（环境工程专业论文）高层建筑燃气供应设计技术研究.pdf

重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t u r b a nm l n 】r eg 目1 i 日椭i s 讲l eo ft h er e a l i t i e sw h i c hs h e r m h w i l lf a c ei nt h en e a r 盎血聆 w i t ht h ec o m r l l e n c eo f l n g p r o j e c ti ng u “g d o n gp r o v i n c e ，t h eg a ss o i m c eo f s h e n z l a e nb e g a nt o i r a m f e rf i - o ml p gt on a t u r eg a st h eu s e & g a si nt h eb u i l d i n gw i l l t ) e c x ) l l l em o r ep o p u l a ra n dt h e d e s i g nw i t hr e g a r do f g a ss u p p l yf o rl l i g hb u i l d i n g sw i l lb em o a n di n o r e t h ea p p e a r a n c eo f h i g hb u i l d i n gi sn e c e s s a r yi nt h ed e v e l o p m e n to f u r b a nc o n s t r u c t i o n h i g h b u i l d i n g c a r ls a v e t h e i n a d c q u l 地l a n da n d c a n f o r m b e t t e r c i t ys e e r ya s o n o k i n d o f c l e a ne a a e r g y , n a t l l r eg a s su s ei nt h eb i g lb u i l d i n gi sv e r yn e c e s s a r y i np u b l i cb u i l d i n g s ，b e s i d e sd i n i n g , t h eu s e o f g a s i n a i r - c o n d i t i o n i n g , c o o l i n ga n d h o t w a t e rs u p p l y i sb e 抽gr a p i d l y d e v e l o p e d b u tt h eg a ss u p p l yi nh i 曲b u i l d i n g sh a sp a m e u l a r i t yw h i c hc o l l l m o r lb u i l d i n g sd o n th a v e t h ep r o b l e mo fs e c u r i t yi sv e r ya b r u p ts ot h er e s e a r c h e so nd e s i g nt e c h n i q u eo f h i g hb u i l d i n gg a s s u p p l yi so f g r e a ti m p o r t a n c e t h i sl p a p c l s y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d so fd e s i g nt e c h n i q u eo fh i 曲 b u i l d i n gg a ss u p p l y d e t a i l e da n a l y s i sa n ds u m m a r i e so np r o b l e m sf r o mb u i l d i n g sc l a s s i f i c a t i o nt o s p e c i a lp r o b l e m sa r eg i , e n t h r o u g hs y s t e m a t i c a la n a l y s i sa n ds u m m a r i z i n g , s e v e r a lp r a c t i c a lc o n c l u s i o n sa r eg o t t e n t h a t i sw es h o u l dp a ym u c hi m p o r t a n c et ot h es p e c i a lr e q u a e m e n t sa n dp r o b a b l yl e dh i d d e nt r o u b l e si n t h ed e s i g n & g a ss u p p l yf o rh i 曲b u i l d i n g , w