孫 彬，張雪芳，張晉峰，王景濤

(中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司， 北京 100013)

0 引言

近些年來，基于性能的抗震設(shè)計(jì)理念不斷發(fā)展[1-2]，結(jié)構(gòu)性構(gòu)件抗震能力得到較大提高，地震造成的重大災(zāi)害和主要經(jīng)濟(jì)損失多體現(xiàn)于非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件，例如管道系統(tǒng)[3]。管道系統(tǒng)是指支撐于建筑結(jié)構(gòu)的包括消防管道、通風(fēng)管道、電纜在內(nèi)的附屬機(jī)電設(shè)備及其支吊架體系。地震中因支吊架損壞引發(fā)的管道系統(tǒng)破壞往往會(huì)導(dǎo)致建筑主體結(jié)構(gòu)功能癱瘓或者喪失，甚至造成人員傷亡。

2006年夏威夷地震使當(dāng)?shù)卮罅拷ㄖ?nèi)的消防噴淋管道系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞，大規(guī)模消防用水泄漏導(dǎo)致建筑使用功能癱瘓[4]；2010年智利地震后，大約50%的建筑因內(nèi)部自動(dòng)消防噴淋系統(tǒng)發(fā)生泄露而喪失使用功能，泄露的主要原因是管道接頭的損壞以及支吊架發(fā)生了較大位移[5]；2011年東北太平洋地震后，消防系統(tǒng)和管道的損失分別占建筑設(shè)備全部損失的10%和27%[6]。

管道發(fā)生破壞的主要原因是在地震作用下支吊架損壞致使管道發(fā)生較大位移，導(dǎo)致管道接頭破損或彎折。作為管道系統(tǒng)與建筑主體結(jié)構(gòu)之間的重要連接構(gòu)件，支吊架不僅要承受來自管道系統(tǒng)的重力荷載，而且要保證在地震作用下不產(chǎn)生過大位移。1994年美國(guó)北嶺地震，裝有支吊架的附屬機(jī)電設(shè)施損壞甚微，但未安裝支吊架的水管和消防管損壞較為嚴(yán)重[7]；Goodwin等對(duì)醫(yī)院管道懸掛組件進(jìn)行的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果表明，支吊架體系能夠有效地限制管道位移[8]；Tian等通過對(duì)三個(gè)足尺自動(dòng)噴淋管道體系進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在動(dòng)力荷載作用下，裝有支吊架的管道系統(tǒng)受力性能優(yōu)于未安裝支吊架的管道系統(tǒng)[9]。所以，研究支吊架抗震性能對(duì)于提高管道系統(tǒng)安全具有重要意義。

國(guó)外對(duì)于抗震支吊架研究開始較早，1947年美國(guó)在NFPA 13中規(guī)定了自動(dòng)消防噴淋系統(tǒng)抗震支吊架的設(shè)計(jì)方式，NFPA 13的設(shè)計(jì)理念是提供充足的抗震支吊架，避免管道因慣性力作用產(chǎn)生較大的位移[10-11]；1978年，美國(guó)ATC-03 report(ATC 1978)規(guī)定了非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能設(shè)計(jì)方法；1985年，美國(guó)NEHRP制定的基于新建建筑物和其他結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范直接引用了ATC 1978的相關(guān)規(guī)定[12]，隨后的ASCE 7-16也是參照這一規(guī)定[13]；此外歐洲抗震規(guī)范EN 1998[14]以及新西蘭抗震規(guī)范NZS 1170.5[15]中也都規(guī)定了非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)方法；2008年汶川地震以后，國(guó)內(nèi)對(duì)建筑機(jī)電工程抗震才開始逐漸重視起來[16]，2015年發(fā)布實(shí)施的《建筑機(jī)電工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50981—2014)明確規(guī)定，對(duì)抗震設(shè)防烈度6度及以上地區(qū)附屬機(jī)電設(shè)施必須進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)[17]。相比于附屬機(jī)電設(shè)備自身剛度而言，其與主體結(jié)構(gòu)連接的剛度很弱，因此附屬機(jī)電設(shè)備的抗震設(shè)計(jì)通常指抗震支吊架的抗震設(shè)計(jì)[18]。

