高层建筑燃气设计有关问题的探讨

高层建筑燃气设计有关问题的探讨近年来，随着城市建设的不断发展和建筑业的兴盛，在各大中城市中，大量的高层建筑(十层以上建筑)乃至超高层建筑(四十层以上或高100米以上)已经建成和正在建设之中。其中尤以高层普通住宅和商住用房为突出，(以南京市为例，市区内已建和待建的高层建筑将达三百栋，其中多为高度一百米以下的普通住宅，也有近五十层左右的商住楼。)这类建筑要求燃气的供应必须与之配套。鉴于高层建筑的特殊性，在进行其燃气管的设计时，就必须解决在多层建筑中对燃气管和燃气供应影响不大而可以忽略不计、但在高层建筑中的燃气管和燃气供应就不可忽略的一些因素。其影响因素主要有以下几点：1、高层建筑因其体积和自重远大于普通建筑，其地基下沉对燃气引入管的影响。2、高层建筑高度较高，因燃气比重与空气比重的差异所产生的附加压头对用户灶具使用的影响。3、高层建筑燃气立管的自重引起的压缩应力、管道因环境温度变化所带来伸缩量及热应力的影响。4、高层建筑在受到地震和风荷载的影响下，会产生一定量的变形，设于其上的燃气管道随之产生的弯曲应力的影响等。本文拟就上述几点影响因素提出一些消除方法。一、消除高层建筑的沉降对燃气引入管影响的方式高层建筑因自重会产生一定量的沉降量，燃气引入管自室外进入室内时，此段管道在建筑物沉降过大时，会受到损坏。为此必须在燃气引入管处采取沉降量的补偿措施。通常是在紧贴建筑物基础外侧的设沉降箱，在沉降箱内再采取如下方式：方式一：多个弯头的组合方式采用多个丝扣联接的弯头按顺时针方向组合，利用丝扣一定量的可旋转性产生的管道上下位移来进行沉降量的补偿。(如图1-1)方式二：铅管方式利用铅管的可桡性进行补偿。(如图1-2)方式三：金属软管方式选择不锈钢金属波纹软管，利用其可扰性进行补偿。(如图1-3)方式四：金属通用型波纹补偿器方式将通用型波纹补偿器垂直安装于引入管上，利用其伸缩能力进行沉降量的补偿。(如图1-4)图1-1～图1-4中的H值各补偿方式的补偿能力，该值须略大于建筑物本身的允许沉降量，其允许沉降量由该建筑物的设计部门提供。方式一中，多个弯头埋于地下，其螺纹部分较管道易于腐蚀，且在施工过程中极易形成反时针现象。当管道下沉时，某些丝扣会反时针方向转动，从而影响其气密性。方式二中，铅管在弯曲过程中易于扁平，从而影响管道的通过能力。方式四中，通用补偿器可通过计算选择来满足沉降量的补偿，但对其它方向位移的补偿能力有限。另外，波纹补偿器的安装要求也高于其它几种方式。方式一、二、四对地震频发地区也不太适合。因此，选择何种方式必须根据当地的具体情况。本文中认为，方式三是进行燃气引入管的沉降量补偿的最佳方式。二、关于燃气立管上附加压头的影响消除方式因燃气与空气的容重差易，燃气或轻于空气或重于空气，造成燃气立管上附加压头的产生。附加压头的计算公式如下：△P=H(Ra-Rg)g式中△P——附加压头(帕)H——管道始末端的高程差(米)对于上升管段，H取正值，反之取负值Ra——空气的密度(1.293公斤/标准米3)Rg——燃气的密度(公斤/标准米3)g——重力加速度(取9.81米/秒2)以上升管段为例，当燃气容重小于空气容重时，△P值为负。当燃气容重大于空气容重时，△P值为正值。对家用燃气灶来说，其灶前允许压力波动范围是灶具额定工作压力的0．5～1.5倍。在家用燃气灶的部颁标准(CJ--83)中也列出了与灶具工作压力有关的灶具性能参数必须以灶具额定工作压力的0.5～1.5倍压力进行测试并符合要求的规定。当灶具在灶前压力大于1.5倍额定工作压力使用时，将会使灶具的热效率下降，火焰的稳定性(离焰、脱火)下降，带电子点火装置的灶的点火成功率下降。同时使灶具的燃烧噪声加大，烟气中一氧化碳的含量也会有所增加。