建筑抗震支吊架生产及施工应用现状与展望

我国是世界上大陆强震最多的国家，由于抗震支

吊架系统能抵抗水平方向上的地震力，最大程度地避免管线系统破坏，减小地震对建筑给排水、供电、消防等功能的影响，控制地震带来的次生灾害，可降低地震对人身安全带来的威胁及经济损失。1、建筑抗震支吊架的作用与应用1.1抗震设防要求据统计，在写字楼、酒店、医院建设中，非结构构件的投资分别为82%，87%，92%，所占比例远高于建筑结构构件的投入。在中大型城市建筑中，总的非结构造价约占总造价的70%，且填充墙、吊顶系统、管线系统、电梯系统通常为非结构构件主要的震害集中点，其中管线系统的损害极易导致二次灾害，增大震后救援工作的危险性，所以按照相关标准设计抗震支吊架系统尤为必要。2008年汶川地震后，住房与城乡建设部完成了对若干个建筑抗震标准的重新修订。2015年8月1日正式施行的GB50981—2014《建筑机电工程抗震设计规范》明确规定了设防烈度在6度及以上的地区，其建筑机电工程设施必须进行抗震设计。通过安装抗震支吊架，可将地震水平方向的横向力传递至主体结构上，达到综合承载的效果，最大程度地避免管线系统的破坏，减少次生灾害的发生，保障建筑设施的使用功能。1.2抗震支吊架应用发展建筑机电支撑系统的研究始于20世纪70年代初的美国，该国根据西部地震多发地带的现代高层建筑内部附属机电设备如给排水系统、建筑电气系统、消防管理系统、燃气管道系统、通风与空调工程系统、电梯安装系统和建筑智能化系统的抗震需求，开发了建筑机电抗震设施。2000年前，我国的支吊架主要在现场用型钢焊接而成，在成型和安装方面都有缺点和不足，支吊架尺寸与成型依赖工人的操作水平，无法保证安装质量；切割和焊接过程有引发火灾的隐患，现场的噪声、粉尘难以控制。安装过程中对混凝土主体结构易造成损伤，使用寿命难以满足结构寿命的要求。2000年后，成品支吊架开始进入中国市场。由工厂生产定型定长的C型槽钢并配以相应的连接件，运往现场后根据使用需求进行装配，精度有了较大的提升。所有构件和配件均在出厂前进行防腐处理，实现了标准化设计、工厂化生产，为规范化施工和科学化管理提供了可能。近年来在城市地下综合管廊和轨道交通等市政建设中，抗震支吊架使用也越来越普遍。一些特殊领域，如核电火电基地、变电站、海油平台等建筑也陆续使用了抗震支吊架。1.3抗震支吊架分类一般将抗震支吊架定义为由锚固体、加固吊杆、抗震连接构件及抗震斜撑组成并与建筑结构体牢固连接的组件。支吊架金属部件的材质多为碳钢与不锈钢。常见的支吊架类型如图1所示。图1常见的抗震支吊架1—锚栓；2—套筒；3—加劲装置；4—长螺杆；5—六角螺母；6—U形管夹；7—塑翼螺母；8—C型槽钢；9—连接件按支吊架的支撑方式，抗震支吊架可分为支撑式抗震支吊架与悬吊式抗震支吊架；按支吊架的装配结构可分为由1根承重吊架与抗震斜撑构成的单杆抗震支吊架、由2根以上的承重吊架与横梁及抗震斜撑构成的门形抗震支吊架、由悬臂承重支吊架与水平纵向抗震斜撑组成的悬臂抗震支吊架；按抗震支吊架斜撑的支撑方向可分为侧向和纵向抗震支吊架；按专业可分为水管抗震支吊架、风管抗震支吊架、电缆桥架抗震支吊架与综合抗震支吊架。1.4支吊架的相关标准虽然2000年后我国成品支吊架陆续出现并投入使用，建筑抗震设计规范也于2010年出台，但建筑抗震支吊架的国家标准直到2018年才正式发布，抗震支吊架也正式进入标准化生产时代。与抗震设防有关的标准主要包括：（1）GB50011—2010《建筑抗震设计规范》；（2）GB50981—2014《建筑机电工程抗震设计规范》。抗震支吊架有关的标准包括：（1）CJ/T476—2015《建筑机电设备抗震支吊架通用技术条件》；（2）GB/T37267—2018《建筑抗震支吊架通用技术条件》。其中，GB/T37267—2018《建筑抗震支吊架通用技术条件》于2019年11月1日正式实施，是抗震支吊架领域最新的标准，与CJ/T476—2015《建筑机电设备抗震支吊架通用技术条件》相比，该标准在原材料要求上增加了GB/T700《碳素结构钢标准》、GB/T20878《不锈钢及耐热钢标准》及GB/T16583《管道连接件衬垫材料标准》的要求，明确规定了表面处理层的厚度要求及尺寸公差要求，更新了防腐性能试验方法和管道连接构件载荷试验方法，对构件加载速率做出了限定，将组件荷载性能试验改为循环加载性能试验，新增了对疲劳性能和耐火性能的要求。