目前，對(duì)支吊架進(jìn)行抗震性能研究的主要手段為試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究，試驗(yàn)研究包括擬靜力試驗(yàn)、擬動(dòng)力試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)等，數(shù)值模擬研究又分為兩類，一類是通過有限元軟件建立支吊架模型，直接對(duì)抗震支吊架組件或部件模型施加荷載，分析其抗震性能[19]；另一類是建立包括支吊架在內(nèi)的管道系統(tǒng)模型，對(duì)其施加地震作用來考察其抗震性能。由于管道系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)多樣，通常情況下有限元軟件并不能完全反映結(jié)構(gòu)真實(shí)受力狀態(tài)，因此，還需結(jié)合試驗(yàn)來研究支吊架抗震性能。

本文詳細(xì)介紹了國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中支吊架抗震性能的試驗(yàn)方法，結(jié)合試驗(yàn)理論與案例，分析了各種試驗(yàn)方法的適用性，并針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有抗震支吊架特點(diǎn)給出了試驗(yàn)方法建議。

1 抗震支吊架擬靜力試驗(yàn)方法

擬靜力試驗(yàn)又稱為低周往復(fù)循環(huán)試驗(yàn)，即對(duì)抗震支吊架施加多次往復(fù)的靜力荷載來模擬結(jié)構(gòu)在地震作用下受到的多次往復(fù)水平荷載作用，通過試驗(yàn)破壞現(xiàn)象進(jìn)而研究抗震支吊架的破壞機(jī)制。

1.1 FM 1950擬靜力試驗(yàn)方法

FM 1950[20]給出了針對(duì)單桿抗震支吊架部件和組件的擬靜力試驗(yàn)方法，采用力控制加載，加載速率為0.1Hz。支吊架部件和組件的加載制度相同，但在加載幅值和位移限值方面略有差異。對(duì)于加載對(duì)象，預(yù)先估計(jì)其承載力，如果支吊架組件(支吊架部件)承載力大于2.25kN(2.5kN)，則初始加載荷載為9kN(10kN)，如果承載力小于2.25kN(2.5kN)，則初始加載荷載為2.25kN(2.5kN)。

試驗(yàn)需要將兩套抗震支吊架和一根管道固定在測(cè)試裝置上，如圖1所示。先以初始荷載對(duì)管道進(jìn)行15次等幅低周往復(fù)循環(huán)加載，隨后加載幅值按照式(1)逐漸增大，直到支吊架部件或組件出現(xiàn)破壞或超出規(guī)定的位移限值時(shí)停止。其中FM 1950規(guī)定了不同安裝角度的抗震支吊架部件和組件位移限值，見表1。

(1)

式中：F為加載力；X為初始荷載；n為加載次數(shù)。

圖1 抗震支吊架擬靜力試驗(yàn)測(cè)試圖

不同安裝角度的支吊架部件(組件)位移限值 表1

羅干等采用FM 1950試驗(yàn)方法對(duì)抗震支吊架開展了低周往復(fù)荷載試驗(yàn)，得到其滯回曲線，試驗(yàn)結(jié)果表明，抗震支吊架可以抵抗6～9度抗震設(shè)防烈度的地震作用[21]；尚慶學(xué)等采用上述方式對(duì)鋼纜式、梁夾式、螺桿式三類單桿側(cè)向抗震支吊架進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，并通過易損性分析確定了位移限值對(duì)應(yīng)的承載力，并將其轉(zhuǎn)換為加速度指標(biāo)[22]。

