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[摘 要]近年来，燃气管道作为城市建设基础配套工程得到广泛的应用，但由于高层建筑的特殊性，其设计沉降问题尤其重要。本文讲述了燃气立管沉降和建筑物沉降对高层建筑燃气设计的影响，并提出了相关的补偿措施。
[关键词]立管沉降；附加压头；建筑物沉降；燃气管道
中图分类号：TU976 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）20-0130-01
一、引言
现阶段，城市燃气因为其高热值、低污染、使用方便、快捷等特点正迅速代替其他燃料，成为城市居民及工业用户、公共建筑的主要燃料。然而由于高层建筑的特殊性，在进行其天燃气管道配套系统的设计中，就不可避免的存在诸多问题。比如建筑沉降对燃气管道的影响、立管长形成立管自重大、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等。以下本文着重探讨了燃气立管沉降和建筑物沉降对燃气管道设计的影响及采取的相应措施。
二、燃气立管沉降对燃气管道的影响
由于高层建筑主立管长，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，立管会产生伸缩变形和热应力。当这些作用力达到一定程度时，就会造成管道下沉、扭曲、断裂，甚至引发事故。这些情况在高层建筑燃气立管的设计中均不可忽视。
当高层建筑燃气管道投入到运行后，由于立管的长度及管道的自重较大，很容易引起管道压缩和弯曲应力突变，并且环境温度的变化，管内存在的温差会使立管产生胀缩变形和热应力。管道因温差产生的伸缩量：△L=103×CLAt
式中：△L为管道的伸缩量，mm；C为管材线膨胀系数，对普通钢管在20℃时，取12×103mm/（℃·m）：L为管道长度，mAt为环境温差，℃。
管道的热应力：若管道伸缩完全受到约束，则管道的热应力计算公式：σt-=CEAt。
式中：σr热应力，Mpa；C为管材线膨胀系数：E为管材弹性模量，Mpa，普通钢在20℃时，取2.1×105 Mpa；△t为环境温差，℃。
热应力只与温度变化和管道材质有关，与管长管径无关。应力在设计时不可忽略，设计不当会导致管道自身和支架受到损坏，使管道发生弯曲、断裂，从而导致燃气泄漏事故。因此，必须要对立管的伸缩量和热应力采取有效的补偿措施。一是在立管上采用多处弯头组合的形式进行补偿，二是在立管上设置一个或多个波纹补偿器进行补偿。在实际的操作过程中，方式二是比较理想的补偿方式。如果采用波纹补偿器进行补偿的话，波纹管补偿的两端应固定，整根立管所需的波纹管数量按照管道的长度和可能出现的最大温差来确定。根据高层建筑燃气设计的具体数值计算出立管的最大变形量，并且考虑选用的波纹管的补偿能力，进而
在立管上分段设置波纹管来抵消应力带来的影响。对于立管自重产生的压缩应力而言，在立管底部设置稳定的固定支架，承受立管自重。为使自重得到均匀分摊，可以在设计中要求每隔一段距离设一支架，以免立管底部压缩应力过于集中。
附加压头的影响
燃气与空气密度不同时，随着建筑物高度的增大，附加压头也增大，而民用和商业用燃具的工作压力，是有一定的允许压力波动范围的。参照《城镇燃气设计规范》，民用天然气燃具的额定压力P。=2000 Pa，燃具前压力在低压天然气管网的沿程阻力与局部阻力的作用下会在小范围内波动（（0.75～1.5）Pa）。当燃气压力超出此范围，燃具的热效率降低，燃烧不稳定，会出现脱火或回火现象，这样会产生不完全燃烧，延期中的CO含量超标，用气点卫生状况恶化，严重时会引发事故。依据灶具的工作压力，确定低压燃气管网的运行压力和管径。为了使灶具始终在安全的工作压力下运行，燃气低压管网的设计应能确保灶具的最小工作压力小于用气高峰时灶具前压力；用气低谷时灶具的最大工作压力大于灶具前压力。高层建筑燃气管道设计主要针对低压进户，在计算低压燃气管道的压力损失时，应考虑因建筑高度引起的燃气附加压力△H。其计算公式：
△H=9.8×（pk-pm）×h
式中：△H为燃气的附加压力（Pa）；pk为空气的密度（kg/mS）；pm为燃气的密度（g/m2）；h为燃气管道终点与起点的高程差（m）。
当高程差过大时，为了使建筑物上下各层的燃具都能在允许的压力波动范围内正常工作，可采取下列措施以克服附加压头的影响：（1）分开设置高层供气系统和低层供气系统，以分别满足不同高度的燃具工作压力的需要。（2）为减少用户灶前压力波动范围，平稳供气，需采用分层变径，缩小立管管径，增加管道阻力来减少附加压力的影响。（3）设用户调压器，用户由各自的调压器将燃气降压，达到燃具所需的稳定压力值。（4）采用低压调压器，分段消除楼层的附加压头。
三、建筑物的沉降对燃气管道的影响