es h o u l dr e s t r i c tt h i sp o i n ti n0 1 1 1 - d e s i g nc o d eh i t h e r t o t h e r e i s r i o d e t a i l e dc o d e e s p e c i a l l y f o r h 诎b u i l d i n g g a ss t 】p p l y i n k i n d s o f g a s d e s i g nc o d e s c u r r e n t l yo n l yt h eo v e r c o m i n go ：f b u i l d m gs i n k , a d d i t i o n a lp r e s s u r e 鲫d9 3 s1 e a j a g ea l a r m i n g a r ep r i m a r i l yc o n s i d e r e di nt h ed e s i g no fg a ss u p p l yf o rh 诎b u 蛐g s b u tr e s e a r c h e so l lh o wt o r e a l i z et h e s et e c h n i q u e sa r es t i l li n a d e q u a t e ，f o re x a m p l e ，n og o o dw a yt oo v e r c o m et h ea d d i t i o n a l p r e s s u r ee x i s t s i n t e r n a t i o n a l l y , i nt h ed e s i , 9 1 ao f g a ss l s p p l yf o rh i g hb u i l d i n g so f m a n yc i t i e st h ee l i m i n a t i o no f i r r e g u l a rr i s k sl i k ee a r t h q u a k ei st h eo b j e c tt ob ec o n s i d e r e dh o w e v e r , t h ed e g r e eo fi m p o r t a n c e p a i dt os u c hp r o n e m si s n i te n o u g h , e s p e c i a l l yw a y sf o re q u i p m e n t s 仃e a t m e n ti sv e r yi n a d e q u a t e ， w es h o u l dp a ys p e c i a la t t e n t i o nt oi t k e y w o r d s ：h i g hb u i l d i n g ，g a ss u p p l y , d e s i g nt e c h n i q u e i i 重庆大学硕士学位论文1 概论 1 概论 近年来，随着我国城市建设的迅速发展和旅游事业的兴起，以及人口的增长， 人民生活水平不断提高，在土地面积有限的情况下，发展城市高层建筑、多层建 筑已成为历史的必然。在城市能源的供应当中，解决好高层建筑的能源供应是至 关重要的。除了供电外，无论宾馆，饭店或公寓、居民楼都需要供燃气。供气问 题与建筑设计有关，同时也与供电、供水、空调、消防等密切相联，解决得好， 可方便群众，节约能源，解决不好有可能构成重大安全隐患，造成严重的后果【i 。 1 1 建筑物种类 建筑物的燃气供应，从简单的角度上来说，它直接关系到城市居民的生活与 安全，因此，不同的建筑，实施的安全规则也有所不同。例如日本，制订了“建 筑物区分”，把建筑物根据其高度及燃气的使用方式等区分为1 l 类，并根据各建 筑物类别的不同，实旋安全上要求不同的规则f 旧。 日本的建筑物被区分为以下类别： i ) 特定地下街等总面积为1 0 0 0 平方米以上，具有特定用途且地下室部分 的总面积为5 0 0 平方米以上的建筑物。 2 ) 特定地下室具有特定用途的建筑物地下部分。总面积在1 0 0 0 平方米以 上的建筑物，或在特定复合用途建筑物的地下部分总面积为1 0 0 0 平方米 以上，且存在供特定用途使用的部分建筑物。 3 ) 超高层建筑物建筑高度超过6 0 米的建筑物。 4 ) 高层建筑物建筑高度超过31 米的建筑物。 5 ) 特定大规模建筑物供特定用途使用，燃气表流量在1 8 0 m 3 佩热值为 1 1 ，0 0 0 k a l nm ) 以上的建筑物。 6 ) 特定中等规模建筑物供特定用途使用，燃气表的流量在 3 0 m 3 1 1 ( 11 , 0 0 0 k a l n m 3 ) 以上的建筑物。 7 ) 特定公共建筑物供医院，诊所，养老院，幼儿园、学校等用途使用，燃 气表的流量在3 0 m 3 h 0 1 ，0 0 0 k a l n m 3 ) 以上的建筑物。 8 ) 工业用建筑物供产品制造或加工用的建筑物，燃气表的流量在 9 0 m 3 m f l l , 0 0 0 k a l n m 3 ) 以上。 