詹煜龍 （安徽富煌建筑設(shè)計研究有限公司，安徽 合肥 230041）

0 前言

目前市面上大多空調(diào)支架是以三角支架或變截面支架作為主承重結(jié)構(gòu)，根據(jù)空調(diào)外機的重量用不同數(shù)量的膨脹螺栓固定于墻面上。當建筑追求美觀預(yù)留空調(diào)板時，外機則直接落于板上，以膨脹螺栓固定底角即可。經(jīng)過幾十年的市場驗證，這種方法構(gòu)造簡單、結(jié)構(gòu)牢固，大部分情況也不會存在支架與外機共振的問題。然而鋼結(jié)構(gòu)住宅的逐漸推廣對支架的構(gòu)造形式提出了新的要求，尤其是應(yīng)用較為普遍的ALC板外墻，其材質(zhì)輕脆，一旦開洞裂縫拓展不易控制，形成各個方向的長細裂縫，使外墻功能受損。因此，常規(guī)的安裝在墻上的三角支架不再適用，擬提出一種直接落于懸挑樓板的落地型支架，并對其進行靜力分析以探究其承載能力，對其進行模態(tài)分析以討論其是否會與外機共振影響用戶體驗。

1 基本計算模型

本文以安徽巢湖映月灣安置區(qū)項目作為工程背景，該項目基于典型的鋼框架支撐體系，住宅外墻為200mm厚ALC板，因板材材質(zhì)原因無法設(shè)置預(yù)埋件或膨脹螺栓，空調(diào)支架必須采用落地型支架，將其固定于預(yù)留的懸挑板上，單個支架最多放置兩臺空調(diào)外機。

空調(diào)支架為落地鋼架900mm長×450mm寬×1050mm高，具體做法如圖1所示。

圖1 空調(diào)支架做法

空調(diào)支架從懸挑板上起4根1.05m長角鋼作為主承軸力構(gòu)件，以相同型號的角鋼按照圖示方法焊接作為支架的主次梁，最后在支架的窄側(cè)面分別以兩根直徑為8的帶肋鋼筋封堵從而增大支架剛度。支架桿件除注明外均采用L50X5角鋼，構(gòu)件之間連接方式均為焊接，焊腳尺寸不小于4mm。

2 空調(diào)支架的靜力分析

為研究支架在外機作用下的承載能力情況，使用大型有限元分析軟件ANSYS對空調(diào)支架進行應(yīng)力位移分析，分析前約束支架墊板底面的平動，考慮支架自重，采用智能網(wǎng)格劃分，精度為2，支架模型圖和網(wǎng)格劃分圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 支架模型圖

圖3 支架的網(wǎng)格劃分

擬定空調(diào)外機的重量為當前市面上較大的100kg，使其作用于桿件上，進行有限元計算。計算結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 靜載下的應(yīng)力云圖

圖5 靜載下的豎向位移云圖

應(yīng)力圖中應(yīng)力條的單位為MPa，位移圖中位移條的單位為mm。

結(jié)果顯示，支撐與角鋼連接的焊縫位置存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)場，最大應(yīng)力為45MPa，即便如此，仍遠遠低于鋼材屈服強度，在材料的彈性范圍內(nèi)。鋼筋支撐在靜載下內(nèi)部為不到2MPa的壓應(yīng)力，支架長跨度方向主梁跨中最大正應(yīng)力僅15MPa。總的來說，整體桿件應(yīng)力水平很低，有充足的富余量應(yīng)對更大的荷載。

從圖5可以看出，支架桿件的最大豎向位移位于頂部空調(diào)正下方桿件中間位置，為0.2mm，在低處的相同位置，其豎向位移僅為0.13mm，這是因為高處的直接承重桿件的約束不如低處的充分。此外不難發(fā)現(xiàn)，主承軸力桿件由于和主梁的相互約束，在頂端有外凸、底部有內(nèi)收的痕跡，但位移量幾乎可以忽略不計。

3 加質(zhì)量源的空調(diào)支架的固有頻率分析

ANSYS模態(tài)分析只考慮結(jié)構(gòu)的布局和約束，對于加在結(jié)構(gòu)上的外荷載（慣性力除外）均忽略不計。因此，建立模型時若考慮質(zhì)量源，則必須將質(zhì)量源作為結(jié)構(gòu)的一部分輸入模型。

根據(jù)圖紙，空調(diào)架落于兩面懸挑的120mm厚混凝土板上，空調(diào)外機啟動時，可能與支架共振，使噪聲過大。為使模擬更接近實際，將空調(diào)外機作為質(zhì)量源分三種情況加入模型中，不加任何質(zhì)量源的空調(diào)支架作為初始對照組。用于模態(tài)分析的模型除重力外不加任何荷載，邊界條件為約束混凝土板相鄰兩個側(cè)面的位移和轉(zhuǎn)動，構(gòu)件之間均粘結(jié)牢固，網(wǎng)格劃分方法同靜力分析。

分別按照如圖6所示的四種情況建立模型并進行模態(tài)分析。

圖6 用于模態(tài)分析的四種模型

其中A不加任何質(zhì)量源作為對照組，B為質(zhì)量源放置在空調(diào)架頂部時的模型，C為質(zhì)量源放置在空調(diào)架下部時的模型，D為空調(diào)架上下部均放置質(zhì)量源時的模型，單個質(zhì)量源均為100kg。

經(jīng)過計算，四種模型前5階模態(tài)計算結(jié)果如表1所示。

四種情況的模態(tài)計算結(jié)果 表1

對支架進行模態(tài)分析可知，A組的前2階振動頻率分別為23.6Hz、37.9Hz，均為平動。這種較低的頻率體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的柔性特征，當激勵頻率與此頻率接近時，一般認為差異為±20%，支架與空調(diào)外機有共振的可能。

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，三種加質(zhì)量源方式的第一階支架自振頻率均為70Hz，第二階均為112.7Hz，說明質(zhì)量源的施加位置對固有頻率的影響很小，但都明顯增大了結(jié)構(gòu)剛度。

此外查閱文獻可知，外機的壓縮機在230V電壓下振動峰值是49.8Hz，當支架的固有頻率為39.84～59.8Hz時，外機將會與支架共振，顯然當外機一直保持壓縮機的振動峰值工作時，無論支架是否加配重，均不會和外機共振。然而當外機因為電壓較低，或是沒有必要使壓縮機處于高頻率振動狀態(tài)工作時，此時單個外機將作為激勵源，空支架將有可能和單個外機產(chǎn)生共振現(xiàn)象。為了避免這種情況，盡量不要使支架僅僅作用一個空調(diào)外機，可通過加配重的方式使得支架的上下部均處于加載狀態(tài)。

4 結(jié)語

①支架始終處于線彈性范圍，且普遍應(yīng)力極小，角鋼最大撓度僅0.2mm，結(jié)構(gòu)靜載下很安全。

②質(zhì)量源分三種情況作用于加支撐空調(diào)支架的主頻率均為70Hz，遠遠大于純空調(diào)支架的固有頻率23.6Hz，表明加質(zhì)量源后，支架剛度增大，結(jié)構(gòu)有較大的頻率差應(yīng)對到來的振動激勵。

③外機的壓縮機處于振動峰值狀態(tài)工作時，無論其在何種位置啟動，均不會導(dǎo)致工作的空調(diào)外機與支架共振。當支架僅作用單個外機，且壓縮機低于振動峰值狀態(tài)工作時，此為最不利工作狀態(tài)，支架有可能與外機共振，此時可通過加配重的方式使支架上下部均處于加載狀態(tài)從而避免這種情況。