当整个低压管网只有极少数用户在用气，而高层建筑又离调压房较近时，自调压房出口管至表前的整个管段的压降微手其微。可认为引入管前压力接近于调压房出口压力。附加压头的叠加就极易使莫些层次以上的用户灶前压力超过其最高允许压力波动范围。这种工况是高层建筑燃气管网的最不利运行工况。把这种运行工况作为考虑对象，用户灶前压力按下述公式计算：即P2=P1-△P1-△P2-△P附式1式中P2——灶前压力(帕)P1——调压房(器)出口压力(帕)△P1——主干管及庭院支管压降帕)△P2——立管至灶前分支管压力降帕)该值取200帕(表压降为150帕左右)P附——附加压头(帕)在最不利工况下，△P1忽略不计，当灶前压力达到灶具额定工作压力的1.5倍时，式1变为：1.5Pn=P1-200-△P附式2式2可作为确定附加压头增加至多少时，灶前压力会超过其额定工作压力。以南京市燃气供应为例，人工煤气的灶具额定工作压力为1000帕，调压房出口压力为1500帕。取式二中P1=1500帕(低压管网处于最不利运行工况)，当附加压头大于200帕时，灶前压力会超出最高允许压力。因此附加压头的允许极限取200帕为宜。南京市煤气容重为0.42～0.59公斤/立方米(一般取0.55)，每米附加压头约为6帕。当住宅高度超过33米时，就应考虑附加压头的影响。消除附加压头影响的方式有：1、通过管道水力计算，用增加管道阻力的方式来消除附加压头的影响，如改变立管口径、立管上增加阀门等。2、在附加压头超过200帕的层次开始在立管上设置低一低压调压器，使灶前压力稳定在额定工作压力范围内。3、在附加压头超过200帕的层次开始，在用户表前设置用户低一低压调压器，使灶前压力稳定在额定工作压力范围内。方式一中，当高层建筑自顶层开始有极少数用户用气时，其附加压头几乎未有所减少。方式二中，当调压器出现故障时，其后的用户将受其影响。方式三应该是消除附加压头的最理想的方式。在日本名古屋市一栋高层高级公寓中，自20层开始的天燃气用户表前，使用了由爱知时针电机株式会社生产的HRT-7型升压防止券，该装置的入口压力范围为1500帕～5000帕，出口压力为2100帕，通过流量为7立方米／小时。目前在国内的一些燃气设备展览会上也有一种用户低低压调压器，该调压器的进口压力为1500帕，出口压力为1000帕，最大流量为5.6立方米/小时。三、燃气立管的应力计算及其消除方式高层建筑内因立管较长，管道较重，管道上会产生压缩应力。因受环境温度变化的影响，立管会产生伸缩变型和产生热应力。另外，建筑物在受到风荷载和地震的影响时均会产生一定的摆动，燃气立管因受穿楼板套管的限制也会随之摆动从而产生弯曲应力。以上三种应力在高层建筑燃气立管的设计中均不可忽视。1、压缩应力因管道自重产生的压缩应力计算公式为：σ=W/A式中σ——压缩应力(牛/毫米2)w——管道自重(牛)当立管上无承重支撑时为全部立管之重量A——立管截面积(毫米2)A=Л(D2=d2)÷4D——管道外径(毫米)d——管道内径(毫米)普通碳钢(A3)在工作环境温度小于100℃时的允许应力[σ]=113牛/毫米2)根据管道允许自重W允≤[σ]×A可计算出不同管径的允许管长如表1：表1公称直径（毫米）DN100DN80DN50DN40外径D（毫米）114.088.560.048.0内径d(毫米)106.080.553.041.0截面积A（毫米）1381.61061.3620.9489.0单位重量（牛/米）108.583.448.838.4允许重量（牛）156120.8119929.570166.255263.0允许管长（米）1439.01438.01437.81439.0由表1中计算结果可知：当管长超过1400米时，因管重引起的压缩应力才会超过管材的允许应力，而如此高的立管长度对一般高层建筑是不可能的。