一般业务用建筑供住宅以外的用途使用且安装有燃气表的建筑物。 9 ) 一般集体公寓燃气用户在2 户阻上且燃气表的安装数量在2 个以上的 重庆大学硕士学位论文1 概论 住宅。 1 0 ) 一般住宅上述1 至l o 项以外的建筑物。 注：特定用途的建筑物是指剧场、电影院、展览厅、公共会堂、夜总会、舞 厅、餐厅、百货商店、展示场、医院、诊疗所、福利设施、幼儿园、公众浴池 等不特定人群利用的建筑物。 在建筑物的区分中，有关高层建筑物的规定及施工基准均有所不同。 一般来说，上述划分中的高层建筑物是1 2 层至1 3 层以上的建筑物，主要作 为事务所、饭店、公寓等使用。 针对于建筑类别的不同，相应的管道施工法规也将有所区别，有关管道施工 的法规有以下几点： 从道路至建筑物所在地引入进来的管道上必须设置在紧急情况下能迅速切 断燃气的装置。( 阀门的装置) ： 建筑物内设置的管道必须能保证在地震等灾害发生时，有保证安全的支撑方 式； 1 ) 最高使用压力的高压管道不可设置在建筑物的内部或地基下面； 2 ) 最高使用压力即使是中压管，也应在自动切断装置或燃气泄露警报器的 检知区域内，其管道设置亦应贯通建筑物外壁，或者，在该建筑物内部 进行熔接以外的接合时应在检知区域内进行； 3 ) 地埋管道的接合方法必须具有防震性； 4 ) 防腐措施； 5 ) 防地基下沉措施。 在管道运行管理过程中，对于高层建筑，燃气供应商( 管理者) 应该进行的保 安检查义务，并且要明确而详细： 1 ) 燃气消费设备检查每隔4 0 个月一次或一次以上( 由燃气事业者进行无 偿实施、； 2 ) 燃气泄漏检查每隔4 0 个月一次或一次以上( 由燃气事业者进行无偿的 实施) ： 3 ) 向用户分发安全通知每隔3 年一次或一次以上( 由燃气事业者进行无 偿实施1 。 另外，有关特定地下街、地下室，超高层建筑物的追加规则还有： 1 ) 向特定地下室、特定地下街等供应燃气的管道、在燃气泄漏警报设备的 检测区域内，其设置必须贯通该建筑物的外壁。 2 ) 对于向特定地下室，特定地下街，超高层建筑物及特定大规模建筑物进 行燃气供应的管道，必须在其所贯通的建筑物的外壁附近设置紧急切断 2 重庆大学硕士学位论文 1 概论 阎。 3 ) 对于在地下室，地下街及其它燃气容易积聚的地方进行燃气供应的管道， 应在地下室外的附近设置在紧急情况也能很容易地在地面进行燃气切断 的装置。 在上述情况下的保安检查义务： 1 ) 燃气消费设施检查每隔1 4 个月进行一次或一次以上的检查( 由燃气事 业者进行无偿实施) ： 2 ) 燃气泄漏检查每隔1 5 个月进行一次或一次以上的检查( 由燃气事业者 进行无偿实施) ； 3 ) 向用户分发安全通知每隔一年分发一次或一次以上( 由燃气事业者进 行无偿实施) 。 如上所述，在发生燃气事故的情况下，对于危险度较高的建筑物强化其保安 义务，对于安全性较高的建筑物在一定程度上缓和其保安义务。近年来正以上述 办法对其建筑物进行管制。 此外，作为安全对策的重要一环，应在几乎所有住宅建筑内设置防爆型燃气 表。对于使用丙烷气的住户，只要是集体公寓住宅，就必须设置燃气泄漏警报器， 这应被作为一项义务来进行实施。 除以上所述外，还要计算具体的耐震强度，对管道进行必要的支撑施工。特 别是在一个多地震的地区，在高层建筑物的上部，地震振幅对其管道的影响很大， 因此要求要有相应的对策。关于支撑方法也根据建筑物的高度不同而有所区别， 比如建筑高度在2 5 0 米以上的情况与超过6 0 米未满2 5 0 米的情况等须根据不同 的高度施行符合条件的支撑实施工作业。 有关供应压力问题，在向建筑物高层供应燃气时，存在着燃气比重大于l 时 的压力下降，燃气比重小于1 时压力上升的问题。如果是丙烷气，应属于燃气比 重大于1 的情况，若为天然气则是小于1 的情况。 向高层建筑物供应纯丙烷气时采用中压( o 3 2 0 7 k g 平方米) 供应方式。如向 3 0 层建筑物的最上层进行中压供应，在那里设置调压室，通过其以低压向各户供 气。此夕 ，在利用燃气比重为1 2 3 的丁烷空气掺混气进行供应时，也有以低压 ( 2 2 0 m m h 2 0 ) 直接供应到第2 6 层的例子。 我国根据高层民用建筑设计防火规范( c b j 4 5 - - s 2 ) 规定“高层建筑适用于 十层及十层以上的住宅和建筑高度超过2 4 米的其它民用建筑”，因此，供气范围 也是针对十层或十层以上的住宅及其它的民用建筑。 一般高层建筑按用途分为两种类型：一类为宾馆、旅游楼及饭店等( 也包括少 量办公楼) ，此类高层建筑用热比较集中，通常有几类厨房及餐厅、食街等等。中 重庆大学硕士学位论文1 概论 餐的类型也很多，做各式各样的菜肴，但用户设备无多大区别，当然其中也有些 电热设备，使用比较灵活方便。也有设锅炉房及洗农房的，有些每一层设一个开 水炉。 另一类高层建筑为公寓、宿舍、住宅等民用建筑，要求每一用户都用热。燃 气用做炊事、热水制备等，用气点比较分散。 