羅干，丁幼亮，2，3， 朱浩樑 ，2，3

（1.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210096；2.江蘇建筑機電抗震研究院，南京211200；3.南京睿永智運維工程科技有限公司，南京211200）

1 引言

我國是一個地震災(zāi)害嚴(yán)重的國家，地震活動頻度高、強度大、震源淺、分布廣、震災(zāi)嚴(yán)重。地震不僅造成建筑主體結(jié)構(gòu)的損毀，而且經(jīng)常導(dǎo)致非結(jié)構(gòu)構(gòu)件特別是機電設(shè)備的破壞，造成巨大經(jīng)濟損失。目前針對主體結(jié)構(gòu)的抗震，規(guī)范已經(jīng)相當(dāng)成熟，但非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震仍然處于起步階段。

2015 年8 月1 日起國家開始批準(zhǔn)實施的GB 50981—2014《建筑機電抗震設(shè)計規(guī)范》[1]提高了建筑機電系統(tǒng)的抗震安全性能，并且CECS 420：2015《抗震支吊架安裝及驗收規(guī)程》[2]示范了2 類抗震連接構(gòu)件，其中可調(diào)式鉸鏈（I 型抗震連接構(gòu)件）構(gòu)造簡單且造價較低。針對不同的支吊架抗震需求適配高性價比的抗震連接部件，具有重大的工程經(jīng)濟意義。為此，本文以可調(diào)式鉸鏈連接構(gòu)件作為研究對象，采用靜力拉伸試驗，結(jié)合有限元仿真分析的方式，檢測了2 類連接部件的承載能力、破壞形式和影響因素，給出了可調(diào)式鉸鏈的適用承載范圍以及連接構(gòu)件制造優(yōu)化建議。

2 抗震連接部件破壞試驗

2.1 構(gòu)件組成及傳力機理

一組完整的管道支撐架主要由一對可調(diào)式鉸鏈、槽鋼、螺桿、螺栓和鎖扣等部件組成，可調(diào)式鉸鏈實物如圖1 所示?？烧{(diào)式鉸鏈連接構(gòu)件由2 塊鈑金零件通過螺栓連接，可以繞螺栓自由旋轉(zhuǎn)，其工作角度由管道安裝高度和側(cè)向槽鋼長度的比值確定。

圖1 可調(diào)式鉸鏈實物

可調(diào)式鉸鏈與槽鋼之間通過2 對鎖扣產(chǎn)生的摩擦力連接，在鎖扣的表面有2 道齒槽，有利于與槽鋼之間進(jìn)行更加牢固的機械咬合；可調(diào)式鉸鏈的另一端則通過高強螺栓固定于墻面或者結(jié)構(gòu)面上。當(dāng)它受到拉力時，通過鎖扣以摩擦力的方式將拉力傳遞給槽鋼，槽鋼以同樣的方式將拉力傳遞給另一側(cè)可調(diào)式鉸鏈，最后通過錨固在墻體上的機械錨栓傳遞給結(jié)構(gòu)體。

2.2 斜撐構(gòu)件的拉伸試驗

抗震支吊架實際上是由多項零件共同組裝形成的復(fù)雜裝配體，其在地震荷載作用下的反應(yīng)不能根據(jù)單一配件的承載力推導(dǎo)得出。為了更加合理地考慮各個零部件的相互作用，研究抗震支吊架的整體承載能力和破壞形式，需對抗震支吊架斜撐部件進(jìn)行整體拉伸試驗，并根據(jù)不同條件下的破壞形式指導(dǎo)抗震支吊架固定連接件的優(yōu)化設(shè)計。

2.2.1 試驗方案

依據(jù)抗震支吊架實際支撐情況和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，按照不同的螺栓扭矩值，對5 套抗震支吊架斜撐部件分別采用等效靜力加載的方式進(jìn)行拉伸破壞試驗。部件試驗分組如表1 所示，其中，螺栓扭矩均通過力矩扳手控制。

表1 部件試驗分組

本試驗中所使用的零部件均按照DIN EN 10025 標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，表面采用電鍍鋅處理，材質(zhì)與設(shè)計荷載如表2 所示。

