機電安裝中的抗震設計及應用實踐

文／崔世強 上海華建工程建設咨詢有限公司 上海 200232

1.機電安裝抗震設計的重要性及設計原則

地震是地殼運動的結果，地球上每天要發生很多次的地震，但因為絕大多數太小或太遠以至于人們很難察覺。可一旦發生大的地震，將發生房倒屋塌、交通和市政設施癱瘓、人員傷亡等嚴重災害。唐山大地震、汶川大地震、玉樹大地震等近些年發生的大地震對我們的影響和現場的慘烈現象至今仍觸目驚心。

機電系統作為依附于房屋建筑內部為保證房屋使用功能的必要系統，必須隨房屋建筑一起進行抗震設計，這不僅能夠減少發生地震時管道、設備脫落造成的房屋結構破壞和人民生命安全的影響，也為震后救援和地震引起的次生災害的預防提供了極大的便利性[2]。

《建筑機電工程抗震設計規范》要求，抗震設防烈度為6 到9 度的建筑機電工程設施抗震設計應達到以下要求：

（1）當遭受低于本地區抗震設防烈度的地震影響時，機電工程設施一般不受損壞或不需修理可繼續運行；

（2）當遭受相當于本地區抗震設防烈度的地震影響時，機電工程設施可能損壞進行一般維修或不需維修仍可繼續運行；

（3）當遭受高于本地區抗震設防烈度的罕遇地震影響時，機電工程設施不至于嚴重損壞，危及生命[1]。

機電各系統眾多，如針對每個系統進行抗震設計，不僅需要花費大量的時間和精力，還大大增加了施工的復雜性，工程投資也隨之增加。因此規范要求只需對在設防烈度地震下需要不間斷工作的機電工程和設施（如應急配電系統、火災自動報警及控制系統、建筑電梯、防排煙系統、消防水系統）等進行抗震設計。

2.機電設備基礎的抗震設計及應用

機電各系統設備均需通過設備基礎與主體結構相連接，如果后澆筑的基礎與主體結構梁板連接不牢，或者設備固定螺栓強度不足，都將造成設備偏移、設備接口開裂錯位、設備基礎上傾倒、脫落。

2.1 機電設備基礎的抗震設計要點如下：

（1）重要的機房設備如消防水泵房、生活水泵房、配變電所、消防控制室、冷凍站、柴發機房、數據及通信機房等宜設置在結構地震反應較小的部位（如地下室、首層及較低樓層、靠建筑中心位置等）。

（2）混凝土設備基礎應與主體結構牢靠固定。

（3）設備應與設備基礎采用螺栓固定，當無設備基礎時，需與結構樓板固定，不得固定在建筑構造層、墊層中。

（4）對于無法采用固定螺栓的，應采用L 型抗震防滑角鐵進行限位。

（5）固定設備的螺栓規格和數量，應結合設備尺寸、重量和水平地震作用標準值等，根據計算公式核算其所承受的拉力和剪力確定，其計算簡圖如圖1 所示，其中FH為水平地震作用力。

圖1 地腳螺栓計算簡圖

（6）有震動的設備應設置防震基礎，并用限位器與主體結構固定，如圖2 所示為水泵限位器布置圖。

圖2 水泵基礎限位

（7）采用吊裝的機電設備，應設置抗震彈簧支吊架。

2.2 設備基礎施工時的注意事項：

（1）施工前應熟悉圖紙，針對不同的設備基礎分別采取對應的施工措施，必須時進行基礎深化設計。

（2）重要的混凝土設備基礎應與主體結構同時澆筑混凝土，保證其整體性。

（3）當無法同時施工時，后施工基礎與結構接觸面需進行鑿毛和刷漿處理，必要時可設置抗剪鋼筋。

（4）對于無需混凝土設備基礎的設備，應在結構樓板隱蔽前預埋連接鋼板。

（5）當設置鋼基礎時，鋼基礎應與主體結構采用螺栓固定或通過預埋鋼板焊接。

（6）設備與基礎的固定的方式、固定螺栓的數量和規格應嚴格按設備廠家技術要求執行。

3.抗震支架設計及應用

因小管道的質量較輕，受地震作用影響得較小，因此《建筑機電工程抗震設計規范》中只規定針對以下管線采取抗震設計：

（1）懸吊管道中重力大于1.8KN 的設備。

（2）DN65 以上的生活給水、消防管道系統。

（3）矩形截面面積大于等于0.38m2和圓形直徑大于等于0.7m 的風管系統。

（4）對于內徑大于等于60mm 的電氣配管及重力大于等于150N/m 的電纜梯架、電纜槽盒、母線槽。

以上管道的抗震設計通常為增加抗震支吊架，用于抵抗管線所承受的任意水平方向的地震作用。抗震支吊架設計前，應確保樓內各機電系統管線綜合排布深化圖已經過各方確認，這是抗震支吊架設計的基礎。抗震支吊架的設計形式和布置應根據其所承受的荷載進行抗震驗算，步驟如下：