1.2 FEMA 461擬靜力試驗(yàn)方法

FEMA 461[23]給出了針對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的通用加載方式，變幅位移或變幅力控制加載。采用位移控制加載，即試驗(yàn)前通過單向拉伸估計(jì)初始加載位移Δ0以及最大加載位移Δm。加載時(shí)位移幅值從Δ0逐級(jí)增加到Δm，相鄰工況幅值比是1.4。如果位移達(dá)到Δm時(shí)，試件還未破壞，繼續(xù)施加一個(gè)恒定位移幅值0.3Δm，直至試件破壞。FEMA 461中要求，在出現(xiàn)最小開裂位移之前至少應(yīng)進(jìn)行6次加載，每個(gè)幅值至少進(jìn)行2次循環(huán)，當(dāng)加載次數(shù)為10時(shí)，加載歷程見圖2。由于力是位移產(chǎn)生的結(jié)果，因此，在FEMA 461中，采用力控制的加載方式實(shí)則是基于位移控制加載得到的力-位移曲線，對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加載。

圖2 FEMA 461擬靜力試驗(yàn)加載歷程

尚慶學(xué)等根據(jù)FEMA 461中的加載制度對(duì)兩種不同直徑螺桿的單桿抗震支吊架進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，分析其滯回曲線發(fā)現(xiàn)，抗震支吊架在正負(fù)向加載時(shí)力學(xué)性能差異很大，這是由于支吊架在正向加載時(shí)，底部連接件發(fā)生偏轉(zhuǎn)所致[22]；由于不同型號(hào)的支吊架在單調(diào)拉伸試驗(yàn)破壞時(shí)的位移角不同，Goodwin等采用FEMA 461中的力控制方式進(jìn)行加載，根據(jù)單調(diào)加載試驗(yàn)中的最大荷載以及位移控制加載中相鄰工況位移幅值的關(guān)系確定了最終加載工況[8]。

1.3 GB/T 37267—2018試驗(yàn)方法

《建筑抗震支吊架通用技術(shù)條件》(GB/T 37267—2018)[24]和《建筑機(jī)電設(shè)備抗震支吊架通用技術(shù)條件》(CJ/T 476—2015)[25]中均給出了針對(duì)單桿抗震支吊架的擬靜力加載方案及位移限值。這兩種方案與FM 1950大體一致，只是限制了荷載循環(huán)次數(shù)，要求對(duì)試驗(yàn)對(duì)象按照FM 1950中的加載方式進(jìn)行55次低周往復(fù)循環(huán)加載之后，試件位移不得超過50mm，加載歷程如圖3所示。

圖3 擬靜力試驗(yàn)加載歷程

1.4 其他擬靜力試驗(yàn)方法

ICC 2000[26]，F(xiàn)M 1950僅估計(jì)了消防管道抗震支吊架承受的地震作用幅值，并未規(guī)定荷載的循環(huán)加載次數(shù)。Malhotra等結(jié)合18次強(qiáng)震記錄建立了低周疲勞模型，確定了支吊架部件荷載循環(huán)次數(shù)是15次，同時(shí)建立了測(cè)試抗震支吊架部件和組件承載力的試驗(yàn)加載方案[27]。

加載方案分為兩階段，第一階段分別使測(cè)試構(gòu)件承受拉壓力，在構(gòu)件破壞或者達(dá)到位移限值時(shí)停止試驗(yàn)，定義力-位移曲線坡度較緩的方向?yàn)槿嵝约虞d方向，坡度較陡的方向?yàn)閯傂约虞d方向，記錄此時(shí)的最大拉力Ft和最大位移δt，最大壓力Fc和最大位移δc，見圖4。第二階段是對(duì)構(gòu)件進(jìn)行15次低周往復(fù)循環(huán)加載，柔性方向初始加載位移δ1取(1/3)δt或者表1部件對(duì)應(yīng)的位移限值兩者中的較小值，δ1確定之后，F(xiàn)也隨之確定，根據(jù)力-位移曲線，進(jìn)而可確定剛性加載方向的力F以及相應(yīng)的加載位移δ2，然后對(duì)支吊架部件進(jìn)行15次低周往復(fù)循環(huán)加載，記錄循環(huán)過程中的力最小值。繪制δ1對(duì)應(yīng)的最小力-位移曲線，如果δ1小于表1中相應(yīng)角度對(duì)應(yīng)的位移限值，則將δ1按10%增幅，直到抗震支吊架部件破壞或者達(dá)到規(guī)定的位移限值。指定最小力-位移曲線的最大值Fθ為抗震支吊架部件經(jīng)受15次循環(huán)加載的承載力值。共進(jìn)行三次試驗(yàn)，取三次試驗(yàn)中的最小值作為最終的Fθ，如果Fθ大于(2/3)min{Ft，F(xiàn)c}，則取Fθ為(2/3)min{Ft,Fc}。