GB/T37267—2018《建筑抗震支吊架通用技术条件》对抗震支吊架在尺寸精度及综合性能上提出了更高要求，对生产型企业有指导及监督产品质量的作用，也给第三方检测机构提供了更全面的检测方法参照，有利于抗震支吊架行业的长期发展进步。2、建筑抗震支吊架重要零部件生产状况虽然GB50981—2014《建筑机电工程抗震设计规范》已于2015年8月1日正式实施，但目前国内大量成功应用的案例不多。GB/T37267—2018《建筑抗震支吊架通用技术条件》对抗震支吊架中的标准件虽做了尺寸及综合性能规定，但在实际的生产及工程中零部件型式较多，非标准件的尺寸还不完全统一，不同厂家生产的产品在具体尺寸及质量方面仍存在差别。2.1主要零部件的生产状况抗震支吊架的主要零部件有C型槽钢、抗震连接构件、管夹和各类紧固件。2.1.1抗震C型槽钢抗震C型槽钢是抗震支吊架中主要的承载零件，用于加固吊杆、抗震斜撑、承重横担等部位，具有重要作用。抗震C型槽钢材料常使用热轧镀锌钢板或不锈钢板材，按是否拼接可将槽钢分为单面和双拼2种，最常用的41×41抗震单面槽钢型式如图2所示。图241×41抗震单面槽钢此外，单面C型槽钢的截面尺寸还有41×21，41×41，41×52，41×62，41×72等多种规格。实际工程有需要时也会将两支单面C型槽钢腹背板外侧通过点焊拼接组成双拼槽钢。腹背板有开孔与不开孔2种形式，开孔的孔形有圆孔与长条孔2种，用于抗震支吊架的多为单面的C型槽钢。单面C型槽钢的生产工艺一般由轧制、冲压、剪切几步组成。不同厂家的工艺流程稍有区别，主要分为以下2种：1种是将一定厚度的成品带材轧制成C型钢并轧出内齿，再冲出长条孔，根据交货要求定尺剪切，一般情况下剪切长度为3 m或6m；另1种是将一定厚度的成品带材开卷后切边，切出内齿后卷成带齿的带材，再开卷进行轧制成型，最后冲孔和剪切。2种工艺流程生产的C型槽钢长条孔的孔形和孔距均可通过更换模具的方式实现，成本也较低。C型槽钢的内齿调整在第一种工艺中可通过换轧辊实现，在第二种工艺中可通过换切边模实现，但由于后者是在齿成形后再进行槽钢轧制，内齿在轧制过程中易受压变形。安装时方块螺母与六角螺栓配合组成加劲装置，且C型钢内齿与方块螺母上的齿配合后会形成机械咬合，共同承载横向剪力（图3）。内齿变形可能导致和方块螺母的齿型不能较好咬合而影响承载性能。C型钢的内齿和方块螺母的齿型变化对承载性能造成影响，相关标准也做出了详细规定。图4为常见的几种方块螺母齿型。图3承重吊架上方块螺母与C型槽钢安装图4不同厂家生产的方块螺母2.1.2抗震连接件作为抗震支吊架中的重要构件，抗震连接构件与C型槽钢连接，起传递拉力与地震力的作用，其型式多样，市面上常见的抗震连接构件有A，B，C三种类型（图5）。

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（c）图5常见抗震连接构件（a）A型；（b）B型；（c）C型图5中A型与C型抗震连接构件均由底座、固定钩板、受压支撑板、连接铆钉组成，连接铆钉穿过底座双耳将底座、固定钩板、受压支撑板连为整体，螺栓穿过底座上的螺栓孔将底座固定于墙体或需约束的面上。一根六角螺栓穿过固定钩板上的螺栓孔，将头部压在C型钢腹背板内侧，并使C型钢腹背板外侧紧靠在受压支撑板上端。装配完成的固定钩板与受压支撑板可绕连接铆钉相对底座做单轴转动。待通过抗震连接构件中的扭矩螺栓将固定钩板、受压支撑板与C型钢连接完成后，C型钢可绕底座连接铆钉的轴线做180°轴向旋转。B型抗震连接构件结构相对简单，其双孔一侧由两支8.8级以上螺栓分别穿过两孔与方块螺母配合并与C型槽钢相连；单孔一侧由8.8级以上的螺栓穿过该孔与六角螺母配合连接在管夹上，或由螺杆穿过该孔与六角螺母配合，将整个抗震斜撑固定在建筑墙体或其他需约束的墙面上，连接方式如图6所示。（a）（b）图6B型抗震连接构件与C型钢和管夹的连接方式（a）连接方式1；（b）连接方式2受连接型式限制，在材料和厚度均相同的情况下，B型抗震连接构件承载性能比A型和C型弱，但成本更低，故在工程中大量使用。