李興貴，洪 逸，宋欣易，陳臻林（. 四川泓奇航都科技有限公司，四川 成都 6000；. 成都理工大學(xué)，地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 60059）

在現(xiàn)代公共建筑中，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的投資已經(jīng)占據(jù)了整體建筑總投入資金的絕大部分。根據(jù) Taghavi 和 Miranda[1]在《2003 年太平洋地震工程研究中心年度報(bào)告》中的統(tǒng)計(jì)，在辦公樓、旅館、醫(yī)院等公共建筑的建設(shè)中，非結(jié)構(gòu)性組件的投資比例分別為 82%、87% 和 92%，遠(yuǎn)高于建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的投資比例，地震后非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞造成的損失也將遠(yuǎn)高于建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞造成的損失。抗震支架作為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件中典型的一種，能夠?qū)芫€系統(tǒng)乃至整個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)起到一個(gè)抗震保護(hù)的作用[2]?？拐鹬Ъ芘c建筑結(jié)構(gòu)體牢固連接，由錨固體、加固吊桿、抗震連接件及抗震斜撐組成以地震力水平方向?yàn)橹饕d荷的抗震支撐設(shè)施[3]。在地震時(shí)造成建筑物破壞的主要是地震水平力，所以抗震支架主要承擔(dān)管線水平方向的荷載，提高管線系統(tǒng)抵抗水平地震力的能力[4]。因此，研究在地震水平力作用下管線系統(tǒng)的抗震支架的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性有著十分重要的意義。

為了探究抗震支吊架的抗震能力的影響因素，尚慶學(xué)等[5]利用了螺桿式、梁夾式、鋼纜式這 3 種使用在管線抗震支架中的抗震支撐進(jìn)行了一系列的擬靜力試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，在抗震支吊架的抗震能力影響因素中，抗震支吊架的吊桿直徑影響明顯，吊桿直徑與抗震支架變形能力呈負(fù)相關(guān)。趙金橋等[6]為了探究抗震支架抗震性能中懸吊部分的影響程度，將吊桿直徑、吊桿安裝長(zhǎng)度、吊桿有無(wú)緊固 C 槽鋼及緊固 C 槽鋼的安裝尺寸等 4 個(gè)因素使用 ANSYS Workbench 對(duì)螺桿式抗震支架模型進(jìn)行了模態(tài)和反應(yīng)譜分析。趙金橋等[7]探討了絲桿與天花板間連接點(diǎn)對(duì)抗震支架振動(dòng)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，支架的固有頻率會(huì)被絲桿與天花板之間連接點(diǎn)的位置所影響，并且水平方向上產(chǎn)生的振動(dòng)可由柔性四向抗震支架減緩。為了研究醫(yī)療管線系統(tǒng)在有、無(wú)抗震支架條件下的地震響應(yīng)，Zshhi 等[8]進(jìn)行了一系列振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)以確定其變形能力和破壞模式，發(fā)現(xiàn)設(shè)置抗震支架能夠有效減小管線系統(tǒng)的位移響應(yīng)，但并不能減小加速度響應(yīng)。Hoehler等[9]利用足尺鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)研究了懸吊管線在不同地震激勵(lì)下的抗震性能，發(fā)現(xiàn)地震作用下引起的承重吊架所受荷載遠(yuǎn)大于抗震吊架的錨固力。

本文主要以管線系統(tǒng)的抗震支架為研究對(duì)象，進(jìn)行地震波作用下的數(shù)值模擬分析計(jì)算。針對(duì)傳統(tǒng)抗震支架材料未充分利用、成本高的問(wèn)題，主要針對(duì)以下兩個(gè)方面開展研究。

（1）討論結(jié)構(gòu)部件尺寸參數(shù)變化對(duì)抗震支架結(jié)構(gòu)受力性能的影響規(guī)律，進(jìn)一步優(yōu)化抗震支架結(jié)構(gòu)形式。

（2）采用 ABAQUS 有限元軟件，對(duì)靜載和地震載荷作用下的抗震支架模型的受力和變形特征進(jìn)行分析。

1 抗震支架基本受力分析

抗震支架是對(duì)建筑結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備及管線進(jìn)行有效保護(hù)的重要抗震措施，是主要承擔(dān)地震力荷載的抗震支撐系統(tǒng)。根據(jù) GB 50981—2014《建筑機(jī)電工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》選擇單管側(cè)向抗震支吊架。該種單管側(cè)向抗震支吊架主要由吊桿、C 型槽鋼構(gòu)成的豎向桿及 C 型槽鋼構(gòu)成的抗震斜撐組成?？拐鹬Ъ苋鐖D 1 所示。