1 2 常用术语 1 ) 燃气供应设旌一管道、燃气表、燃气阀以及其它在管路中设置的附属设 备： 2 ) 燃气设备燃气供应管道及下游的供气设施和燃气用具： 3 ) 供气压力一用户燃气阀出口的燃气压力； 4 ) 道路用于交通、通行的场所，包括公共道路和私道； 5 ) 干管一燃气输送管道，从燃气制造厂或储配站的出站阀门出口到用户引 入管的接口： 6 ) 内管一归使用者所有，或者是从所有者的道路、土地的边界到用户燃气 阀的管段； 7 ) 附属设备燃气泄露报警嚣、燃气泄露报警设备以及管道支撑设施： 8 ) 引入管燃气切断阀一设在燃气引入管上，在危险情况下能切断燃气供应 通路的设备； 9 ) 燃气紧急切断装置一设在穿过建筑物外墙附近的引入管上，可以从监视 建筑物内安全状况的场所在紧急状态时立即切断燃气通路； 1 0 ) 燃气表一计量燃气体积的装置； 1 1 ) 燃气表考克燃气表上方靠近表的阀门； 1 2 ) 用户燃气阊一内管末端安装的安全阀、旋塞阀、阀门等： 1 3 ) 连接件燃气燃烧装置和用户燃气阀相连接的部件： 1 4 ) 给排气设备燃烧器的供风设施或排烟设施； 1 5 ) 燃烧设备燃气燃烧器、配管、附属设备等； 1 6 ) 燃气泄露报警器检知燃气泄露并报警的装置： 1 7 ) 燃气自动切断装置一在燃气流动状态异常或燃气泄露时能自动切断供气 通路的装置； 1 8 ) 升压防止装置由于浮升力的作用，当用户燃气阀后的燃气压力超过规 定的供气压力时自动减压的装置； 1 9 ) 调压器伎燃气用户用具前的压力维持到规定的某一范围的设备。 4 重庆大学硕士学位论文 2 高层建筑燃气供应系统 2 高层建筑燃气供应系统 气源不同，对高层建筑的供气系统也不完全相同。供应高层建筑的城市燃气 可以是天然气、城市煤气、焦炉气、也可用集中供应的气态液化石油气。采用的 系统可以是低压、中压系统，还可以采用中、低压联合供应的系统。 2 1 低压供气 对于楼层较低，用气量不大的高层建筑，可由城市低压管网直接供气。一般 在建筑物进气的总入口设计量设备。如图2 1 。 低压燃 图2 1 低压供气系统 r i g 2 1l o w p r e s s u r e g a ss u p p l ys y s t e m 当建筑物用气量较大时或从低压管网直接连接不能保证供气量时，应设置专 用调压室，由中压管网供气至调压室内集中调压变为低压燃气进入建筑物。这种 供气方式的实质也是低压进户。单独调压室的位置应按规范选择，但调压室 进口压力为1 5 ( 公斤，平方厘米) 对，距重要的公共建筑物不小于2 5 米。 国外，允许调压室布置在该高层建筑的附楼中。如日本某饭店就是这样，如 图2 - 2 。该饭店建筑面积8 8 6 3 0 平方米，地下1 层，地上4 0 层，总高1 4 39 米， 调匪计量室建在附楼地下一层，中压煤气引入调压计量室以后，经调压后供给厨 房。 2 2 中压供气 对于使用气态液化石油气的居民用户，由于它的容重较大( 2 1 2 2 公斤，标准 立方米1 ，极易形成不同楼层用户压力的差别，而影响燃具的正常燃烧，敌国外液 化石油气常用中压进入建筑物内，“菲歇尔公司”液化石油气服务手册规定，室 内安装调压器，输入室内压力不能超过2 0 磅平方英寸( 约1 a 0 8 公斤，平方厘米) ， 一般采用0 7 公斤平方厘米。对于宾馆、饭店，中压燃气至几个厨房或餐厅入口 处再进行二级调压，使出口压力降为低压，( 液化石油气为2 0 0 - 3 0 0 毫米水柱) 如 广州中国大酒店就是这样。对于高层住宅，中压管道进入用户后，经用户 重庆大学硕士学位论文2 高层建筑燃气供应系统 室 图2 2 某高层建筑俯视图 f i g 2 2 口调压器调至低压燃具的压力。深圳罗湖大厦、海丰苑就是这类系统。参见图23 、 图2 4 。国外还有将用户调压器和气表结合为一整体的，这种装置将用户调压器 放在气表的入口上方。 l 磷谛 一卜卜 龌星箩 _ 斗4 书 卜卜 图2 3 中压供气系统 f 培2 3m e d i a lp r e s s u r eg a ss u p p l y 图2 ，4 中压供气系统 f i g 2 4m e d i a lp r e s s u r eg a ss u p p l ys y s t e m 2 3 中低压共用式 当高层建筑内既有厨房使用低压气的设备又有锅炉等中压用气设备时，则可 由城市中压譬网引入建筑物燃气供应系统，并分为二路：一路中压直接供锅炉等 6 重庆大学硕士学位论文 2 高层建筑燃气供应系统 设备：另一路到调压室降至低压再供给厨房设备。锅炉等设备如无炉前调压器时， 可在煤气表前增设调压器。 根据我国现行的规范和实际情况，大部分高层建筑都是采用城市高、中 压进气，经室外单独的地上调压器，调至低压，再供给高层建筑，如北京西苑饭 店。在外国调压室与锅炉房都可以设在高层建筑内，如日本大仓饭店，建筑面积 5 8 3 4 平方米，地下4 层，地上1 3 层，总高水5 7 米，调压间设在主楼地下l 层。 i 公斤，平方厘米中压煤气引入调压计量室后，分三路：一路降至1 0 0 0 毫米水柱， 供地下4 层锅炉房；另两路降至于1 0 0 毫米水柱，供厨房等设备使用。调压计量 室及锅炉间均设有燃气浓度报警器，报警信号与中央控制室相连，在紧急情况下 能迅速切断紧急切断阀、以防止发生事故。