表2 抗震支吊架配件材質(zhì)與設(shè)計荷載

根據(jù)CJ/T 476—2015《建筑機電設(shè)備抗震支吊架通用技術(shù)條件》中相關(guān)規(guī)定[3]，本試驗通過MTS 322 液壓伺服機作為加載裝置，采用鋼棒連接件分別將斜撐兩端的可調(diào)式鉸鏈A、B 連接在拉伸試驗機加載裝置上。待試件固定完畢后，啟動實驗裝置，逐級增加荷載，每級增加1kN，每次加載均持荷1min。通過檢查數(shù)據(jù)并確認(rèn)產(chǎn)生永久變形時所受到的最小力。在實驗過程中，同時采集斜撐部件的位移和拉力。

2.2.2 試驗現(xiàn)象

對于第一組斜撐部件，即螺栓荷載為40N·m 時，破壞形式分為2 種，一種為槽鋼鎖扣與C 型槽鋼連接處產(chǎn)生滑移，如圖2a 和圖2b 所示；另一種為可調(diào)式鉸鏈B 與加載裝置處被拉壞，產(chǎn)生明顯變形，如圖2c 所示。

圖2 可調(diào)式鉸鏈破壞形態(tài)

對于第二組斜撐部件，即螺栓荷載為25N·m 時，破壞形式均為槽鋼鎖扣與C 型槽鋼連接處產(chǎn)生滑移，但破壞荷載相對于第一組較小。

2.2.3 試驗數(shù)據(jù)分析

1）第一組試驗

第一組試驗3 個斜撐部件承載力為6～7kN，讀取作動器測量的力和位移數(shù)據(jù)，做3 個部件的荷載-位移曲線，如圖3所示。

圖3 第一組部件荷載-位移曲線圖

第一組3 個斜撐試件的極限承載能力分別為6.106kN、7.06kN、6.076kN，其中，①號與③號試件破壞形式為可調(diào)式鉸鏈與槽鋼連接處滑脫破壞，②號試件破壞形式為可調(diào)式鉸鏈B 掛鉤處被拉斷。對于第二組3 個承載力取平均值，求得螺栓扭矩為40N·m 時，采用可調(diào)式鉸鏈的抗震支吊架斜撐承載力極限為6.41kN。

2）第二組試驗

第二組試驗2 個斜撐部件承載力為5～6kN，讀取作動器測量的力和位移數(shù)據(jù)，做3 個部件的荷載-位移曲線，如圖4所示。

圖4 第二組部件荷載-位移曲線圖

第二組2 個斜撐試件的極限承載能力分別為6.026kN、5.53kN，均為可調(diào)式鉸鏈與槽鋼連接處拉脫而失去抗震性能。對第二組2 個承載力取平均值，求得螺栓扭矩為25N·m 時，采用可調(diào)式鉸鏈的抗震支吊架斜撐承載力極限為5.78kN。

綜合以上2 組試驗對比，螺栓扭矩的提升對于斜撐的承載能力具有很大的影響，因此在實際施工過程中，一定要將螺栓擰至額定扭矩。同時，在現(xiàn)場檢測時，檢測部門應(yīng)對螺栓扭矩進(jìn)行檢測。

3 有限元數(shù)值分析

3.1 有限元模型建立

本文中有限元模擬采用ANSYS Workbench 中的靜力分析模塊。模型中所用材料參數(shù)均按照碳素鋼材Q235B 實際力學(xué)性能參數(shù)設(shè)置，本構(gòu)關(guān)系選取彈性強化模型。在實體模型建立后，使用軟件自帶的自動劃分功能對抗震支吊架實體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并通過相關(guān)性、曲率控制、最大單元尺寸和接觸面尺寸等工具對關(guān)鍵部位展開更加精密的網(wǎng)格劃分。主要配件網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5 所示。

圖5 網(wǎng)格劃分結(jié)果

3.2 邊界條件及接觸條件

有限元模型的約束條件應(yīng)當(dāng)與試驗中保持一致，為了能夠還原實際的安裝條件，在螺桿的底部圓面上以固定約束方式設(shè)置全自由度固定約束，在連接部件與結(jié)構(gòu)體連接的螺栓孔位置，以同樣的方式施加固定約束?？烧{(diào)式鉸鏈的兩個配件在工作時將繞著螺栓軸線作自由轉(zhuǎn)動，對該螺栓串聯(lián)的2 個零部件以旋轉(zhuǎn)約束方式建立約束，使之能夠模擬真實的繞軸線自由轉(zhuǎn)動情況。

