鄭力暢，齊行軍，莊 建，許國山，李東軍

（1.哈爾濱工業(yè)大學結構工程災變與控制教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150090；2.哈爾濱工業(yè)大學土木工程智能防災減災工業(yè)和信息化部重點實驗室，黑龍 江哈爾濱 150090；3.哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090；4.黑龍江日甲生科技有限公司，黑龍江 哈爾濱 160066）

引言

近年來，地震發(fā)生頻率較高，受地震作用而發(fā)生破壞的結構數(shù)量較多，地震作用的不可預測性和突發(fā)性帶來了較大的經濟損失和人員傷亡。在很多次地震災害報告中可以看到［1－3］：很多主體結構構件在地震中的損壞通常是很小的，而很多非結構構件卻破壞慘重，對救災活動造成很大的影響甚至會引起次生災害。例如填充墻倒塌造成人員傷亡，消防管線系統(tǒng)的破壞導致建筑消防能力喪失，又有吊頂燈飾掉落砸傷砸死人等情況，使得災害的傷亡情況更加嚴重［4］。導致這種情況發(fā)生的原因是由于針對主體結構的抗震規(guī)范設計已經非常成熟了，而對于非結構構件的抗震卻還處于初級階段。

抗震支吊架就是典型的非結構構件，作用是限制附屬機電工程設施產生位移，控制設施振動，并將荷載傳遞至承載結構上的各類組件或裝置?？拐鹬Ъ茉诘卣鹬袘獙ㄖC電工程設施給予可靠的保護，承受來自任意水平方向的地震作用。經抗震加固后的建筑給水排水、消防、供暖、通風、空調、燃氣、熱力、電力和通訊等機電工程設施，當遭遇到本地區(qū)抗震設防烈度的地震發(fā)生時，可以達到減輕地震破壞，減少和盡可能防止次生災害的發(fā)生，從而達到減少人員傷亡及財產損失的目的。

一直以來，國內外學者對支吊架的抗震性能分析展開了一系列的研究。MALHOTRA 等［5］通過一系列的循環(huán)加載試驗來確定管道支吊架的滯回性能，提出一種確定在極限荷載下加載的支吊架能承受的循環(huán)圈數(shù)，并給出了建議的抗震支吊架疲勞加載制度；GOODWIN 等［6］設置了有無抗震支吊架下的兩種醫(yī)療管道系統(tǒng)并進行了振動臺試驗，通過其變形能力和破壞模式，發(fā)現(xiàn)抗震支吊架能夠有效地減小管道系統(tǒng)的位移響應，但卻不能減小加速度響應；尚慶學等［7］針對懸吊管線系統(tǒng)常見的鋼纜式、梁夾式和螺桿式三類抗震支撐進行了9 組擬靜力試驗，根據(jù)試驗結果發(fā)現(xiàn)螺桿式抗震支架的承載力最高。研究結構在地震作用下的損傷程度，使損傷指數(shù)量化，也是抗震性能評估的一種方法；賀思維等［8］通過往復加載試驗對建筑給水管道進行了易損性分析，分析了管道破壞的特征以及影響因素；毛晨曦等［9］通過振動臺試驗研究蓄電池組的抗震性能并研究其易損性，分析獲得其地震易損性曲線；LIANG等［10］和YAN等［11］通過對近海橋梁的易損性分析，考慮了混凝土碳化、鋼筋銹蝕及混凝土與鋼筋之間的粘結滑移影響，得到了橋梁抗倒塌性能的時變規(guī)律。

目前，國內外學者大多通過擬靜力試驗和擬動力試驗對支吊架的懸掛系統(tǒng)進行試驗分析［12］，不能充分反映支吊架系統(tǒng)與管道系統(tǒng)在實際地震作用下的真實響應及整體位移變化情況。此外，針對支吊架抗震性能的有限元分析僅局限于構件的位移與加速度變化，并未對其進行深入分析，給出其在地震作用下的服役性能的變化情況。因此，本文根據(jù)成品支吊架與抗震支吊架在不同管道系統(tǒng)以及不同工況下的振動臺試驗，給出實際地震作用下不同工況的整體響應分析；基于理論易損性分析，量化了地震作用下管道系統(tǒng)的服役性能。