见图2 5 。 图2 , 5 中低压联合分期供气系统 f i g2 5 m e d i a l - l o w p r e s s u r e j o i n t g a ss u p p l ys y s t e m 2 4 液化石油气瓶组供气 采用液化石油气作为供气气源时，由于高层建筑用气量较大，不可能单瓶或 双瓶供气，一般用 5 0 k g 钢瓶布置成 两组。一组是使用 部分，称为使用 侧，另一组是待用 部分称为待用侧。 瓶组的多少应按 用户高峰时耗气 量计算，早先哈尔 滨天鹅饭店及 深圳建工服务 大楼都是瓶组 1 珠压压方衰2 一高低压调压器 3 一高压压力表 4 一粲气管5 一高压戟管6 一钒瓶7 - 善用供气日 8 一阀门 9 - 研擐胡l 删 搬两 图2 ，6 高- 低压瓶组供气系统 z i g ，2 6h i g h - l o w b o t t l eg r o u pg a ss u p p l y 重庆大学硕士学位论文2 高层建筑燃气供应系统 供气成功的例子。瓶组供气有高低压调压器系统( 图2 - 6 ) 、高、中压调压器系统及 自动切换调压器系统( 图2 7 ) 。 卜中压压力表 2 - 自动协换调压器“压力指示器 4 - 高压压力表5 - 阀门 6 - 高压软管 7 一扭埴阗8 备用供气口 图2 7 自动切换瓶组供气系统 f i g2 7 b o t t l eg r o u pg a ss u p p l yw i 出a u t o m a t i cs w i t c h 当用户较少，用气量不大时，采用设有高低压调压器系统，一般要求从调压 器出口到管道末端燃烧器之间阻力损失在3 0 毫米水柱以下。当用气量较大，输 送距离也远，建筑物较高，需要中压供气，仅将图2 6 系统中调压器改变成高中 压调压器后管道也为中压管道，压力表也适用于中压液化气。 2 5 贮罐集中供气 贮罐集中供气可对大型多层民用住宅、住宅群及居民小区供气，也可对多幢 高层建筑供气。贮罐可设在居民区内的地上或地下，用管道集中供气。也可单独 的气化站集中供气，根据用气量大小供应距离远近、可采用强制管道集中供气。 也可采用单独的气化站集中供气，根据用气量大小及供应距离远近、可采用强制 气化，也可采用自然气化，可低压输气也可中压输气。 某地中心液化石油气气化站如( 图2 8 a ) 。该系统为无压缩机的流程图( 或烃 泵) 。根据需要在系统中也可加入压缩机，不过要将流程稍加改动。如图2 8 b 。 重庆大学硕士学位论文 2 高层建筑燃气供应系统 亍 g 基 n 日g = p 一 固皇 = 圆 卜 砷 国 0 i_|ii卡毒 l 豁 囟8 。磷 卜0i 乒0 l 二藉棼拄o o 图28 a 液化石油气气化站工艺流程简图 f i g 2 8 a f l o w c h a r t o f l p g v a p o r i z a 在o ns t a t i o n 9 鐾埘 回r 捌增 啦 。 啦 露翳 茸 。 盛螂毕= 髀圈亭窘 蝶羊m 纂竿 匿罄嚣帕蚝上 鼍埋r癣佴摹蝌三 重庆大学硕士学位论文 2 高层建筑燃气供应系统 e 醢 融 斗 ：# 图2 ，8 b 气化站工艺流程 f i g 28 1 3f l o wc h s r to f v a p o r i z a t i o ns t a t i o n 一 件i2i培玲曩3l钶h静|l蕾靠车15；譬讯臻； ni鼍甚一|。，辩沸精19荨茸鬻 重庆大学硕士学位论文3 高层建筑燃气供应系统设计中的几个问题 3高层建筑燃气供气系统设计中的几个问题 高层建筑供气系统设计有其特殊性，这实际上是由高层建筑的特点决定的。 根据高层建筑的特点，在燃气供应系统设计中应考虑的主要因素为： 1 ) 高层建筑由于层数比较多，建筑体积比较大，比较高，所以建筑物自重 很大撤应解决建筑物的沉降问题； 2 ) 高层建筑的水平位移，由于建筑物的高度很高，风荷载的作用会使建筑 出现水平位移同时使得建筑内的管道系统有被破坏的可能性。 3 ) 高层建筑由于太高，立管比较长，管道的自重大，因而作用于下层管道 的力比较大为此应考虑采用的管材不因受重力破坏的因素。 4 ) 高层建筑管道太长，由于安装温度与管道工作温度不同，因而管道工作 温度是变化的，应当考虑由于温度应力对管道作用力。尤其是对南方建 筑，较多的管线( 包括立管) 安装在室外，因大气温度的变化管线内有不同 应力。 5 ) 高层建筑因楼层很高，燃气由于容重与空气不同，将形成重力与浮力， 会影响燃气的输配及燃烧设备的正常工作，应当使用具前压力限制在一 定范围内波动。 6 ) 应从安全、卫生及防火角度，在保证燃气用具正常条件下，组织好燃烧 所必须的进排气系统。 3 1 克服高层建筑物的沉降 由于高层建筑物的自重很大，土壤的承载能力有限，一般地基有一定数值的 允许沉降量，这将给建筑物内的管道设置带来困难，尤其是管道引入管的连接。 如新北京饭店主楼总重约2 0 万吨。计算荷载6 0i i 屯平方米，建筑物的沉降可达 1 5 e m ，建筑物的沉降会影响管网系统。不均匀沉降处理不好会使管道折断、脱开、 破裂、局部受力等等。容易发生安全事故。 