不同厂家生产的抗震连接构件的流程基本相同，但零件质量稍有差别。一般为厚5 mm以上的成品热轧钢板经切割、落料、冲孔、冷弯、镀锌、装配后完成。不同形状和尺寸的工件和孔的冲裁，均可通过更换或重新设计模具的方式实现，其成本多控制在5 000元以下。在抗震支吊架中，抗震连接构件为易损坏的部位。目前除增加抗震连接构件或C型钢厚度、调整斜撑安装角度外，针对抗震连接构件结构本身的优化方案还有待进一步研究。2.1.3管夹与紧固件管夹可分为P型管束、欧姆管夹、双层管束（U型管束）、双螺栓管夹。P型管夹由2片管束组成，其底部的卡扣可从任意位置扣入C型钢开口，旋转90°卡在C型钢的内齿上，由1根螺栓穿过2片管束顶部的圆孔与六角螺母配合锁紧。P型管夹适用的管径范围较广（17~219 mm），其板厚较薄（一般为1.5~2.5 mm），适用于承重性能要求不高的管件安装。欧姆管夹需配合2组螺栓与方块螺母将管固定在抗震支吊架的承重横担上，并可根据需要调整安装位置，多用于综合抗震支吊架，其固定的单管管道管径在114 mm以上，管夹板厚度通常为6 mm。双层管束（U型管束）上层管束穿入螺杆后用六角螺母固定，栓销贯穿连接上、下2部分，下层管束固定管道，能有效传递地震荷载，适用的管道外径为21~457 mm。因双层管束为悬吊式，上层管束的板厚为3~12 mm，下层管束的板厚为3~6 mm，对承重能力要求较高。双螺栓管夹由2片管束配合2组螺栓与六角螺母组装，上层管束与套筒焊接并安装于螺杆上。适用的管外径范围为17~170 mm，管束板厚通常为6 mm。此类管夹常用于单根管道吊装并与抗震配件连接，连接效果稳定，适用于小安装空间。所有类型的管夹均可根据实际要求配备EPDM惰性橡胶内衬垫，取得绝缘、隔热、降噪及保护管线的功效，并具有一定的减震性能。管夹的生产流程是成品板材经切割、落料、冲孔、冷弯、镀锌、装配后完成，与抗震连接构件的生产类似。抗震支吊架上使用的螺栓、螺钉、螺母等紧固件均为标准件，生产工艺较成熟，购买也较方便。2.2表面处理所有抗震支吊架的零部件均在工厂内完成表面防腐处理后再运至现场安装适用。表面处理工艺一般由工程具体要求及服役环境综合决定。GB/T37267—2018《建筑抗震支吊架通用技术条件》对各种表面处理层的厚度及防腐质量提出了明确要求。采用电镀锌时，镀层平均厚度在5 μm以上，适用于室内相对干燥的环境；采用热浸镀锌时，镀层平均厚度在60 μm以上，适用于更为复杂和恶劣的环境。当抗震支吊架用于高铁或地铁站台时，需满足防腐和美观的双重要求，多采用环氧喷涂，保护层平均厚度在70 μm以上。3、抗震支吊架安装施工抗震支吊架的安装对抗震与荷载性能影响较大。斜撑的安装角度、抗震连接构件的安装扭矩、抗震支吊架的排布方式等均在很大程度上影响抗震性能。图7为某高铁站地下车库的安装效果。使用成品支吊架虽可减轻安装工人的工作强度、改善安装环境，但也存在以下问题：B型抗震连接构件的底座与墙体连接时存在安装角度错误或底座正反面装错；未采用后扩底锚栓，且在打锚栓孔时有随意性。除安装技术存在问题外，还有以下2点原因：（1）抗震支吊架排布设计中设计人员根据现场情况进行的深化设计较少；（2）对非结构件施工安装资质及现场监督管理要求不严格。

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（b）图7某高铁站地下车库抗震支吊架安装效果（a）效果1；（b）效果24、抗震支吊架存在的问题目前抗震支吊架的生产企业多为中小企业，尚不具备产品的完整生产线，主要生产模式为来料加工、零部件组装。由于检测设备缺乏和检测能力差，质量控制风险较大、出厂检测流于形式，型式检验则更少。因此，采购单位和施工单位应做好质量抽检，并请具备资质的第三方检测机构按技术要求或相关标准进行检测。在设计方面，针对抗震支吊架材料的强度、耐腐蚀性的优化还不足，连接件结构需改进，安装的准确性和便捷性问题也需通过深化设计解决，支吊架设计还需满足节能环保型生产的要求。5、结论及展望目前市场上的抗震支吊架在结构上可做部分改进，针对其荷载性能、防腐性能提出以下改进建议。（1）改进C型