（1）初步確定抗震支吊架的位置和安裝形式。如圖3 所示，為某抗震支架生產廠家的150mm 水管抗震支架形式，按規范取其設計間距為側向12m，縱向24m，主要構成為M12 錨栓、抗震連接件、抗震管夾、桿件型鋼。

圖3 某廠家150mm 水管抗震支架形式

（2）確定抗震支架所處位置的抗震設防要求、建筑類別等，根據等效側力法計算公式，計算節點處側向和縱向的水平地震作用標準值，即：

其中：

F——沿最不利方向施加于機電設施重心處的水平地震作用標準值。

αEK——水平地震力綜合系數，當結果小于0.5 時，按0.5 計。

γ——構件功能系數，按規范查表。

η——構件類別系數，按規范查表。

ζ1——狀態系數：對支撐點低于質心設備宜取2.0，其余情況取1.0。

ζ2——位置系數，建筑頂點宜取2.0，底部宜取1.0，沿高度線性分布，通常選擇最不利樓層。

αmax——地震影響系數最大值，按多遇地震查表。

G——非結構構件的重力，包括運行時容器和管道中的介質及儲物柜中物品的重力，可按規范計算和查表。如圖3 所示150mm 的單位管重查表為G=428.75N/m。

經查表后得出圖3 抗震支架的水平地震綜合力系數αEK=1.4×1×1×2×0.08=0.224<0.5，則取αEK=0.5。水平地震作用荷載分項系數規范取1.3，考慮荷載分布，則圖3 所示抗震支架的側向水平地震力設計值ST和縱向水平地震力設計值SL分別為：

ST=單位長度的重量×側向管長×每套支架承擔的管道數量×水平地震力綜合系數×荷載分項系統=428.75×12×1×0.5×1.3=3344.25N，同理SL=428.75 ×24×1×0.5×1.3=6688.5N

（3）按照所選用抗震支吊架與結構的連接布置、支架斜撐與豎桿的夾角，以及計算出的水平地震力，計算抗震支架受不同方向地震力時的桿件軸力最大值。如圖4 所示，橫向地震作用力主要由斜撐N1 承受，縱向地震作用力主要由斜撐N3承受。

圖4 支架側向和縱向受力分解

（4）驗算所選取抗震支架的桿件及配件強度是否滿足要求。

管道的重量通常由普通支吊架承受，一般不考慮抗震支架與重力支架共用時，此時S（抗震支架內力組合值）=ST/SL。且抗震支架節點通常為鉸接，桿件只承受軸力。通過對比抗震支架桿件、連接件、錨栓、管夾等的設計強度，當S

值得大家注意的是，當抗震支架斜撐或吊桿長度過長時，往往還需要驗算其長細比。以上為大家展示的僅為圖3 所示類型抗震支架的驗算方法，實際工程應用中往往有各種機電系統的管道和抗震支架形式，因此必須按實際情況分別驗算校核。除此之外，在抗震支吊架設計和布置時應注意以下要求：

（1）水平地震作用應有兩個不同方向的抗震支撐承擔。

（2）抗震支吊架復核時應選取混凝土結構最不利受力位置來核算，如選取較高樓層。

（3）抗震支吊架采用的構件應采用成品定型構件，減少現場深加工、拼組。

（4）抗震支吊架的設計注意不應阻礙機電管線熱脹冷縮產生的變形、位移。

（5）水平直管道兩端應設置側向抗震支架，當兩個側向抗震支架間距大于最大設計間距時，應在中間增設。

（6）每段水平直管道應至少設置一個縱向抗震支架，當兩個縱向抗震支架間距大于最大設計間距時，應在中間增設。

（7）所有抗震支架應和主體結構可靠連接。

（8）抗震支架的斜撐角度宜為45°且不小于30°。

結語：

機電安裝中的抗震設計除設備基礎和抗震支吊架之外，還有機房的選擇、設備的布置和安裝、管材的選擇和敷設、穿防震縫或結構要求等，抗震設計時需結合實際工程情況按照規范要求進行詳細說明。同時，需嚴格按設計要求控制機電安裝的抗震施工質量，鑒于篇幅限制本文不再論述。文中的錯誤和疏漏之處在所難免，懇請各位讀者諒解，并期待各位專家和設計師的寶貴意見。