圖4 單向拉壓力-位移曲線

1.5 不同擬靜力試驗(yàn)方法的適用性分析

本節(jié)主要介紹了國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中適用于抗震支吊架的抗震性能試驗(yàn)方法，其中FM 1950專門針對(duì)單桿抗震支吊架，通過該試驗(yàn)方法可以準(zhǔn)確獲得抗震支吊架失效或達(dá)到位移限值時(shí)的最大承載力，可為抗震支吊架抗震設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐，但是無法評(píng)定抗震支吊架產(chǎn)品合格與否。此外，F(xiàn)M 1950中的試驗(yàn)方法僅適用于圖5(a)所示的單桿抗震支吊架，對(duì)于圖5(b)，(c)所示的雙桿抗震支吊架和雙立柱抗震支吊架[28]并不適用。

圖5 不同形式的抗震支吊架

FEMA 461給出的擬靜力試驗(yàn)方法適用于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，該加載方案主要由單調(diào)加載和循環(huán)往復(fù)加載兩個(gè)階段組成，可以根據(jù)不同的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件制定不同的加載歷程，具有較強(qiáng)的靈活性；GB/T 37267—2018中給出了抗震支吊架合格評(píng)價(jià)指標(biāo)及試驗(yàn)方法，目前對(duì)該方法還存在一些爭(zhēng)議。首先，該試驗(yàn)加載方式僅適用于單桿抗震支吊架；其次，該試驗(yàn)加載方案規(guī)定無論是對(duì)抗震支吊架施加2.25 kN還是9 kN的初始荷載，荷載循環(huán)都是55次，不同加載值采用統(tǒng)一的循環(huán)次數(shù)是不準(zhǔn)確也是不合理的；Malhotra等提出的抗震支吊架循環(huán)加載方案是基于FM 1950中抗震支吊架部件的試驗(yàn)加載方案而來，確定了加載工況和荷載循環(huán)次數(shù)，可用于不同類型抗震支吊架部件和組件的試驗(yàn)加載[27]。

擬靜力試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)在于可以根據(jù)試驗(yàn)需要隨時(shí)修正加載歷程，其不足之處在于上述無論哪種加載方案都無法反映真實(shí)地震情況。動(dòng)力試驗(yàn)彌補(bǔ)了擬靜力試驗(yàn)加載方案的不足，能夠更加真實(shí)反映地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)或者非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能的影響。有資料表明，采用擬靜力試驗(yàn)的方法來模擬動(dòng)力試驗(yàn)對(duì)于試驗(yàn)對(duì)象是偏于安全的[29]。

2 抗震支吊架振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方法

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是利用地震模擬振動(dòng)臺(tái)對(duì)足尺模型或者縮尺模型進(jìn)行地震激勵(lì)，以重現(xiàn)結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件在真實(shí)地震作用下的受力全過程。由于抗震支吊架本身尺寸就很小，難以進(jìn)行縮尺變換，因此，大多數(shù)抗震支吊架振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)均是足尺模型。

2.1 FEMA 461試驗(yàn)方法

FEMA 461中給出了適用于加速度敏感型非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)加載方案，該方案僅適用于在同一個(gè)樓層的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能測(cè)試，對(duì)于隔墻和垂直的管道系統(tǒng)，F(xiàn)EMA 461建議采用擬靜力試驗(yàn)加載。

