定的擺動，燃氣立管因受穿樓板套的限制也會隨之擺動從而產生彎曲應力。此3種應力在高層建筑燃氣立管的設計中均不可忽視。

3.1 壓縮應力

因管道自重產生的壓縮應力：

近年來，文化例外條款是全球多邊貿易談判中一個不可避免要被談及的問題，其本質是強調文化產品的文化屬性，要求將其與一般商品區分開。對文化遺產的保護屬于人類共同利益，我們需要考慮，是否應該擴大對于文化例外條款內涵的理解，并將其同樣適用于國際投資法領域？

式中：σ——壓縮應力，N/mm2；

W——管道自重，當立管上無承重支撐時為全部立管之重量，N；

A——立管截面積，A=π（D-d）2/4，mm2；

D——管道外徑，mm；

d——管道內徑，mm。

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

表1 根據管道允許自重計算的不同管徑的允許管長

根據表1計算可知，當管長超過1 400 m時，因管重引起的壓縮應力會超過管材的許用應力，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 伸縮量與熱應力及其消除方式

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

式中：Δl——伸縮量，mm；

C——線膨脹系數（碳鋼C=12×10-2mm/℃m）

Δt——環境溫差，℃。

一般室外取60℃，室內無空調時取40℃、有空調時取20℃，如果將管道兩端固定，產生的熱應力的計算公式為：

式中：σr——熱應力；

E——彈性模數（鋼取2.1×105MPa）。熱應力只與管道材質和溫度變化有關，與管長、管徑無關。不同溫差時的熱應力、不同管長時的伸縮量的計算結果見表2。

表2 不同溫差時的熱應力及不同管長時的伸縮量

當管道兩端固定時，因不能自由伸縮，故將對兩固定端形成推力，計算公式如下：

以口徑DN50的管道為例，在不同溫度下的推力計算如下：

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行補償；

方式二，在立管上設置一個或多個波紋補償器進行補償。

多個彎頭設于戶內將影響美觀；另外，如果采用絲扣彎頭長期進行伸縮量的補償，將造成絲口的松動。因此，方式一不便于采用，方式二為理想的補償方式。

選擇波紋補償器時必須根據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。南京目前普通采用的是工作壓力為0.25 MPa的通用型波紋補償器。

用波紋補償器進行補償的管段間兩端必須固定，固定方式可和管承重支撐一并考慮。

3.3 彎曲應力

彎曲應力的計算公式：

式中：σ——彎曲應力，N/mm2；

E——彈性模數；

I——管道斷面回轉半徑，mm；

H——層高，mm。

高層建筑在地震7度的地區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。

設于高層建筑內的燃氣立管的層間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。

根據管道彎曲應力應小于其管材許用應力 [σ]，計算出不同口徑管道的允許層間相對位移量，見第19頁表3。

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

Issues on Design to Gas for High-rise Building

Xue Sheng

This article mainly studies the design to gas pipeline for the high-rise building and points out the problems during design.

high-rise building;gas design;settlement;compensation measures;additional pressure head;stress calculation

TU996.7

A

1000-4866（2011）01-0014-03

表3 不同口徑管道的允許層間相對位移量

薛晟，男，1970年出生，1994年畢業于太原工業大學（化工系），工學學士，現在大同煤礦集團公司煤氣廠工作，工程師。

2010－11－26

2010－12－22