3 1 1 地基沉降对燃气管道的影响 在地质条件不好的地方，建筑物周围土壤的不均匀性沉降相对于建筑物本身 的沉降而言，应该更严重，这种沉降范围大、面积广，不可预见，难以控制，其 沉降量有时可达2 0 0 r a m 。 通常引入管与建筑物的上升立管之间的连接如图3 1 所示。这种情况下，当 引入管的基础发生沉降时，a b 管段会随土壤同时下沉，a 点下沉至a 点，此 时，a - b 段仅受拉伸应力的作用，其变形处于弹性变形阶段。 重庆大学硕士学位论文3高层建筑燃气供应系统设计中的几个问题 三 d l m o c x 口日啊b h 目“一 ：m薹 嗣定支架 f f j 碹套臂 图31 埋地引入管示意图 f i g 3 1d e m o n s w a t i o n o f i n d u c t p i p e l a i d i n t h e l a n d 仃：e 丝 b 段受到的应力可由下式求得： 三 。一拉应力，m p a ； l 一管段的轴向变形，m ； l - 一管段的计算长度，m 。 由于变形导致的应力值应该小于材料在设计温度之下的许用应力【o 】，那么， 任一计算管长时的极限变形量都可求出； 址l _ 鲣 e 由此还可确定其极限沉降量，【s 】= + 【a l 】) 2 + r 。 若b 点是自由的，c 点将受到一个外拉力矩m c ： m c ：c r a h ：e a h 些 式中：p r 管道的截面积，m 2 ： h 一引入管的埋深，1 1 1 。 c 点的弯曲应力可做出相应的计算。 3 1 2 克服建筑物沉降的方法 克服建筑物的沉降通常所采用的办法，是在引入管处采用弯曲管、蛇形管等 挠性管，在管道穿墙处适当留出建筑物的沉降量。具体的连接方法如图3 2 。 l 直线壹箍 o 水平安装 d 蛇形管 图3 2 引入管的揉性连接 f i g3 2n e ，d b l e j l 枷o f t h ei n d u c tp i p e 重庆大学硕士学位论文3 高层建筑燃气供应系统设计中的几个问题 3 2 高层建筑的水平位移 3 2 1 风荷载产生的水平位移 超高层建筑的高度，应该说是不言而喻的，也正是这个高度在风载荷的作用 下，特别是台风等恶劣气候条件下，此超高层所具有的风动力特性，在风载作用 下建筑受到的风力加速度，建筑上都会发生水平位移，且根据风速的不同，其建 筑的振动厨期也不同。尽管通常超高层建筑的结构设计是控制结构在风荷载作用 下的动力特性而不仅仅满足强度和位移要求。但对于燃气供应系统来说，还必须 考虑这些不可避免的结构特性所带来的对燃气供应系统的负面作用。世界上一些 颇具代表性的超高层建筑的水平位移值如下表。 表3 1 世界上超高层建筑水平位移值一览表 建筑物 高度( h ) 高宽比水平位移结构加速度材料 西尔斯大厦( 芝加哥) 4 4 0 米 6 4h ，5 5 0 2 0 ( 干分之一g l 钢结构 金茂大厦( 上海) 4 1 8 来70h ，9 0 8 1 1 0 0 年重现期) 混合结构 中央广场大厦( 香港) 3 7 4 米h ，7 8 0 1 0 ( 1 0 年重现期) 钢筋凝土结构 a m o c o 大厦( 芝加哥) 3 4 0 米6 0 h 4 0 0钢结构 汉考克大厦( 芝加哥) 3 4 4 米6 6h ，5 0 0 钢结构 哥伦比亚中心( 西亚图)2 8 8 米 壬i ，6 0 0 2 0 ( 1 0 年重现期)混合结构 c i t i b a n k 广场( 香港) 2 2 0 米 l 5 0 0混合结构 上述所列数据是根据3 0 年重现期得到的。 另外，为考虑建筑自振对结构的影响，如对上海金茂大厦进行结构设计时， 塔实际摆动周期也参照了横风研究，进行了风洞试验，按不同重现期，对标高为 3 2 2 4 米处旅馆顶层楼面的风速v h 进行测试如下： 风荷载类型重现期风速 风洞试验1 年v 矿2 3 ，5 糟秒 v h = 3 2 7 米秒 v n = 3 9 7 米秒 v 一2 4 米秒 v w = 4 8 6 米秒 中国规范1 0 0 年f 5 5 0 米秒 由于大楼的刚度和质量基本上是关于主轴对称，故用三维空间动力分析来确 定自振周期，第一和第二振形( 平移基本相同) ，而楼房的扭转刚度很大，则第三 重塞查堂堡圭学位论文 3 高层建筑燃气供应系统设计中的几个问题 振形( 扭转) 自振周期较短，结果如下： 第一振形自振周期t l = 5 7 秒( 平移) 第二振形自振周期 t 2 ；5 7 秒( 平移) 第三振形自振周期t 3 = 2 5 秒( 扭转) 此外，对高层建筑来说，结构抗震设计也是一个重要课题，尽管结构上已对 受地震影响结构稳定性进行了验算，但是对燃气系统平说也应考虑地震导致的建 筑水平位移，并应考虑超高层建筑固有振动频率和燃气供应系统的立管振动频 率，以验算其发生共振的可能性。 综上所述，超高层建筑的结构特点，给燃气供应系统的安全可靠性设计提出 了新的课题。 3 2 2 风载荷产生的建筑水平位移的补偿措旌 如前所述，上海某大厦按3 0 年到3 0 0 0 年重现期计，其水平位移分为h 9 0 0 和 h 5 7 5 ，按此式计算，五十三层的位移值分 别为o 2 3 5 米和o 3 7 2 米，而八十七层的位 移值分别达到0 3 6 8 米和o 5 8 0 米，这些不 同高度的位移会使整个在高度方向呈弧 状t 竖直的立管和横向支管均发生位移。 