FEMA 461振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)主要包含系統(tǒng)驗(yàn)證性測(cè)試、抗震性能評(píng)估測(cè)試以及構(gòu)件失效測(cè)試，在每一次抗震性能評(píng)估測(cè)試和構(gòu)件失效測(cè)試前后均需進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證性測(cè)試?？拐鹦阅軠y(cè)試和失效測(cè)試地震波采用的是由MATLAB生成的窄帶隨機(jī)掃描加速度記錄疊加而成，采樣頻率是100Hz，該地震波頻帶寬度是頻程的1/3，頻率變化范圍在0.5 ～32Hz之間，變化速率是每分鐘6倍頻程，即每隔10s頻率增加一倍，信號(hào)時(shí)長(zhǎng)為60s，地震波強(qiáng)度逐級(jí)增加且不小于25%增幅，圖6給出了橫向疊加地震波波形圖。

圖6 橫向疊加地震波波形圖[23]

Matthew等為了研究管道支吊架體系錨栓的作用力，對(duì)七層足尺剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，試驗(yàn)加載方案與FEMA 461中給出的加載方案類似，對(duì)臺(tái)面輸入三次真實(shí)地震加速度記錄進(jìn)行抗震性能評(píng)估測(cè)試和失效測(cè)試。結(jié)果表明隨著支吊架位移的增加，管道體系剛度下降，頻率逐漸減小，且其非線性主要由于支吊架體系的非線性變形引起，和管道本身無關(guān)[30]。

2.2 AC 156試驗(yàn)方法

AC 156[31]中給出的振動(dòng)臺(tái)測(cè)試方法適用于自振頻率不小于1.3Hz的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。該測(cè)試方法與FEMA 461振動(dòng)臺(tái)測(cè)試方法類似，在抗震性能測(cè)試之前進(jìn)行共振測(cè)試來獲取構(gòu)件的自振頻率以及阻尼比。與FEMA 461中略有不同的是，該標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)試輸入信號(hào)頻率范圍在1.3～33.3Hz范圍內(nèi)。

AC 156規(guī)定，構(gòu)件自振頻率小于16.7Hz屬于柔性構(gòu)件，大于16.7Hz屬于剛性構(gòu)件，圖7是阻尼比為5%時(shí)柔性構(gòu)件和剛性構(gòu)件的水平以及豎向加速度需求反應(yīng)譜曲線(RRS)，計(jì)算公式如下：

Aflexible-H=SDS(1+2z/h)

(2)

Arigid-H=0.4SDS(1+2z/h)

(3)

Aflexible-V=0.67SDS

(4)

Arigid-V=0.67SDS

(5)

式中：Aflexible為柔性構(gòu)件質(zhì)心處的設(shè)計(jì)加速度；Arigid為剛性構(gòu)件質(zhì)心處的設(shè)計(jì)加速度；SDS為短周期段設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜，參見IBC；z為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件所處高度；h為建筑物高度。

通過加速度需求反應(yīng)譜計(jì)算的輸入振動(dòng)是頻率在1.3～33.3Hz的多頻寬帶隨機(jī)信號(hào)，持續(xù)時(shí)間為30s，且要求至少有20s的強(qiáng)震動(dòng)，測(cè)試過程中獲得的試驗(yàn)反應(yīng)譜曲線(TRS)應(yīng)包絡(luò)RRS且在放大的RRS區(qū)域內(nèi)不宜超過RRS的30%。

圖7 AC 156加速度需求反應(yīng)譜曲線

滕睿等根據(jù)AC 156中測(cè)試方法提出了一種基于樓面響應(yīng)譜的離線迭代控制方法并將其應(yīng)用于承壓管道支吊架振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該方法能較好地再現(xiàn)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到的樓面響應(yīng)譜作用[32]；Siavash等建立了加壓消防噴淋管道的綜合分析模型，對(duì)其在水平向施加AC 156中規(guī)定的加速度，在豎向施加ASCE 7-16中規(guī)定的加速度，解釋了消防管道體系支吊架在地震作用下的非彈性行為[33]；Yun等為了研究NFPA 13中消防管道體系加固構(gòu)件的作用，建立了某醫(yī)院的消防管道體系模型，并對(duì)其施加AC 156中的加速度需求反應(yīng)譜，結(jié)果表明，位于主要管道的支吊架能有效降低螺紋接頭的彎矩，同時(shí)剛性支撐能有效降低噴頭的位移[34]。

