對高層建筑燃氣設計有關問題分析

周靜

摘 要：本文通過對于沉降對燃氣管線的干擾以及沉降補償方法、消除管道的附加壓力以及管道自重的影響與設計過程中注意事項等方面的分析，進一步完善了當前高層建筑燃氣工程設計思路。

關鍵詞：高層建筑；燃氣設計；沉降

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.075

0 引言

隨著社會現代化水平的不斷提升，以及建筑行業受國家宏觀調控政策的影響，現代化建筑傾向于向高層化發展。相應的，由于高層建筑結構自身的復雜性也為高層建筑的燃氣設計施工提出了更高層次的要求，施工單位需根據高層建筑的實際情況，針對易出現的各種影響因素如建筑沉降影響、管道附加應力影響、管道自重影響等，研究相應的解決對策，及時優化完善相應設計方案，以保障燃氣供應的安全性、高效性。

1 沉降對燃氣管線的干擾以及沉降補償方法

高層建筑在投入應用后在建筑自重影響以及所處地基性質的作用下，易發生建筑物沉降現象，而建筑物較大的沉降量對燃氣管道會產生一定的干擾，影響正常的燃氣供應及系統的安全性能。首先，沉降對于燃氣引入管道的影響作用較為明顯，建筑物較大的沉降量造成的內部切應力集中作用于燃氣引入管道，使之承受較大的切向應力，當管道承受的切向應力超過自身承受能力時，會導致管道斷裂現象的發生，造成燃氣外泄，污染環境，甚至會引發火災、爆炸等惡劣現象的發生；其次，對于高層建筑地基回填土處引發的沉降也會影響燃氣引入管道，造成管道局部懸空，從而導致一系列安全事故的發生。

對于沉降補償的重點也應放在對燃氣引入管道的優化調整工作方面。首先，可以利用彈性補償彎頭緩沖變形的特性，通過在燃氣引入管道設置彈性補償彎頭連接，減輕作用于官道上的切向應力的影響。一般來說，彈性補償彎頭在實際應用中依據適用環境不同，可分為通用波紋型、套管型、金屬軟管型以及鉛筒型等補償類型，在設置彈性補償彎頭時，應注意根據建筑物以及當地環境的實際情況，選擇合適的補償方式，總體上講，金屬軟管型補償接頭在燃氣管道沉降補償中適用性比較強；同時，參考《城鎮燃氣設計規范（GB50028-2006）》中的有關設計依據，當高層建筑的基礎沉降量大于五十毫米時，可以通過適當增大燃氣引管穿越洞口規格、適當采用水平或垂直彎曲等手段提升管道承力特性，補償沉降對于燃氣管道所帶來的危害。

2 消除管道的附加壓力以及管道自重的影響

2.1 消除管道附加壓力的影響

參考《城鎮燃氣設計規范（GB50028-2006）》，民用低壓天然氣燃燒器的額定壓力為Pn=2000Pa，考慮到燃氣應用中不同管段低壓沿程及局部損失影響的差異，因此一般控制燃氣充分燃燒壓力在0.75Pn～1.5Pn范圍內，以防燃燒不充分、不穩定引發的CO中毒、脫火及回火等安全事故。

考慮到現階段高層建筑燃氣入戶氣壓低，因此需考慮燃氣管道附加壓力ΔP的影響；

ΔP的計算：ΔP=H*（ρair-ρgas）*9.8

其中，H——起始端到終止端燃氣管道高程差，m；ΔP——燃氣管道的附加壓力，Pa；ρair——外界空氣的密度，kg/N·m3；ρgas——管道中燃氣的密度，kg/N·m3。

消除管道的附加壓力影響的措施一般根據高層建筑高度采取不同的控制對策：

（1）通過前期燃氣管道的水力計算，對于較矮的建筑物，由于其相應的ΔP較小，因此較宜采用變徑管、增設閥門等增加管段阻力的方法消除管道的附加壓力影響；

（2）對于較高建筑物，高、低層燃氣供應系統宜分開布置，對于ΔP>200Pa的樓層，通過在燃氣立管及用戶表設置低—低壓調壓器方法消除管道的附加壓力影響；

（3）對于超高建筑物，通過在用戶表前設置中—低壓調壓器以實現入戶調壓的方式，消除管道的附加壓力影響。

2.2 消除管道自重的影響

高層建筑燃氣立管易受管道自重影響產生附加應力，引發管道變形、斷裂，甚至造成污染、火災等安全事故。

對于燃氣管網中由于管道自重產生的壓應力由下式算得：

Fp=ζ*h*M/S

其中，Fp為管道自重產生的壓應力，MPa；ζ為影響因子，一般為1.3；h為管道立管高程，m；M為管道自重，KN / m；S為燃氣立管截面積，mm2。

因此可以通過較輕管材的應用、適當增加燃氣立管截面積等方式減少管道自重帶來的安全隱患。

3 高層燃氣管道設計的注意事項

在高層建筑燃氣管道的設計中應注意外界環境溫度變化帶來的管道彎曲伸縮以及熱應力產生的影響。

溫度變化造成管道伸縮變形量由下式算得：R=103*ε*L*ΔTmax

管道熱應力由下式算得：FT=ΔT*ε*Γ

其中，R為溫度變化造成管道伸縮變形量，mm；ε為管道線性膨脹因子m/m·℃；FT為管道隨外界溫度變化而產生的熱應力，MPa；ΔT為燃氣管道設計與實際溫度差異，℃；ΔTmax為最大溫差，℃；Γ為管材彈性模量，MPa；L為管段長度，m；

由計算式可知，管道伸縮變形量與溫差、管長成正比，管道熱應力與溫差成正比，當設計溫差最小時，相應的管道產生的熱應力與伸縮變形量也最小。因此，較宜在春季、秋季等季節進行燃氣管網的施工，而對于無法避免的熱應力，一般采取立管加設L形、Z形、Π形及波紋管補償裝置減少溫度變化對管道的影響。

4 要重點完善高層建筑燃氣工程設計

高層建筑燃氣工程設計對于燃氣管網的施工以及安全、高效應用均起著關鍵性的作用，因此需重點完善相關前期設計，通過選擇合適的調壓系統、合理的管線布局、溫差補償及管材選擇等策略結合沉降及附加應力、自重的影響，進一步優化初步設計；同時，對于高層建筑，需做好安全設計工作，燃氣引入管道布置快速切斷閥門，管道合理位置布置自動切斷閥、報警監控裝置、壓控裝置以及送排風系統等安全裝置，保障燃氣系統正常供應及安全性能。

5 總結

燃氣管網的設計是一個復雜的系統化工程，考慮到高層建筑的特殊性，對其進行的燃氣管道設計也應區別性對待，根據當地的氣候、土質、水文、環境應用條件，合理設置沉降補償方式，采取合適的方式消除管道的附加壓力以及管道自重的影響，做好前期的安全設計工作，以不斷完善高層建筑燃氣工程設計。

參考文獻：

[1]《城鎮燃氣設計規范（GB50028-2006）》[S].中國建筑工業出版社，2009.