因此必须对该燃气竖管和横管进行伸缩补 偿，并特别要注意，不论竖管和横管，必 须在其上设置锚固点，以限定补偿的范围， 并且在横管锚圆点之前设伸缩补偿器，而 ： f z j |i； j l f 锚固点之后，应视作相对于建筑是无水平 图33 立管变形计算图 位移的，也就是说燃气稳压器、阀门等管f i g 33c a l c l l l a d 。f 如v 瞰i c a lp i l ) 。，sd e f o r m 道设备应设于横管锚固点以后，以使这些管道设备免受燃气管道位移的影响。立 管产生弯曲变形的弯矩按下式计算( 参见图3 - 3 ) ： m = 百1 2 e j r w 式中： 肼一弯矩( 从斤毫米) e 一钢的弹性模数，e = 2 1 1 0 4 ( 公斤毫米：) ； j - 管道断面惯性矩皓米4 炯管的惯性矩为，= 鲁( d 4 一d 4 ) d 、d 管道外径与管道内径 o 一层间相对水平位移( 毫米) ，此值与结构形式有关，由结构设计提供。 h 一层高( 毫米) ，如果支撑点不是每层设置此值应为支撑点距离。 重庆大学硕士学位论文3 高层建筑燃气供应系统设计中的几个问题 弯曲应力计算： 1 2 点y 盯 以2 1 r 式中： 盯。一弯曲应力忪斤毫米2 ) ，一管道断面回转半径滗米) ，其值为： ，= - 4 d 2 + d 2 4 断面系数j 及回转半径i 都可由有关资料手册查得。 对框架结构进行计算，当每层( 三米) 设支撵点，管d g = 2 0 0 以上时，管道弯曲 应力会超过许用应力，这对必须每隔一层或二层设一支撑点。但用其它结构形式， 设计时应按计算结果决定。 根据现行的规定，高层建筑最低应按地震烈度7 度计算，考虑地震对立管影 响时要校核压缩应力及弯曲应力( 立管的层问水平位移量。取结构极限层间水平 位移量的1 5 倍) 。 可根据这三个应力的合力与该钢材的许用应力来确定竖直管道两锚固点间 的距离，然后再考虑该段热伸长，以便考虑热补偿措施，并据此应校核建筑结构 承受管道自重的能力，否则，应增减竖直管道上的锚固点。 超高层建筑内竖直燃气管道受风荷载的影响，会随建筑而发生共振，该管道 振动频率如果与建筑体固有振动频率相等的话，便会发生共振，管道会遭到破坏。 因此，必须校核两者的数值，以确保安全。建筑体固有振动频率应由结构专业提 供，如上海某大厦建筑固有振动频率为1 1 6 = 0 1 6 7 赫兹，而竖直管道两锚固点间 管道的振动频率为： r ：蔓盟 管道振动频率 。 2 耐2o o l q 赫兹 式中：x 一管端固定情况的参数，两端固定时凡7 3 ； 醐材的弹性模量，k 酏m 2 ： 卜钢管的惯性矩，l c m l 4 ； g 重力加速度，m s 2 ； 卜管道长度，c r n ； q 一单位长度管道重量，i ( g i m 。 如果两者计算结果相差甚微，则可通过调整锚点间的距离来解决。如相差很 远，则计算有效，当然还可作些方案比较，以达到技术先进、经济合理。 重庆大学硕士学位论文3 高层建筑燃气供应系统设计中的几个闻题 3 3 高层建筑内燃气竖直管道自重的克服 由于建筑高度的原因，使超高层建筑内的竖直燃气管道的自重很大，便产生 了很大的压应力。对于钢管，工作温度在2 0 0 摄 氏度以下，普通碳素铜的允许应力( o 。】- 1 2 公斤 平方毫米。只有立管高度在7 0 0 8 0 0 米左右，立 管底部压缩应力才能达到允许应力，故一般高层 建筑可不考虑立管自重产生的应力破坏，但计算 推力或综合时不能忽略。 为了使整个立管自重能均匀分摊，在建筑物 图3 4 立管上下的固定支座 f i g3 4 f i x e ds u p p o r t a b o v e a n d b e l o w t h e v e r t i c a lp i p e 中每层( 或每隔几层) 设置支撑点，由这些支撑点来均摊立管的自重，以减少立管 底部压缩应力过于集中。如东京新宿的中央大厦，1 9 7 8 年建成综合办公大楼共 5 3 层，高2 1 6 米。煤气管道放置在地下室至顶层的综合管井中。在地下一层及最 高部位，采用完全固定( 图3 4 ) ，中间隔层设置一个固定卡子，以固定立管。压应 力的计算公式如下： 压应力叮，：量譬兆帕 式中：g 一重力加速度，m s 2 ； q 一单位长度管道重量，k g m ； l 管道长度，m ； f 管道截面积，r m r 1 2 。 3 4 高层建筑热应力的消除 3 4 1 热应力与伸缩量 超高层建筑内很长的竖直燃气管道，由于施工时期的环境温度与主管工作时 的温度不相同，会产生热应力。室外立管主要是大气气温的影响，在我国温差一 般在4 0 摄氏度以下，室内立管由于管井上下开有百叶窗，由室内进空气、则立 管温度相当于室内温度，上下两端固定的立管热应力很大，管道不固定自由膨胀 时，伸缩量为： 热应力o - ，2 丘z a t m p a 式中：e 钢材的弹性模量，i v l _ | p a ； 钢材线膨胀系数，m m ： 重庆大学硕士学位论文 3 高层建筑燃气供应系统设计中的几个问题 卜一温度差，；室内设有空调时t = 1 0 。 