圖1 抗震支架示意圖

在僅考慮抗震支架和管道自重，無(wú)水平地震力作用的情況下，選取長(zhǎng)度為 12 m 的 DN 65 管道裝滿水后重力為 1 244.2 N?？紤]到支架的構(gòu)件質(zhì)量很小，可以將豎向支撐和斜撐簡(jiǎn)化成只受軸向力的二力桿。吊桿為直徑 16 mm的 Q 235 鋼，橫截面積A=200.96 mm2，C 型槽鋼橫截面積A= 232.00 mm2。已知 Q 235 鋼的受軸向拉壓時(shí)的許用應(yīng)力為 [σ]= 170 MPa，屈服應(yīng)力為 235 MPa。經(jīng)計(jì)算得靜載狀態(tài)下，豎向桿的最大應(yīng)力為 6.19 MPa，斜向桿的最大應(yīng)力為3.79 MPa，均遠(yuǎn)小于構(gòu)件的許用應(yīng)力。但是當(dāng)承受地震載荷時(shí)，構(gòu)件承受的應(yīng)力將大幅度上升。為了進(jìn)一步研究地震作用下抗震支架的受力狀態(tài)和變形特征，后續(xù)將利用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算分析。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

由于傳統(tǒng)抗震支架構(gòu)件相對(duì)自重較大，構(gòu)件壁厚較厚，同時(shí)連接部位剛度過(guò)高，不利于抗震耗能；此外，抗震支撐自身的承載力遠(yuǎn)高于地震中所遭遇的地震力，因此有必要通過(guò)研究抗震支架各部件的尺寸參數(shù)對(duì)其抗震性能的影響，對(duì)抗震支架結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)?？蓪?duì)不同安裝角度、不同直徑吊桿（8.0 mm、12.0 mm、16.0 mm）與不同厚度 C型槽鋼（1.0 mm、1.2 mm、1.5 mm、2.0 mm）組合進(jìn)行數(shù)值模擬分析計(jì)算，得出在滿足抗震情況下最為經(jīng)濟(jì)合適的結(jié)構(gòu)?？拐鹬Ъ苡行О惭b高度均為 500 mm，共計(jì) 10 個(gè)模型。不同尺寸參數(shù)的抗震支架計(jì)算模型如表 1 所示。

表1 抗震支架計(jì)算模型

2.1 結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

本文主要研究對(duì)象為受水平地震力作用的單管側(cè)向支撐螺桿式抗震支架。其構(gòu)成主要有吊桿、螺桿緊固件、豎向支撐（1 根 41.0 mm × 41.0 mm × 2.0 mm 的 C 型槽鋼）、抗震斜支撐（1 根 41.0 mm × 41.0 mm × 2.0 mm 的 C 型槽鋼）、抗震連接件、錨固件等?？拐鹬Ъ艿牡鯒U通過(guò)螺桿緊固件和上部的支撐橫桿進(jìn)行連接，吊桿下端通過(guò)螺母與懸掛式 U 型管夾進(jìn)行連接，吊桿整體帶螺紋，整體用 C 型槽鋼進(jìn)行外包加固。研究地震荷載時(shí)管夾嵌有管道。抗震斜撐為 C 型槽鋼，抗震斜撐上下端通過(guò)螺栓與可調(diào)式鉸鏈相連，再通過(guò)可調(diào)式鉸鏈與上端的支撐橫桿和下端的懸掛式 U 型管夾相連。

10 種不同尺寸參數(shù)模型均用 ABAQUS 軟件進(jìn)行有限元數(shù)值模擬?？拐鹬Ъ艿牟牧蠈傩匀绫?2 所示。采用實(shí)體單元 C 3 D 8 R（8 節(jié)點(diǎn)線性 6 面體縮減積分單元）來(lái)模擬C 型槽鋼、吊桿、螺桿緊固件、抗震連接件等，單元總數(shù)14 345 個(gè)；膨脹螺栓嵌入混凝土部位的邊界條件為完全固定。有限元計(jì)算分析步驟 1 為施加靜載，抗震支架底部受自身和 12 m 的 DN 65 管道裝滿水后重力；分析步驟 2 為分析步驟 1 基礎(chǔ)上施加沿x軸負(fù)方向的地震荷載，最大加速度幅值 3.417 m/s2。ABAQUS 數(shù)值模型如圖 2 所示，ELCentro 地震波的加速度譜如圖 3 所示。

表2 Q 235 鋼材料力學(xué)性能參數(shù)

圖2 ABAQUS 數(shù)值模型

圖3 EL-Centro 地震波的加速度譜（最大加速度幅值 3.417 m/s2）

2.2 結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果分析

對(duì)表 1 中 10 種模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出相對(duì)較為優(yōu)化的抗震支架尺寸參數(shù)。

