装配式支吊架行业现状与质量检验

孙 彬，张雪芳，隋明昊，王景涛，张晋峰

（建研院检测中心有限公司，北京 100013）

0 引言

随着结构构件抗震能力的不断提升，非结构构件破坏成为地震灾害的主要原因［1］。2006 年夏威夷地震，消防喷淋管线系统破坏造成了大规模的消防用水泄漏，导致许多建筑功能瘫痪［2］；2010 年智利地震，包括消防管道在内的非结构构件损坏导致 4 家医院无法运转，12 家医院超过 75 % 的功能设施瘫痪，建筑附属设备破坏和消防用水泄露导致两家机场关闭，对抗震救灾工作造成了极大的不利影响［3］。相对于建筑功能的丧失，建筑附属机电设备破坏对生命财产安全的影响更为严重，因此，必须加强对建筑附属机电等非结构构件抗震能力的重视。

装配式支吊架作为连接建筑主体结构与附属机电设备的重要非结构构件，在发生灾害时能有效保护附属机电设备，避免其使用功能瘫痪或者丧失。1994 年美国北岭地震，装有支吊架的附属机电设施损坏甚微，但未安装支吊架的水管和消防管损坏较为严重［4，5］；Goodwin 等通过对医院管道悬挂组件的振动台试验发现支吊架体系能够有效地限制管道位移［6］；Tian 等通过对三个足尺自动喷淋管道体系进行试验发现，在动力荷载作用下，装有支吊架的管道体系受力性能要优于未安装支吊架的管道体系［7］。支吊架体系的受力性能研究对于确保建筑附属机电设施安全有着重要的工程实际意义。

本文介绍了装配式支吊架的概念及其产品分类，再从支吊架的标准规范情况、应用领域及总体质量状况等方面详细综述了支吊架行业现状，并分析了抗震支吊架行业现状及其存在的问题，包括功能误区、抗震支吊架设计以及连接节点薄弱等情况，最后介绍了抗震支吊架的性能检验方法，并对其存在的问题进行了探讨。

1 装配式支吊架概念与分类

装配式支吊架不同于现场焊接安装的传统支吊架，是将工厂预制的连接件与槽钢在现场进行组装，并与建筑主体结构可靠连接，能够承受荷载并限制管道位移，广泛应用于建筑给排水、消防、供暖、通风、空调、燃气、热力、电力及通讯等管线设施领域。装配式支吊架包括承重支吊架和抗震支吊架，承重支吊架主要承受管道重力荷载，抗震支吊架主要承受地震作用，工程实际安装照片如图 1 所示。

图1 装配式支吊架

抗震支吊架是由锚固体、加固吊杆、抗震连接构件及抗震斜撑等组成的与建筑结构体牢固连接的抗震支撑设施，在主体结构遭受地震作用时，能够有效保护附属机电设施。根据斜撑布置情况，分为侧向抗震支吊架、纵向抗震支吊架以及混合抗震支吊架。抗震斜撑与管道横截面平行的支吊架称为侧向抗震支吊架，能够限制管道的侧向位移；抗震斜撑与管道纵向平行的支吊架称为纵向抗震支吊架，能够限制管道轴向位移；既有侧向抗震斜撑又有纵向抗震斜撑的称为混合抗震支吊架，能够同时限制侧向和纵向位移。常见的有单杆抗震支吊架、双杆抗震支吊架以及双立柱抗震支吊架［8］，如图 2 所示。

图2 不同形式的抗震支吊架

2 装配式支吊架行业现状

2.1 支吊架行业的兴起

国外对于抗震支吊架的研究开展较早，1947 年美国在 NFPA13 中首次规定了自动消防喷淋系统抗震支吊架的设计方式［9，10］，随后，FM 1950 规定了自动喷淋管道体系抗震支吊架部件和组件的抗震性能试验方法［11］。此外，FEMA 414 中对安装在建筑结构不同部位的风管和水管进行了规定，包括承重支吊架和抗震支吊架的排列方式和安装方法［12］。

在 2008 年以前，国内对于抗震支吊架的研究接近空白，汶川地震之后，成都地区震害调查表明，主要结构构件损坏甚微，但非结构构件损害较严重［13］。近十年来，国内对建筑机电工程抗震开始逐渐重视起来，2015 年发布实施的 GB 50981—2014《建筑机电工程抗震设计规范》（以下简称“GB 50981—2014”）明确规定，对抗震设防烈度 6 度及以上地区附属机电设施必须进行抗震设计［14］。