2.3 ISO 13033試驗(yàn)方法

ISO 13033是歐洲首個(gè)驗(yàn)證非結(jié)構(gòu)構(gòu)件或體系抗震性能的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了加速度敏感型非結(jié)構(gòu)構(gòu)件振動(dòng)臺(tái)測(cè)試方法[35]。ISO 13033同樣給出了RRS，見圖8，與AC 156有所不同的是，與RRS相對(duì)應(yīng)的頻率不再是一個(gè)確定的值，而是頻率范圍，其中f0為1.3～2.5 Hz，f1為7.5～8.3 Hz，f2為10～16.67 Hz，f3為33.3 Hz，其中構(gòu)件阻尼比為5%，β是豎向加速度和水平向加速度的比值，在1/2～2/3之間取值。

圖8 ISO 13033加速度需求反應(yīng)譜曲線

Perrone等通過Eurocode 8對(duì)ISO 13033中RRS進(jìn)行了修正，并將其應(yīng)用于加速度敏感型非結(jié)構(gòu)構(gòu)件振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，評(píng)估其抗震性能并獲得了良好的效果[36]。

2.4 不同振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方法的適用性分析

黃寶鋒等根據(jù)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件震害反應(yīng)特征將非結(jié)構(gòu)構(gòu)件分為位移敏感型、加速度敏感型以及混合敏感型[37]。抗震支吊架很難單獨(dú)歸類，取決于其安裝位置，當(dāng)抗震支吊架與平行于樓面的管道設(shè)備連接時(shí)，屬于位移敏感型構(gòu)件；當(dāng)抗震支吊架與位于建筑物底部或者地下室的管道設(shè)備相連接時(shí)，屬于加速度敏感型；當(dāng)抗震支吊架與豎管相連時(shí)，屬于混合敏感型。

FEMA 461中振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方法是針對(duì)加速度敏感型非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，適用于地鐵管廊、地下室安裝的抗震支吊架試驗(yàn)加載，該方法可用于自振頻率不小于0.5 Hz的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件；AC 156中振動(dòng)臺(tái)測(cè)試方法適用于自振頻率不小于1.3 Hz的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，該方法并未明確限制非結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型；ISO 13033中振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方法與AC 156類似，但是僅適用于加速度敏感型構(gòu)件。

3 擬動(dòng)力試驗(yàn)方法

圖9 抗震支吊架擬動(dòng)力試驗(yàn)原理圖

擬動(dòng)力試驗(yàn)是一種聯(lián)機(jī)試驗(yàn)，即將計(jì)算機(jī)和作動(dòng)器聯(lián)機(jī)，通過計(jì)算機(jī)向作動(dòng)器輸入真實(shí)地震波記錄或者人工模擬的地震波，進(jìn)而模擬主體結(jié)構(gòu)或者非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震作用下的反應(yīng)全過程?？拐鹬У跫軘M動(dòng)力試驗(yàn)屬于子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)，其試驗(yàn)原理如圖9所示。首先向計(jì)算機(jī)輸入地震加速度，由計(jì)算機(jī)內(nèi)部軟件通過動(dòng)力方程對(duì)其進(jìn)行求解，得到初始地震反應(yīng)位移，然后通過作動(dòng)器將該位移施加在支吊架上，可以得到構(gòu)件在此位移下的恢復(fù)力，試驗(yàn)機(jī)將此恢復(fù)力反饋到計(jì)算機(jī)，對(duì)該恢復(fù)力和地震加速度值通過動(dòng)力方程繼續(xù)求解，得到下一步的加載位移值，如此反復(fù)循環(huán)直至試驗(yàn)結(jié)束。對(duì)于抗震支吊架這種尺寸較小的構(gòu)件，對(duì)其進(jìn)行擬動(dòng)力試驗(yàn)時(shí)，無需建立主體結(jié)構(gòu)的足尺模型，僅需對(duì)足尺抗震支吊架進(jìn)行加載即可，具體試驗(yàn)加載方式類似于抗震支吊架擬靜力試驗(yàn)加載，只不過擬靜力試驗(yàn)加載時(shí)，作動(dòng)器向管道施加的是低周往復(fù)循環(huán)荷載，而擬動(dòng)力試驗(yàn)加載時(shí)，作動(dòng)器向管道施加的是動(dòng)態(tài)的荷載、真實(shí)地震波記錄或人工合成地震波。