当立管两端固定，不能自由伸缩，总长度不变时，则产生热应力。由公式可 知热应力与材料及温差有关，而与管长无关，例如最小管道： 当a t = 1 0 。c 时e 。= 2 5 2 5 8 8 = 1 4 8 1 7 6 公斤1 5 吨 当a t = 2 0 0 c 时，r = 5 0 4 5 8 8 = 2 9 6 3 5 2 公斤* 3 0 吨 当a t = 4 0 ”c 时，尻。= 1 0 1 8 5 8 8 = 5 9 2 7 0 4 6 0 吨 这样大的推力作用在楼板或外墙，将破坏楼板或外墙上的管卡等。因此，必 须采取有效的措施消除热应力，一般在固定支点之间补偿器、伸缩器、弯管及波 纹管等。 所有波形补偿器都必须按工厂出厂的补偿量来选择，自然弯曲及“n ”形管 道应经过计算来求得伸长及支座受力。 表3 2 热应力与伸缩量 申缩量( 毫米) 温差( 摄氏度)热应力( 公斤毫米2 ) 5 0 米1 0 0 米1 5 0 米 l o61 21 82 5 2 2 01 22 43 65 0 4 3 01 8 3 65 475 6 4 0 2 44 87 21 0 0 8 3 4 2 热补偿装置的工艺计算 l 型自然补偿器 在计算l 型自然补偿器 对，应该对其短臂长度、弹 性力和弯曲应力加以计算。 根据计算结果，选择补偿器 时，补偿器的结构和性能应 达到如下要求：短臂不得小 于短臂的计算长度；弹性力 适当：弯曲应力不应超过 4 - 1 0 k g m m 2 。( 图3 5 ) 1 ) 短臂长度计算 图3 5l 型补偿器计算简图 f i g 3 5c a l c u l a t i o n 粤吐o f ls h a p ee o m p e n s a t o r 7 重庆大学硕士学位论文3 高层建筑燃气供应系统设计中的几个问题 在长臂长度和长臂需要的补偿量已知的情况下，可以确定短臂长度。 ，；1 l a i d v3 0 0 式中：l 一短臂长度，i n ； d 一管道外径，r t l n l ； k 长臂热伸长量和冷缩量中的最大绝对值，r n n l ； l 长臂长度，m 。 短臂的长度必须大于或等于计算长度，但不宜过大。短臂过长异寸，会使补偿 能力增大，但也会增加长臂管道的横向位移。若现场使用管臂长度受限时，可反 算长臂长度，而在允许时调整长臂管道上的固定支架或附近的其它补偿装置。此 时，有必要计算长臂和管臂的横向位移，以决定有活动支座时活动余隙的预留。 一般短臂的最大横向位移即为l 值，对短臂的最大位移点即在与长臂交接处， e 甚 司 嘲 皿 ：蛩 赣 j ! 亚 出 短臂长度“加 图3 , 6l 型短臂长度计算线图 f i 36c a l c l l l a t i o r tm - a d ho f s h o r ta r r l 3 3w i t hls h a o e 是l 型补偿器的计算线图。 2 ) 弹性力的计算 同样，短臂的 l d 值即可 确定长臂的最 大横向位移。 那么，可利用 各固定支座处 位移为零与最 大横向位移之 关系，做线性 计算以求得各 点的横向位 移，虽然实际 上并非是线性 关系。图3 6 弹性力的计算包括固定支座轴向弹性力和横向弹性力的计算，有： p x = a 器 p y = b 器 式中：a 、肛长、短臂弹性力的计算系数： 重庆大学硕士学位论文 3高层建筑燃气供应系统设计中的几个问题 a = p 卜长、短臂固定支座处轴向弹性力和短臂固定支座处横向弹性力假g ) ； b 一短臂固定支座处轴向弹性力和长臂固定支座处横向弹性力( k g ) ； 3 ( n 3 + 4 n 2 + 3 1 订2 + 一 b = 蔫掣 其中：胛= l a , l d ，l a , 为长臂的长度( m ) 。 3 弹性弯曲应力计算 一般最大弯曲应力产生于短臂的固定支座处，补偿器只需对此处的弯曲应力 进行校核计算即可，计算公式为； 一蚯d 垃 盯 一乩丽 式中：盯一轴向弯曲应力，k g m l l l 2 ； c 一弯曲应力系数，c = 1 5 ( n 3 + 2 ”2 + i ) ( n 2 + n ) 。 由于固定支座问活动支座对管道位移的影响，实际上管道承受的应力要比计 算值大，为安全起见，盯。的取值在有活动支座时应取弯曲应力的下限。 z 型自然补偿器 与l 型补偿器相似，( 图3 - 7 ) 计算 过程如下： 1 ) 中间臂长度计算 z 型补偿器这主要有长臂、中间臂 和短臂构成。其中间臂最小长度为： ，= i 6 a t e d 1 i 图3 7 z 型自然补偿管段计算简图 f i g3 7 c a l c u l a t i o ng r a p ho f zs h a p en a l l l r ec o m p e n s a t o r 式中：，一一中间臂最小长度，m ： i 一计算温差，； b 一管道材料的弹性模量， m p a ： 【0 谰一弯曲许用应力， m p a 。 1 ) 弹性力计算 同样有： 础器 圉3 8z 型短臂长度计算线囤 f i g3 8 c a l c u l a t i o n g r a