2.2.1 不同厚度 C 型槽鋼模型

對(duì)豎直吊桿（Φ16 mm）和 C 型槽鋼（厚度 1.0 mm、1.2 mm、1.5 mm、2.0 mm）組合進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，計(jì)算結(jié)果如表 3 所示。選取施加地震荷載前后應(yīng)力變化最大的5 個(gè)點(diǎn)，A、B、C、D、E 為特征點(diǎn)。從數(shù)值結(jié)果來(lái)看，隨著C 型槽鋼厚度減小，應(yīng)力增加，最大位移增加。其中 C 為最大應(yīng)力變化點(diǎn)，最大位移處為底部，C 型槽鋼厚度從 2.0 mm減小至 1.5 mm，應(yīng)力與位移增加量分別為 6.40 MPa 與 1.1 mm；1.5 mm 減小至 1.2 mm，增量分別為 7.80 MPa 與 2.5 mm；1.2 mm 減小至 1.0 mm，增量分別為 6.10 MPa 與 4.4 mm。

表3 豎直吊桿（Φ 16 mm）和不同厚度 C 型槽鋼應(yīng)力值模擬對(duì)比

表 3 計(jì)算發(fā)現(xiàn)，模型 M 1 相比模型 M 2 的應(yīng)力與位移變化量不大，而從模型 M 2 變化到模型 M 3、M 4 時(shí)，應(yīng)力變化量不大，而位移量增加較大。因此，在經(jīng)濟(jì)適用及滿足抗震的情況下，模型 M 2（C 型槽鋼厚度為 1.5 mm）更加優(yōu)化。

2.2.2 不同厚度 C 型槽鋼與不同直徑吊桿的組合模型

選取 C 型槽鋼（厚度 2.0 mm、1.5 mm）與豎直吊桿（直徑 8.0 mm、12 mm）組合進(jìn)行數(shù)值模擬。數(shù)值計(jì)算結(jié)果如表 4 所示。對(duì)比表 3 中直徑 16 mm 豎直吊桿與 C 型槽鋼（厚度分別為 1.5 mm和 2.0 mm）組合的模型計(jì)算結(jié)果，可以看出當(dāng)豎直吊桿直徑從 16.0 mm 減小至 12.0 mm時(shí)，豎直吊桿直徑 12 mm 的模型中位移增量為 7.2 ～ 7.4 mm，應(yīng)力增量為 5.80 ～ 5.90 MPa；而豎直吊桿直徑從12.0 mm 減小至 8.0 mm 時(shí)，位移增量為 23.20 ～ 24.30 mm，應(yīng)力增量為 57.90 ～ 58.60 MPa。

表4 不同厚度 C 型槽鋼與不同直徑吊桿的數(shù)值模擬

綜上可知，豎直吊桿直徑從 16.0 mm 減小至 12.0 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)中應(yīng)力與位移變化量不大，而當(dāng)豎直吊桿直徑從12.0 mm 減小至 8.0 mm 時(shí)，應(yīng)力與位移變化量較大。因此，在綜合考慮經(jīng)濟(jì)性及滿足抗震要求的情況下，模型 M 8（Φ12.0 mm 的豎直吊桿和厚度 1.5 mm 的 C 型槽鋼）為最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

2.2.3 不同斜撐角度支架模型

對(duì)模型 M 9 和模型 M 10（安裝角度為 30°）進(jìn)行數(shù)值模擬，所得結(jié)果如表 5 所示。傾角 30° 的抗震支架在施加地震荷載前后，C 點(diǎn)應(yīng)力變化為 186.8 MPa、181.1 MPa；最大位移變化為 16.1 mm、14.6 mm；而安裝角度為 45°的抗震支架在施加地震荷載前后，C 點(diǎn)應(yīng)力變化為 222.8 MPa、216.4 MPa；最大位移變化分別為 17.8 mm、18.9 mm。因此，在地震荷載作用下，傾角 30° 的模型相較于傳統(tǒng)安裝角度 45° 的模型，應(yīng)力和位移變化量都較小，即安裝角度 30° 比 45° 的支架模型具有更好的抗震性能，但角度的變化，使 30° 斜撐較 45° 斜撐的槽鋼長(zhǎng)度有所增加，成本也會(huì)略有提高。

表5 豎直吊桿（Φ 16 mm）和不同斜撐角度支架數(shù)值模擬計(jì)算

3 結(jié) 語(yǔ)

目前抗震支架的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)對(duì)于抗震支架的要求也越來(lái)越高。本文結(jié)合對(duì)現(xiàn)行抗震支架的力學(xué)分析，通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行驗(yàn)算驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如下。

（1）不同吊桿直徑（16 mm 和 12 mm）對(duì)此類支架的抗震能力影響不大，吊桿直徑較小的抗震支架具有更大變形能力。不同 C 型槽鋼的厚度（1.5 mm 和 2.0 mm）對(duì)抗震性能影響很小。

（2）可采用直徑更小的 12 mm 直徑吊桿，厚度更薄的1.5 mm 厚的 C 型槽鋼。

（3）30°與傳統(tǒng)安裝角度 45° 相比，具有更好的抗震性能，位移量更小，但成本略有增加。