進(jìn)行擬動(dòng)力試驗(yàn)之前要先對(duì)試件進(jìn)行小變形靜力加載試驗(yàn)，確定試件的初始剛度，試件自振周期可通過脈動(dòng)法等動(dòng)力測(cè)試方法獲得，同時(shí)試件阻尼比也需要在試驗(yàn)之前估計(jì)。有研究表明，阻尼比只在彈性階段影響較大，進(jìn)入塑性階段影響不大，因此擬動(dòng)力試驗(yàn)可以設(shè)置較小的阻尼比值或者取零[38]。此外，擬動(dòng)力試驗(yàn)不需要試件的真實(shí)質(zhì)量來產(chǎn)生慣性力，對(duì)于抗震支吊架，可以僅在管道上增加附加質(zhì)量或者通過千斤頂施加豎向荷載來滿足荷載相似的要求即可。

擬動(dòng)力試驗(yàn)被廣泛地應(yīng)用于結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能研究[39-43],目前擬動(dòng)力試驗(yàn)在管道系統(tǒng)以及抗震支吊架領(lǐng)域的應(yīng)用較少。Melo等對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行了擬動(dòng)力試驗(yàn)，分析其動(dòng)態(tài)特性。結(jié)果表明，擬動(dòng)力試驗(yàn)方法是一種能夠在準(zhǔn)靜態(tài)環(huán)境中進(jìn)行的試驗(yàn)成本較小且精確的動(dòng)態(tài)分析方法[44]。

4 建議

本文總結(jié)了支吊架抗震性能試驗(yàn)方法，包括擬靜力試驗(yàn)、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)以及擬動(dòng)力試驗(yàn)，分別介紹了每種試驗(yàn)方法的加載方式、試驗(yàn)過程及適用范圍。擬靜力試驗(yàn)適用于位移敏感型構(gòu)件，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)主要適用于加速度敏感型構(gòu)件，擬動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)合了擬靜力試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)位移敏感型構(gòu)件和加速度敏感型構(gòu)件均適用。針對(duì)國(guó)內(nèi)抗震支吊架行業(yè)現(xiàn)狀，建議如下：

(1)對(duì)于單桿抗震支吊架，可沿用FM 1950中給出的擬靜力試驗(yàn)加載方案，或者采用1.4節(jié)提出的試驗(yàn)加載方案；對(duì)于雙桿抗震支吊架和雙立柱抗震支吊架，擬靜力試驗(yàn)可選用FEMA 461中的試驗(yàn)加載方案。

(2)GB/T 37267—2018中要求對(duì)抗震支吊架進(jìn)行55次循壞加載，初始荷載為2.25kN和初始荷載為9kN的抗震支吊架均采用相同的循環(huán)加載次數(shù)，其合理性需要通過進(jìn)一步的研究確定。

(3)對(duì)于加速度敏感型的抗震支吊架，可采用FEMA 461和ISO 13033中振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方法對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，AC 156中振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方法適用于自振頻率不小于1.3Hz的抗震支吊架。

(4)抗震支吊架振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)需要特定的試驗(yàn)場(chǎng)地以及較高的試驗(yàn)費(fèi)用，可以考慮采用擬動(dòng)力試驗(yàn)來替代振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，從而節(jié)省人力物力，簡(jiǎn)化試驗(yàn)程序。

(5)我國(guó)抗震支吊架發(fā)展還處于起步階段，目前還沒有完善的針對(duì)抗震支吊架試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)，為促進(jìn)抗震支吊架行業(yè)健康有序發(fā)展，應(yīng)當(dāng)盡快制定符合我國(guó)抗震支吊架現(xiàn)狀的試驗(yàn)加載制度。