随着规范 GB 50981—2014 实施，抗震支吊架行业步入蓬勃发展期，抗震支吊架生产企业雨后春笋般涌现出来。据不完全统计，目前国内抗震支吊架生产企业约有 7 000 多家，但行业活跃度高的企业并不多，企业规模呈现大、中、小、微并存的格局，并且以小、微型企业占绝大多数，基本属于小作坊，缺乏技术能力和研发能力，抗震支吊架的产品质量也是良莠不齐。

2.2 标准规范情况

与支吊架相关的现行标准规范汇总如表 1 所示。GB 50981—2014 是建筑机电抗震及抗震支吊架的设计依据，也是目前机电抗震行业最重要的国家标准，该标准已启动修订工作，将增加与施工、验收以及运维相关的技术内容；GB/T 38053—2019《装配式支吊架通用技术要求》（以下简称“GB/T 38053—2019”）是针对承重支吊架的产品标准，规定了其产品性能及其测试方法［15］；GB/T 37267—2018《建筑抗震支吊架通用技术条件》（以下简称“GB/T 37267—2018”）［16］和 CJ/T 476—2015《建筑机电设备抗震支吊架通用技术条件》（以下简称“CJ/T 476—2015”）［17］是针对抗震支吊架的产品标准，规定了支吊架部件和组件的性能测试方法，CJ/T 476—2015 对产品的性能要求较 GB/T 37267—2018 低，故目前主要执行 GB/T 37267—2018；CECS 420—2015《抗震支吊架安装及验收规程》（以下简称“CECS 420—2015”）规定了现场施工安装与质量验收方法［18］，该标准的执行率比较低，条文也不能覆盖工程实际需求，目前已启动修订工作；T/CECS 731—2020《装配式支吊架系统应用技术规程》（以下简称“T/CECS 731—2020”）对支吊架系统的设计、制作与安装、质量验收、维护管理等进行了规定，是一本实操性较强的团体标准。

表1 与支吊架相关的现行标准

近 3 年，中国工程建设标准化协会立项制订的标准情况如表 2 所示。标准数量逐年增多，并细分到不同的应用领域。实际上，近年来其他社团组织通过不同渠道、不同层面立项的支吊架标准也是层出不穷，包括技术规程、产品标准、方法标准以及认证标准等，门类众多且以技术规程居多。受国家标准改革的影响，国标和行标很难立项，因此支吊架领域国标和行标相对偏少，而团体标准执行力度总体偏低，在某种程度上制约了行业发展。

表2 中国工程建设标准化协会立项与支吊架相关的标准

2.3 工程应用领域

装配式支吊架因其性能稳定、施工方便及工期短等优点被广泛应用于新建建筑和既有建筑，包括民用建筑、工业建筑、居住建筑以及公共建筑等。除此之外，装配式支吊架还被广泛地用于地铁隧道、综合管廊等市政工程领域。

目前，承重支吊架总体应用状况良好，质量性能稳定。相比于传统支吊架，装配式承重支吊架工程造价相对较高，行业接受度还需要逐步提高，随着我国城市化建设脚步的不断加快，对装配式支吊架的需求也呈现逐年上升的趋势，在我国大力发展装配式建筑的工程应用背景下，装配式支吊架市场的未来发展空间很大。

3 抗震支吊架行业现状

3.1 功能误区

目前的工程设计往往不考虑承重支吊架的抗震功能，也不考虑抗震支吊架的承重功能。在实际工程中，先将承重支吊架安装完毕，再按设计要求布置抗震支吊架，在未发生地震时，抗震支吊架基本不受力，发生地震时，地震作用将根据支吊架的侧向刚度进行分配，门式承重支吊架本身也具有一定的刚度，一旦承重支吊架因分担了地震作用而破坏，原先由承重支吊架承担的重力荷载会传递给抗震支吊架，而抗震支吊架又不具备足够的承载能力，就会出现抗震支吊架来不及发挥其抗震功能而被重力荷载压垮的情况。

地震属于小概率事件，抗震设防烈度的地震重现期约为 475 年，抗震支吊架在其服役期内出现质量事故的概率极低，抗震支吊架只抗震不承重的功能定位导致抗震支吊架行业质量意识淡薄，低价恶性竞争，行业发展处于无序状态。若要求抗震支吊架在具备承重功能的基础上再发挥其抗震能力，可在一定程度上改善目前的行业乱象。