故该压缩应力对管材的破坏性可不预考虑，但在考虑管道推力和综合应力时则不可忽视，为此必须将立管重量采用分层支撑的方式给予均摊。2、伸缩量与热应力及其消除方式随着立管周围环境温度的变化，会产生伸缩变型和热应力。管道两端不固定时伸缩量的计算公式为:△1=C△tL式中△1——伸缩量(毫米)C——线膨胀系数(碳钢C=12×10-2毫米/℃·米)△t——环境温差一般室外取60℃，室内无空调时取40℃，有空调时取20℃如果将管道两端固定时，产生的热应力的计算公式为：σr=E△tC式中σr——热应力(牛/毫米2)E——弹性模数(钢取2.1×105兆帕)热应力只与管道材质和温度变化有关，与管长、管径无关。不同温差时的热应力、不同管长时的伸缩量的计算结果见表2：表2温差伸缩量（毫米）热应力℃50米100米150米牛/毫米2106121825.22012243650.440244872100.8603672108151.2当管道两端固定时，因不能自由伸缩，固将对两固定端形成推力，计算公式如下：F=σr×A以口径DN50的管道为例，在不同温度下的推力计算如下：温差10℃时：F＝25.2×620.94＝15647.7牛≈1.56吨20℃时：F=50.4×620.94=31295.4牛≈3.13吨40℃时：F=100.8×620.94=62590.7牛≈6.26吨60℃时：F=151.2×620.94=93886.1牛≈9.39吨如此大的推力如果作用在楼板等处将形成极大的破坏力。因此，必须对立管的伸缩量和热应力采取有效的补偿措施，一般采取如下方式：方式一：在立管上采用多个弯头的组合进行补偿，如图3-1。方式二：在立管上设置一个或多个波纹补偿器进行补偿，如图3-2。多个弯头设于户内将影响美观，另外如果采用丝扣弯头，长期进行伸缩量的补偿将造成丝口的松动。因此，方式一不便于采用。方式二为理想的补偿方式。选择波纹补偿器时必须根据管道伸缩量和补偿器的补偿能力来确定一个或多个补偿器。南京目前普遍采用的是工作压力为0.25MPa的通用型波纹补偿器。用波纹补偿器进行补偿的管段间两端必须固定，固定方式可和管承重支承一并考虑。我国目前的燃气设计规范中对固定方式和承重支承方式均未涉及，现介绍日本某煤气公司在其施工规范中规定的一些固定和支承方式，如下图：立管承重支承承重支承大样3、弯曲应力弯曲应力的计算公式为：σW=12EI/H2式中σw——层间相对水平位移(毫米)I——管道断面回转半径(毫米)H——层高(毫米)高层建筑在地震7度的地区受地震影响时的允许层间相对水平位移量一般取层高的1/1500。高层建筑受风荷载影响时的允许层间相对水平位移量一般取层高的1/3000。设于高层建筑内的燃气立管的层间相对水平位移量又取建筑物的层间相对水平位移量的1.5倍。根据管道弯曲应力应小于其管材允许应力[σ]，计算出不同口径管道的允许层间相对位移量[σ]见表3：表3口径（毫米）DN100DN80DN50DN40DN25外径（毫米）114.088.560.048.033.5内径（毫米）106.080.553.041.027.0允许位移量（毫米）10.3713.4920.1625.5737.51注：层高H按3000毫米计。允许应力[σ]=113牛/毫米2。在受地震影响时(地震烈度7度以下地区)，建筑物允许层间相对水平位移量在层高为3米时为2毫米，该值远小于管道的允许位移量(表3中)。所以，当立管已采取承重支承和伸缩补偿措施后，在这种情况下产生的弯曲应力对管道的破坏作用可不预考虑。结束语以上是本人结合实际工作所得出的结论。在进行高层建筑燃气管道设计还必须考虑的其它方面如管道走向的规范要求、管道的联结方式等，本文中就不再赘述。文中如有不妥之处烦请指教