建筑物沉降主要指建筑物建好之后因本身自重压力使地基变形之后下沉，无论是单层、多层还是高层建筑均不可避免的出现建筑沉降问题，尤其是十层以上的高层建筑乃至高度100米以上的超高层建筑，沉降量尤为明显，因此如何避免建筑物沉降对燃气管道的影响也成为重中之重。
当建筑物产生一定量的沉降量，燃气引入管、钢塑转换接头、PE电熔三通、PE90°弯头等燃气管线的接头处在建筑物沉降过大时，会受到损坏，甚至于断裂，影响用户正常使用，也给燃气运行维护增加了不少隐患。在以往的工程中，这种情况并不少见。为了避免建筑物沉降对燃气管道的影响，必须采取一些补偿措施：
方法一：当出地立管穿过混凝土地面时必须设置出地套管，并适当加大出地套管的尺寸，防止混凝土与管道固结，阻碍管线位移。
方法：采用塑性较好的材料。
这是根据材料的屈服极限来考虑的。当材料受外力到一定限度时，即使不增加负荷的情况下，它仍继续发生明显的塑性变形，这种现象叫“屈服”，此时的塑性变形不再与外力成正比。发生屈服现象时的应力，称屈服极限，用σs表示。经过分析，材料的屈服极限σs小，材料容易屈服，则变形抗力小；材料的屈服极限σs大，则材料的变形抗力大。对于钢管和PE管来说主要的破坏一般集中在接点处和端部固定端，但是钢管和PE管由于材料的屈服极限大，其接头都有较好的延伸性和抗变形力，因此采用钢管和PE管等塑性较好的材料也是避免沉降的一种补偿措施。
方法三：金属软管方式
选择不锈钢金属波纹软管，利用其可挠性进行补偿。一般分为地上引入式和地下引入式两种。在实际工程中，为了检修方便，一般都采用地上引入的方式设置金属软管。
方法四：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。但是由于他对其他方向的补偿能力有限而且波纹补偿器的安装要求也很高，所以很少采用。
选择何种方式必须根据当地的具体情况。本文中认为，方式三采用金属软管是进行燃气引入管的沉降量补偿的最佳方式。現在福建省很多住宅小区也是通过这种方式来减轻建筑物沉降对燃气管道的影响，此方法经济可行，横向补偿量大，安装快捷方便，密封性能好。
四、结语
综上所述，通过对燃气立管沉降和建筑物沉降对燃气管道产生的影响分析，我们在设计时应尽量减轻和避免沉降对高层建筑燃气管道配套系统的损害。在实际工作中，应具体情况具体分析。另外，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、管道的连接方式、附加压头对燃气管的影响等。
参考文献
[1] 《城镇燃气设计规范》（GB50028-2006），中国建筑工业出版社，2006年，北京.
[2] 刘松林，《高层建筑燃气系统设计指南》 机械工业出版社，2004年.
[关键词]立管沉降；附加压头；建筑物沉降；燃气管道
中图分类号：TU976 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）20-0130-01
一、引言
现阶段，城市燃气因为其高热值、低污染、使用方便、快捷等特点正迅速代替其他燃料，成为城市居民及工业用户、公共建筑的主要燃料。然而由于高层建筑的特殊性，在进行其天燃气管道配套系统的设计中，就不可避免的存在诸多问题。比如建筑沉降对燃气管道的影响、立管长形成立管自重大、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等。以下本文着重探讨了燃气立管沉降和建筑物沉降对燃气管道设计的影响及采取的相应措施。
二、燃气立管沉降对燃气管道的影响
由于高层建筑主立管长，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，立管会产生伸缩变形和热应力。当这些作用力达到一定程度时，就会造成管道下沉、扭曲、断裂，甚至引发事故。这些情况在高层建筑燃气立管的设计中均不可忽视。
当高层建筑燃气管道投入到运行后，由于立管的长度及管道的自重较大，很容易引起管道压缩和弯曲应力突变，并且环境温度的变化，管内存在的温差会使立管产生胀缩变形和热应力。管道因温差产生的伸缩量：△L=103×CLAt
式中：△L为管道的伸缩量，mm；C为管材线膨胀系数，对普通钢管在20℃时，取12×103mm/（℃·m）：L为管道长度，mAt为环境温差，℃。
管道的热应力：若管道伸缩完全受到约束，则管道的热应力计算公式：σt-=CEAt。
式中：σr热应力，Mpa；C为管材线膨胀系数：E为管材弹性模量，Mpa，普通钢在20℃时，取2.1×105 Mpa；△t为环境温差，℃。
热应力只与温度变化和管道材质有关，与管长管径无关。应力在设计时不可忽略，设计不当会导致管道自身和支架受到损坏，使管道发生弯曲、断裂，从而导致燃气泄漏事故。因此，必须要对立管的伸缩量和热应力采取有效的补偿措施。一是在立管上采用多处弯头组合的形式进行补偿，二是在立管上设置一个或多个波纹补偿器进行补偿。在实际的操作过程中，方式二是比较理想的补偿方式。如果采用波纹补偿器进行补偿的话，波纹管补偿的两端应固定，整根立管所需的波纹管数量按照管道的长度和可能出现的最大温差来确定。根据高层建筑燃气设计的具体数值计算出立管的最大变形量，并且考虑选用的波纹管的补偿能力，进而