此外，门式承重支吊架抗震性能试验结果表明，门式承重支吊架也具备一定的抗震功能。图 3 给出了高宽为 400 mm×400 mm 的门式承重支吊架的滞回曲线和骨架曲线。可以看出，门式承重支吊架的极限承载力为-8～10 kN，滞回曲线比较饱满，表明其具有良好的耗能和变形能力。因此，应充分考虑抗震支吊架的承重功能和承重支吊架的抗震功能，将建筑机电设备的承重和抗震进行统筹设计，既能保证机电系统的安全可靠，同时又可以节约成本，行业的质量意识也会得到进一步的提升。

图3 门式承重支吊架滞回曲线及骨架曲线

3.2 设计责任

抗震支吊架不是严格意义上的标准产品，组成抗震支吊架的部件是产品，而抗震支吊架更像是一个小型的钢结构，因此，需要针对具体的建筑机电工程进行抗震支吊架的设计。现阶段，设计院不负责支吊架的设计，将该专项设计交给支吊架生产企业，支吊架企业的设计能力差异很大，多数企业不具备设计能力，即使具备设计能力，也不具备出具施工图的资质，目前基本采用套图签盖章的方式出具施工图。抗震支吊架行业现状对设计院提出了更高要求，设计院应对支吊架设计图纸的质量进行把关，最终由设计院盖章出图并承担设计责任。建设各方对抗震支吊架设计的重视度不够是造成工程乱象的因素之一。

欧美国家实行产品认证制度，通过认证手段确定产品的性能指标，并将该指标作为设计的取值依据；国内实行产品检验制度，检验仅给出合格与否的结论，设计不会根据检测报告的数据进行设计，产品性能与设计紧密度很低，设计人员不会考虑到产品性能的差异。高质量的产品在市场竞争中不能充分发挥优势，这是导致行业不能健康发展的另一个重要因素。

当设计缺失时，抗震支吊架的产品质量做得再好，也很难符合工程实际，因此，需要重视支吊架的设计，加强设计管理，由设计院实际承担支吊架设计工作，避免套图签走过场，要从源头上改善支吊架设计质量和行业乱象。

3.3 地震作用取值保守

地震作用属于惯性力，除了与楼面的地震响应有关外，还取决于振动体系的质量和刚度，GB 50981—2014 等效侧力法取地震作用为支吊架系统重量与地震影响系数的乘积。地震影响系数与振动周期密切相关，而振动周期又与体系的质量和刚度有关，GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016 年版）［19］给出的相关关系如图 4 所示。标准 GB 50981—2014 给出了计算抗震支吊架水平地震作用的公式，如式（1）所示。水平地震影响系数最大值如表 3 所示。

图4 地震影响系数曲线

表3 水平地震影响系数最大值

式中：F为机电工程设施重心处的水平地震作用标准值，N；γ为功能系数；η为类别系数；ζ1为状态系数；ζ2为位置系数；amax为地震影响系数最大值，取值见表 3；G为非结构构件的重力，N。

由式（1）可见，地震作用计算直接取地震影响系数的最大值，不考虑抗震支吊架本身的刚度差异，地震作用的取值偏于保守。在抗震支吊架的设计计算时，标准 GB 50981—2014定义了水平地震力综合系数aEK=γηζ1ζ2amax，当aEK小于 0.5 时按 0.5 取值，实际上也是偏于保守的做法。此外，对于门式抗震支吊架，其本身也具有一定的抗震能力，而现有的抗震设计是完全依靠抗震斜撑来提供抗震能力，不考虑门式支吊架对抗震能力的有利贡献。

3.4 节点连接薄弱

我们开展的支吊架抗震性能试验研究表明，抗震支吊架连接节点是其破坏的薄弱环节，图 5 给出了抗震支吊架在低周往复加载作用下的破坏情况，依次为槽钢底座节点处旋翼螺母拔出破坏、直角连接件节点处旋翼螺母拔出破坏及管箍处旋翼螺母拔出破坏，上述破坏均发生在支吊架连接节点处。种种试验破坏现象表明支吊架往往是连接节点先于构件发生破坏，导致支吊架失效，节点破坏时，抗震斜撑及抗震连接件均无明显变形或破坏。

图5 节点破坏

4 支吊架质量检验

4.1 检验依据

支吊架质量检验一般依据产品标准，检验种类分为出厂检验和型式检验两种，出厂检验由生产企业自检，型式检验一般委托第三方检验机构，现行相关标准的型式检验项目如表 4 所示。