1 新型抗震支吊架

1.1 傳統(tǒng)支吊架的設計

在機電安裝工程中，支吊架系統(tǒng)屬于基礎性部件，對管線管道的保護起到了不可替代的作用。傳統(tǒng)的成品支吊架如圖1 所示，主要由槽鋼、槽鋼底座、槽鋼連接件以及螺栓構成。成品支吊架的所有構件都是在工廠提前制作好，可以直接運到施工現(xiàn)場進行組裝拼接，安裝過程中無需焊接和鉆孔?？梢苑奖愕倪M行拆和改調整，拆卸下的配件和槽鋼都可以重復使用，整個安裝過程都十分方便且簡單。其優(yōu)點是可以承受管道等重量，具有良好的兼容性，各管道系統(tǒng)可以共用一套支吊架。材料采用Q235B進行制造，具有良好的延展性，較高的強度和良好的韌性。缺點是該支吊架在水平方向上毫無束縛，在地震作用下只能靠槽鋼本身的剛度來對抗地震作用力，可能會發(fā)生支吊架系統(tǒng)過度搖晃導致掉落而造成嚴重的次生災害。

圖1 成品支吊架Fig.1 Finished hanger

1.2 抗震支吊架的設計

單管側向支吊架是根據(jù)地震載荷的特點情況設計的側向支撐作用的支架?？拐鹬У跫苤饕ǖ鯒U、C 型槽鋼、抗震連接件、抗震支撐和螺栓，如圖2 所示。其主要目的是保護整個管線系統(tǒng)不會在地震作用下造成側向破壞。螺桿式抗震支架垂直吊桿通過C型槽鋼及槽鋼緊固件進行加強，以防止其過早發(fā)生屈曲，垂直吊桿穿過螺紋孔并用螺母固定，與底部連接件配套使用的預緊力螺栓需要擰緊至螺栓頭部脫落，使螺栓壓進槽鋼，保證結構連接牢靠?？拐疬B接件由兩塊鋼板通過螺栓連接在一起，主要是為了連接管道與上部結構。在整個地震過程中主要是通過抗震斜撐在水平地震作用力下拉壓變形發(fā)生耗能來抵抗水平地震對管道帶來的沖擊。

圖2 螺桿式抗震支吊架Fig.2 Screw-type seismic support

2 試驗設計

2.1 加載框架

抗震支吊架的振動臺試驗采用單層鋼框架作為加載框架，其加載框架示意圖見圖3。為了降低加載框架的響應對支吊架的影響，需保證其剛度足夠大，特別是加載激勵方向的剛度，因此在設計時通過減少層高以及增大截面尺寸的方式來減少其影響。加載框架的梁柱的截面尺寸以及數(shù)量見表1。梁柱之間通過連接件以及螺栓連接，具體的節(jié)點構造示意圖見圖4。

表1 構件截面尺寸Table 1 Sectional dimensions of the components

圖3 加載框架示意圖（單位：mm）Fig.3 Schematic diagram of loading frame（Unit：mm）

圖4 節(jié)點構造示意圖Fig.4 Schematic diagram of joints

2.2 試驗布置方案

試驗采用哈爾濱工業(yè)大學結構與抗震試驗中心3 m×4 m 的單向加載電液伺服地震模擬振動臺進行加載，最大負載12 t，可實現(xiàn)最大位移±125 mm，最大速度±760 mm/s，最大加速度±1.5 g。試驗設置了成品支吊架與抗震支吊架兩組試驗進行對比，管道系統(tǒng)以及支吊架均按相關規(guī)范要求設計安裝［13－15］，兩組所采用的管道系統(tǒng)配置完全一致。測量系統(tǒng)共使用6 個通道，包括3 個量程為±300 mm 的LVDT 位移計，3 個PVB 加速度計，分別測量加載框架以及兩條管道系統(tǒng)的響應，具體的傳感器布置方案見圖5。

圖5 測點布置方案Fig.5 Layout of measuring points

該試驗還設置了三種管道工況：分別為單管DN100、雙管DN100×2和單管DN200，如圖6所示，以研究支吊架系統(tǒng)在不同管道下的響應。管道均預先充水打壓至1.0 MPa 以模擬供水管道系統(tǒng)的真實工作狀態(tài)［16］。地震加載激勵方向為順管向。