在立管上分段设置波纹管来抵消应力带来的影响。对于立管自重产生的压缩应力而言，在立管底部设置稳定的固定支架，承受立管自重。为使自重得到均匀分摊，可以在设计中要求每隔一段距离设一支架，以免立管底部压缩应力过于集中。
附加压头的影响
燃气与空气密度不同时，随着建筑物高度的增大，附加压头也增大，而民用和商业用燃具的工作压力，是有一定的允许压力波动范围的。参照《城镇燃气设计规范》，民用天然气燃具的额定压力P。=2000 Pa，燃具前压力在低压天然气管网的沿程阻力与局部阻力的作用下会在小范围内波动（（0.75～1.5）Pa）。当燃气压力超出此范围，燃具的热效率降低，燃烧不稳定，会出现脱火或回火现象，这样会产生不完全燃烧，延期中的CO含量超标，用气点卫生状况恶化，严重时会引发事故。依据灶具的工作压力，确定低压燃气管网的运行压力和管径。为了使灶具始终在安全的工作压力下运行，燃气低压管网的设计应能确保灶具的最小工作压力小于用气高峰时灶具前压力；用气低谷时灶具的最大工作压力大于灶具前压力。高层建筑燃气管道设计主要针对低压进户，在计算低压燃气管道的压力损失时，应考虑因建筑高度引起的燃气附加压力△H。其计算公式：
△H=9.8×（pk-pm）×h
式中：△H为燃气的附加压力（Pa）；pk为空气的密度（kg/mS）；pm为燃气的密度（g/m2）；h为燃气管道终点与起点的高程差（m）。
当高程差过大时，为了使建筑物上下各层的燃具都能在允许的压力波动范围内正常工作，可采取下列措施以克服附加压头的影响：（1）分开设置高层供气系统和低层供气系统，以分别满足不同高度的燃具工作压力的需要。（2）为减少用户灶前压力波动范围，平稳供气，需采用分层变径，缩小立管管径，增加管道阻力来减少附加压力的影响。（3）设用户调压器，用户由各自的调压器将燃气降压，达到燃具所需的稳定压力值。（4）采用低压调压器，分段消除楼层的附加压头。
三、建筑物的沉降对燃气管道的影响
建筑物沉降主要指建筑物建好之后因本身自重压力使地基变形之后下沉，无论是单层、多层还是高层建筑均不可避免的出现建筑沉降问题，尤其是十层以上的高层建筑乃至高度100米以上的超高层建筑，沉降量尤为明显，因此如何避免建筑物沉降对燃气管道的影响也成为重中之重。
当建筑物产生一定量的沉降量，燃气引入管、钢塑转换接头、PE电熔三通、PE90°弯头等燃气管线的接头处在建筑物沉降过大时，会受到损坏，甚至于断裂，影响用户正常使用，也给燃气运行维护增加了不少隐患。在以往的工程中，这种情况并不少见。为了避免建筑物沉降对燃气管道的影响，必须采取一些补偿措施：
方法一：当出地立管穿过混凝土地面时必须设置出地套管，并适当加大出地套管的尺寸，防止混凝土与管道固结，阻碍管线位移。
方法：采用塑性较好的材料。
这是根据材料的屈服极限来考虑的。当材料受外力到一定限度时，即使不增加负荷的情况下，它仍继续发生明显的塑性变形，这种现象叫“屈服”，此时的塑性变形不再与外力成正比。发生屈服现象时的应力，称屈服极限，用σs表示。经过分析，材料的屈服极限σs小，材料容易屈服，则变形抗力小；材料的屈服极限σs大，则材料的变形抗力大。对于钢管和PE管来说主要的破坏一般集中在接点处和端部固定端，但是钢管和PE管由于材料的屈服极限大，其接头都有较好的延伸性和抗变形力，因此采用钢管和PE管等塑性较好的材料也是避免沉降的一种补偿措施。
方法三：金属软管方式
选择不锈钢金属波纹软管，利用其可挠性进行补偿。一般分为地上引入式和地下引入式两种。在实际工程中，为了检修方便，一般都采用地上引入的方式设置金属软管。
方法四：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。但是由于他对其他方向的补偿能力有限而且波纹补偿器的安装要求也很高，所以很少采用。
选择何种方式必须根据当地的具体情况。本文中认为，方式三采用金属软管是进行燃气引入管的沉降量补偿的最佳方式。現在福建省很多住宅小区也是通过这种方式来减轻建筑物沉降对燃气管道的影响，此方法经济可行，横向补偿量大，安装快捷方便，密封性能好。
四、结语
综上所述，通过对燃气立管沉降和建筑物沉降对燃气管道产生的影响分析，我们在设计时应尽量减轻和避免沉降对高层建筑燃气管道配套系统的损害。在实际工作中，应具体情况具体分析。另外，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、管道的连接方式、附加压头对燃气管的影响等。
参考文献
[1] 《城镇燃气设计规范》（GB50028-2006），中国建筑工业出版社，2006年，北京.
[2] 刘松林，《高层建筑燃气系统设计指南》 机械工业出版社，2004年.