表4 型式检验项目

承重支吊架主要依据 GB/T 38053—2019 进行检验，抗震支吊架依据 GB/T 37267—2018 和 CJ/T 476—2015 进行检验。一般情况下，行业标准的技术要求高于国家标准，而 CJ/T 476—2015 检验要求低于 GB/T 37267—2018，这主要因为行业标准编制时间较早，故建议该标准应及时进行修订；两本标准中对防腐性能检验方法规定也不同，GB/T 37267—2018 要求做中性盐雾测试，而 CJ/T 476—2015 要求做酸性盐雾测试，两者的试验结果也不具可比性，当前基本均采用 GB/T 37267—2018 对抗震支吊架产品进行型式检验。

4.2 关于检验方法的探讨

1）支吊架组件尺寸对测试结果的影响。

抗震支吊架不属于定型产品，实际工程是通过设计计算确定组装件的形状和尺寸，因其形状和尺寸多样，GB/T 37267—2018 中也未能给出抗震支吊架规格型号的相关规定。

不同尺寸的抗震支吊架在相同荷载作用下的响应是不同的。本文建立了 A、B、C 三种尺寸门式抗震支吊架模型，其中，立柱与横担连接为刚节点，抗震斜撑与槽钢的连接为铰节点，抗震斜撑与结构的连接为铰节点，立柱与结构的连接为刚节点；B 模型尺寸是 A 模型的 2 倍，C 模型仅竖向吊杆高度是 A 模型的 2 倍，其它杆件尺寸相同；所有的截面尺寸、材料属性均相同，在抗震支吊架横担中部施加一水平荷载，计算其变形值。图 6 给出了 A 模型及其位移计算结果。通过计算发现，B 模型水平位移是 A 模型的 2 倍，C 模型水平位移是 A 模型的 5.84 倍。可见，抗震支吊架变形随尺寸不同而差异很大，故标准中应限定送检支吊架组件的尺寸，以确保不同厂家的产品均依据同一尺寸进行测试，其结果才具有可比性。另外，送检的抗震支吊架尺寸和实际工程应用的很少能够完全一致，故组件检验只是一种验证性试验，并不能作为支吊架组件产品合格判定的依据。

图6 抗震支吊架简化模型与计算结果

2）支吊架组件抗震性能测试方法的合理性。

标准 GB/T 37267—2018 规定对 4 套抗震支吊架组件进行循环加载，加载速率为 0.1 Hz。测试前预估组件承载能力，若组件承载能力不大于 2.25 kN，测试时施加的初始荷载为 2.25 kN；若组件承载能力大于 2.25 kN，则施加的初始荷载为 9 kN，测试装置如图 7 所示。前 15 次按照初始荷载进行等幅往复循环加载，之后每次循环加载的力值均是前次加载幅值的（15/14）1/2 倍，逐渐增大荷载再完成 40 次循环；累计完成 55 次循环加载后，检查样品的破损情况和变形值，要求抗震支吊架水平位移不应超过 50 mm。

图7 抗震支吊架组件循环荷载试验

该试验方法源自美国 FM 1950，主要针对单管（杆）抗震支吊架，实际上是考察抗震斜撑的防晃性能。FM 1950 要求每次测试采用 2 套抗震支吊架组件，共进行 3 次测试，当试件破坏或者达到规定的位移限值时停止加载，并未给出明确的循环加载次数规定，该方法能够获取产品的极限承载力。而标准 GB/T 37267—2018 规定达到 55 次循环即停止试验，并不能给出所检产品的极限承载力。

此外，GB/T 37267—2018 仅给出两种加载值（2.25 kN 和 9 kN），因为消防管规格种类不多，这两种荷载基本可以覆盖，而国内综合支吊架的荷载多样，这两个加载值很难覆盖工程实际需求。实际上，FM 1950 只适用于单管支吊架，国内的门式支吊架不适合这种加载制度，现行标准也未明确给出除单管支吊架外其他形式的抗震性能测试方法。直接照搬 FM 1950 的试验方法测试国内的综合支吊架，其合理性存疑。

3）疲劳性能测试方法的合理性。

标准 GB/T 37267—2018 要求在管道连接构件处施加幅值 20.4 kg、频率 3 Hz 的正弦波进行 200 万次疲劳试验，试验后检查抗震支吊架的破损和变形情况。自标准实施以来，尚未出现因疲劳试验不合格的抗震支吊架，现有的疲劳加载制度能否反映支吊架实际工作情况还值得进一步商榷。实际工程中，各类机电设施的疲劳荷载幅值和频率缺乏研究资料和统计数据，尚不具备制订疲劳试验方法标准的基础。另外，目前抗震支吊架主要是抵抗地震作用，属于抵御偶然作用，对于日常频遇的重力荷载都不承担，要求其承担疲劳荷载作用的合理性也值得探讨。