圖6 試驗照片F(xiàn)ig.6 Experimental photos

2.3 地震動及加載方案

根據(jù)設防烈度、地震分組和場地類別確定匹配的目標反應譜［17］，選取了2組天然地震動與1組人工合成地震動，分別是El Centro（NS，1940）地震動、Taft 地震動和人工合成地震動，其加速度時程曲線如圖7 所示，反應譜曲線如圖8 所示。加載工況PGA（峰值加速度）從0.018 g 逐步增加到0.22 g，該試驗具體工況見表2。本文給出的抗震支架主要用于建筑底層的水平主管線抗震，包括地下結構或地面一層結構。由于供水管道設于地下室頂棚或者底層的吊頂內，因此管道系統(tǒng)及支吊架系統(tǒng)所遭受的地震作用接近地面運動，可以直接以實際地面記錄加速度作為輸入。本文以地震動記錄為輸入開展振動臺試驗，未考慮多高層結構的樓層放大作用效應。

表2 加載工況Table 2 Loading condition

圖7 地震動加速度時程曲線Fig.7 Acceleration time-history of ground motion

圖8 地震反應譜Fig.8 Seismic response spectrum

取PGA=0.11 g 時框架與臺面的位移和加速度時程進行對比，并分別進行頻譜分析得到圖9?？梢钥吹轿灰婆c加速度時程基本吻合，兩者的頻譜也基本一致。對頻譜最大值點進行統(tǒng)計得到表3，位移一階頻率為0.1 Hz，加速度一階頻率為1.175 Hz，說明地震作用復現(xiàn)效果較好。

圖9 地震作用復現(xiàn)效果分析Fig.9 Analysis on the recurrence effect of earthquake action

表3 模態(tài)分析Table 3 Modal analysis

3 試驗結果與分析

3.1 結構響應分析

圖10-11分別列出了工況1中PGA=0.22 g的DN100、DN100×2和DN200管道系統(tǒng)的位移響應、加速度響應的時程對比（圖中給出的相對位移值為管道絕對位移與加載框架頂部位移的差）。由于地震的突發(fā)作用，因此我們往往更關心構件反應的幅值以及在地震作用時間內構件響應的整體值。表4-5分別以位移和加速度的幅值減振率δA與均方根減振率δσ來對抗震支架的減振效果進行評估（其中KZ表示抗震支吊架下的管道系統(tǒng)）［18］。對比可以發(fā)現(xiàn)三種管道系統(tǒng)采用抗震支吊架的位移減振率基本上達到了80%以上，DN100 的管道系統(tǒng)甚至達到了96.03%，抗震支吊架對于管道系統(tǒng)的位移響應抑制效果非常明顯。值得注意的是采用成品支吊架管道系統(tǒng)在地震輸入結束的時候并沒有即時回到初始位置并停止運動，特別是DN200 管道系統(tǒng)，進行一段時間的自由振動，這對于加載框架以及管道本身都存在一定的危險隱患。而且結果還表明抗震支吊架并不能有效地減小管道系統(tǒng)的加速度響應。

圖10 管道相對位移時程曲線Fig.10 Time history curve of relative displacement of water pipe

圖11 管道加速度時程曲線Fig.11 Time history curve of acceleration of water pipe

表4 位移幅值及均方根減振率Table 4 Displacement amplitude and standard deviation damping rate

表5 加速度幅值及均方根減振率Table 5 Acceleration amplitude and standard deviation damping rate

3.2 易損性分析

易損性分析指的是結構在地震作用下的損傷概率與地震動大小的關系［19－20］。在特定的地震作用下，結構或者構件的地震響應超過某一特定極限狀態(tài)的條件失效概率，稱為易損性曲線。假定地震需求和結構承載力服從對數(shù)正態(tài)分布［21］，那么其函數(shù)關系式如式（1）所示：

式中：D為地震需求；C為結構承載力；IM 為地震動強度參數(shù)，即峰值加速度（PGA）；μC，βC和μD，βD分別為結構抗震能力和地震需求的均值和對數(shù)標準差。