假設(shè)螺栓在試驗中不會破壞，螺栓、螺桿和對應(yīng)的緊固件之間采用接合接觸，在運行分析時作為一個整體計算；建立旋轉(zhuǎn)約束的配件之間采用無摩擦接觸（Frictionless）；除以上配件以外，組合支吊架斜撐的各個配件之間采用帶摩擦的接觸（Frictional），摩擦系數(shù)選取為0.2，在切向力達(dá)到臨界力之前，摩擦面不會發(fā)生相對滑動。

3.3 分析步及加載步定義

按照實際荷載需要，在鎖扣與預(yù)緊螺栓之間設(shè)置螺栓荷載（Bolt Pretension），螺栓荷載大小和方向根據(jù)實際工況調(diào)整，螺栓荷載一旦施加后便處于鎖緊狀態(tài)。

為了與拉伸試驗及相關(guān)規(guī)范相符，有限元試驗采用力加載的方式，每級遞增加載1kN 并持荷1min，再進(jìn)行下一級的加載試驗，直至荷載無法繼續(xù)提升再進(jìn)行卸載。加載完成后，拾取荷載作用位置處的位移得出相對應(yīng)的荷載位移曲線。加載方式如圖6 所示。

圖6 加載方式

3.4 有限元模擬與試驗結(jié)果對比分析

3.4.1 破壞形態(tài)

圖7 為可調(diào)式鉸鏈加載到極限狀態(tài)下的應(yīng)力分布圖。從圖中可以看到，有限元模型在加載過程中，可調(diào)式鉸鏈在彎折處和掛鉤處產(chǎn)生應(yīng)力集中情況，同時伴隨有較大的彎曲變形，塑性變形分布區(qū)域廣泛，與實驗現(xiàn)象相符。槽鋼在與可調(diào)式鉸鏈摩擦咬合處應(yīng)力明顯大于其他部位，對應(yīng)于試驗過程中因摩擦力不足產(chǎn)生的拉脫破壞情況。

3.4.2 荷載-位移曲線

螺栓擰緊力矩對于可調(diào)式鉸鏈抗震支吊架的承載能力具有顯著的影響，現(xiàn)設(shè)置不同的螺栓荷載，對比其荷載-位移曲線。根據(jù)GB/T 1231—2006《鋼結(jié)構(gòu)用高強螺栓大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件》中對于擰緊力矩與預(yù)緊力的換算關(guān)系可知[4]：

式中，P為螺栓預(yù)緊力；T為擰緊力矩；K為扭矩系數(shù)；D為螺栓公稱直徑。

圖7 應(yīng)力圖

對于8.8 級鍍鋅高強螺栓，K取0.22，螺栓公稱直徑統(tǒng)一取13.5mm，有限元中參數(shù)設(shè)置如表3 所示。

表3 有限元模型的計算參數(shù)

按照不同的螺栓擰緊力矩，得出不同的荷載位移曲線，如圖8 所示。

可以看到，當(dāng)螺栓擰緊力矩小于40N·m 時，隨著擰緊力矩的增大，抗震支吊架的整體承載能力顯著提升，破壞形式依舊是螺栓緊固件摩擦連接處滑脫失效；當(dāng)螺栓擰緊力矩達(dá)到50N·m 時，承載能力達(dá)到最大值7kN，荷載繼續(xù)增加，此時可調(diào)式鉸鏈掛鉤處出現(xiàn)破壞，承載力急劇下降。

圖8 有限元荷載位移曲線

4 結(jié)語

1）可調(diào)式鉸鏈抗震支吊架的主要破壞形式分為2 種：一種為可調(diào)式鉸鏈與槽鋼連接處因摩擦力不足引起的滑脫破壞；另一種為可調(diào)式鉸鏈B 掛鉤處變形過大引起的破壞。

2）可調(diào)式鉸鏈B 掛鉤處為結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域，在實際工作中容易產(chǎn)生應(yīng)力集中和平面外大變形的情況，在不影響裝配的基礎(chǔ)上應(yīng)當(dāng)適度改良其構(gòu)造形態(tài)。

3）在實際安裝過程中應(yīng)當(dāng)保證槽鋼鎖扣處高強螺栓的擰緊力矩，避免構(gòu)造缺陷引起的破壞，并盡可能發(fā)揮材料的承載能力。