4）振动台试验的必要性。

抗震支吊架的振动台试验无相关标准依据，试验的必要性值得探讨。抗震支吊架依附于建筑主体，而对普通建筑一般均不需要做振动台试验，仅对超过规范要求的建筑结构做振动台试验。振动台试验报告不能作为一个支吊架产品销售的必备证书，更何况目前尚无标准支持，即使做了振动台试验也不能给出有价值的检验结论。在产品研发过程中或者标准规范制订过程中，若需要系统深入研究抗震支吊架在地震中的响应，可以考虑做振动台试验，但应注重模型设计。抗震支吊架的布设间距较大，国内现有的振动台尺寸不具备做足尺模型试验的能力，一般需要做缩尺模型试验，故模型比设计非常重要。根据结构模型尺寸，研究确定支吊架的布设间距、系统配重以及地震动输入参数等设计因素，以确保支吊架的地震作用效应达到预期，尚需要做深入的研究和验证工作。若盲目使用一个结构模型，不考虑模型比设计进行振动台试验，试验结果没有参考意义。

5）施工阶段质量检验的迫切性。

抗震支吊架产品质量参差不齐，检测报告层出不穷，部分企业根本没有研发和生产能力，同时也存在送检样品与供货产品不一致的情况，故应加强产品进场检验和验收，确保实际工程中使用的是合格产品。CECS 420—2015 对支吊架的安装间距、布设位置、斜撑安装角度、连接、外观质量等提出了检测与验收要求，并提出产品进场应进行抽检，但对抽检数量和检验项目的规定并不完善。工程进场抽检和安装质量检验委托较少，整个行业对支吊架在施工阶段的检验与验收的重视程度还不够。支吊架是通过锚栓与建筑主体结构连接，锚栓锚固性能的好坏直接影响支吊架能否正常发挥作用，为避免出现因锚栓锚固性能问题导致的支吊架功能失效，还应加强支吊架与结构连接锚固性能的现场检验要求。

4.3 产品过度检测

支吊架行业存在过度检测的情况，竞标活动中过分注重报告的数量，具体体现在对耐火性能检测、防腐性能检测、疲劳性能检测以及振动台试验等四个方面。GB/T 37267—2018 中要求对抗震支吊架进行 180 min 的耐火性能检测，该要求已高于建筑本身的耐火性能要求，但有些项目要求做更长时间的耐火性能试验；GB/T 37267—2018 规定抗震支吊架应进行 200 万次疲劳性能试验，企业为了在竞标中获胜，送检要求做 300 万次甚至更高；GB/T 37267—2018 要求根据表面不同处理工艺对抗震支吊架进行不同时长的中性盐雾试验，而招标文件规定的时间更长；振动台试验的必要性正如前文所言，抗震支吊架作为主体结构的附属非结构构件，主体结构尚不需要振动台试验，将振动台试验报告作为竞标文件的要求显然不合适。

5 结语

本文分析了国内支吊架行业现状以及存在的问题，重点分析了抗震支吊架质量检验现状，探讨了测试方法的合理性和必要性。为促进装配式支吊架行业的长远健康发展，提出以下意见和建议。

1）加强支吊架的设计管理，要求应由具有设计资质的单位进行设计，并应考虑机电设备进行系统设计，充分利用承重支吊架的抗震性能，充分发挥抗震支吊架的承重功能，确保机电工程的安全可靠与经济合理，并在一定程度上改善目前的行业乱象。

2）积极推广产品认证制度，通过认证确定各产品的性能指标，并建议加强支吊架设计与产品认证之间的联系，让高质量的产品在市场竞争中充分发挥优势。

3）应加强抗震支吊架连接节点的设计，促进支吊架由“强构件，弱节点”向“强节点，弱构件”转换，充分发挥构件性能，提高支吊架性能的同时又节约成本。

4）支吊架组件性能检测属于验证性试验，实际工程中支吊架形式与尺寸多样，故应重视部件和连接件的性能测试，组件性能主要通过计算手段确定。

5）单管（杆）抗震支吊架可沿用 FM 1950 规定的抗震性能试验方法，其他形式支吊架组件抗震性能的测试方法还需要深入研究。

6）尽快完善抗震支吊架相关的标准规范，尤其是施工与验收方面的标准，标准是提升抗震支吊架产品质量和工程安装质量的重要基础。要以标准促发展，加强行业自律，提升产品质量，避免不必要的过度检测，引导行业向健康方向发展。Q