CORNELL 等［22］假定地震需求D和地震動強度參數(shù)IM 在對數(shù)尺度上呈線性相關，可以得到地震需求D與地震動強度參數(shù)IM的函數(shù)關系，如式（2）所示：式中：a和b為通過對非線性時程分析結果的回歸分析所確定的系數(shù)。

地震動強度參數(shù)IM選取峰值加速度PGA，將式（2）代入式（1）整理可得式：

為了得到不同管道系統(tǒng)位移的概率地震需求模型，分別選取了不同管道系統(tǒng)在不同峰值加速度的El Centro地震動下的最大相對位移進行對數(shù)線性回歸分析，得到了最大相對位移（MaxDisp）和PGA之間的擬合函數(shù)關系式及其擬合曲線，如圖12所示。

圖12 最大相對位移與PGA的關系Fig.12 Maximum relative displacements and PGA

根據(jù)《建筑機電設備抗震支架通用技術條件》（CJ/T 476―2015）［13］規(guī)定，取μc=50 mm，βc=0.0，相應的易損性曲線見圖13（a）。結果表明：DN100管道和DN100×2管道的超越概率明顯要大于DN200管道，主要原因是DN200 管道管徑較大，變形能力較小。因此在地震作用時，DN200 的最大位移響應明顯小于DN100 管道和DN100×2 管道。在峰值加速度為0.168 g 時，DN100 管道系統(tǒng)的破壞（位移超過50 mm）的概率為50%，意味著采用非抗震支吊架的管線系統(tǒng)易遭受地震損傷。為更加直觀地體現(xiàn)抗震支吊架對管道的減振作用，給出三種工況下是否添加抗震支吊架的易損性曲線對比圖13（b）（圖例中帶KZ表示抗震支吊架下的管道超越概率），抗震支吊架明顯降低了管道的超越概率，在本構件所處環(huán)境的地震動強度范圍內（0～0.22 g），管道的超越概率基本為零。可以看出抗震支吊架在地震作用下的減振效果顯著。本文以地震動記錄輸入振動臺試驗結果完成了易損性分析，未考慮多高層結構的樓層放大作用效應。

圖13 管道系統(tǒng)的易損性曲線Fig.13 Seismic fragility curve of pipe system

4 結論

本文對位于地下結構的成品支吊架與抗震支吊架進行了順管向地震模擬振動臺試驗，對比驗證分析了抗震支吊架在順管向的抗震性能，并對成品支吊架和抗震支吊架的管道系統(tǒng)進行了易損性分析。依據(jù)試驗結果及易損性分析結果得到主要結論如下：

（1）在順管向地震模擬振動臺試驗中，抗震支吊架的位移減振率均能達到80%～90%，DN100 管道的減振率甚至達到了96%，說明其能夠有效地抑制管道系統(tǒng)在順管向的位移，但是對于加速度響應沒有起到較好的抑制作用。

（2）采用成品支吊架的管道系統(tǒng)順管向在地震輸入結束的時候會進行一段時間的自由振動，不能即時停止運動并回到初始位置。重量越大的管道，自由振動的幅度和時間也就越長，這對于加載框架以及管道本身都會造成損傷，存在一定的危險隱患。

（3）在不同的地震動幅值下，DN100管道的位移幅值均大于DN200管道的，說明管道半徑與其變形能力成反比。易損性分析表明在遭受與抗震設防烈度相當?shù)牡卣鹱饔脮r，成品支吊架下的管道系統(tǒng)發(fā)生嚴重損傷的可能性很高，而采用抗震支吊架的管道系統(tǒng)能夠很好地保全其使用功能。

本文雖取得以上結論，但僅截取部分管道進行試驗，后續(xù)研究可采用實時混合試驗方法考慮管道之間的約束作用。另外，針對所提抗震支架主要用于建筑底層的水平主管線抗震這一特點，以地面運動加速度為激勵輸入開展了振動臺試驗，未考慮多高層結構的樓層放大作用效應，因此本文僅對地下結構或地面一層結構的抗震支架有指導意義。針對多高層結構的樓層放大作用效應值得進一步研究。

致謝

該論文感謝國家自然科學基金（編號：51978213）以及黑龍江省博士后科研啟動基金（編號：LBHQ15059）的支持。