新型抗震支吊架振动台试验研究

郑力畅，齐行军，庄 建，许国山，李东军

（1.哈尔滨工业大学结构工程灾变与控制教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150090；2.哈尔滨工业大学土木工程智能防灾减灾工业和信息化部重点实验室，黑龙 江哈尔滨 150090；3.哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090；4.黑龙江日甲生科技有限公司，黑龙江 哈尔滨 160066）

引言

近年来，地震发生频率较高，受地震作用而发生破坏的结构数量较多，地震作用的不可预测性和突发性带来了较大的经济损失和人员伤亡。在很多次地震灾害报告中可以看到［1－3］：很多主体结构构件在地震中的损坏通常是很小的，而很多非结构构件却破坏惨重，对救灾活动造成很大的影响甚至会引起次生灾害。例如填充墙倒塌造成人员伤亡，消防管线系统的破坏导致建筑消防能力丧失，又有吊顶灯饰掉落砸伤砸死人等情况，使得灾害的伤亡情况更加严重［4］。导致这种情况发生的原因是由于针对主体结构的抗震规范设计已经非常成熟了，而对于非结构构件的抗震却还处于初级阶段。

抗震支吊架就是典型的非结构构件，作用是限制附属机电工程设施产生位移，控制设施振动，并将荷载传递至承载结构上的各类组件或装置。抗震支架在地震中应对建筑机电工程设施给予可靠的保护，承受来自任意水平方向的地震作用。经抗震加固后的建筑给水排水、消防、供暖、通风、空调、燃气、热力、电力和通讯等机电工程设施，当遭遇到本地区抗震设防烈度的地震发生时，可以达到减轻地震破坏，减少和尽可能防止次生灾害的发生，从而达到减少人员伤亡及财产损失的目的。

一直以来，国内外学者对支吊架的抗震性能分析展开了一系列的研究。MALHOTRA 等［5］通过一系列的循环加载试验来确定管道支吊架的滞回性能，提出一种确定在极限荷载下加载的支吊架能承受的循环圈数，并给出了建议的抗震支吊架疲劳加载制度；GOODWIN 等［6］设置了有无抗震支吊架下的两种医疗管道系统并进行了振动台试验，通过其变形能力和破坏模式，发现抗震支吊架能够有效地减小管道系统的位移响应，但却不能减小加速度响应；尚庆学等［7］针对悬吊管线系统常见的钢缆式、梁夹式和螺杆式三类抗震支撑进行了9 组拟静力试验，根据试验结果发现螺杆式抗震支架的承载力最高。研究结构在地震作用下的损伤程度，使损伤指数量化，也是抗震性能评估的一种方法；贺思维等［8］通过往复加载试验对建筑给水管道进行了易损性分析，分析了管道破坏的特征以及影响因素；毛晨曦等［9］通过振动台试验研究蓄电池组的抗震性能并研究其易损性，分析获得其地震易损性曲线；LIANG等［10］和YAN等［11］通过对近海桥梁的易损性分析，考虑了混凝土碳化、钢筋锈蚀及混凝土与钢筋之间的粘结滑移影响，得到了桥梁抗倒塌性能的时变规律。

目前，国内外学者大多通过拟静力试验和拟动力试验对支吊架的悬挂系统进行试验分析［12］，不能充分反映支吊架系统与管道系统在实际地震作用下的真实响应及整体位移变化情况。此外，针对支吊架抗震性能的有限元分析仅局限于构件的位移与加速度变化，并未对其进行深入分析，给出其在地震作用下的服役性能的变化情况。因此，本文根据成品支吊架与抗震支吊架在不同管道系统以及不同工况下的振动台试验，给出实际地震作用下不同工况的整体响应分析；基于理论易损性分析，量化了地震作用下管道系统的服役性能。

1 新型抗震支吊架

1.1 传统支吊架的设计

在机电安装工程中，支吊架系统属于基础性部件，对管线管道的保护起到了不可替代的作用。传统的成品支吊架如图1 所示，主要由槽钢、槽钢底座、槽钢连接件以及螺栓构成。成品支吊架的所有构件都是在工厂提前制作好，可以直接运到施工现场进行组装拼接，安装过程中无需焊接和钻孔。可以方便的进行拆和改调整，拆卸下的配件和槽钢都可以重复使用，整个安装过程都十分方便且简单。其优点是可以承受管道等重量，具有良好的兼容性，各管道系统可以共用一套支吊架。材料采用Q235B进行制造，具有良好的延展性，较高的强度和良好的韧性。缺点是该支吊架在水平方向上毫无束缚，在地震作用下只能靠槽钢本身的刚度来对抗地震作用力，可能会发生支吊架系统过度摇晃导致掉落而造成严重的次生灾害。

图1 成品支吊架Fig.1 Finished hanger

1.2 抗震支吊架的设计

单管侧向支吊架是根据地震载荷的特点情况设计的侧向支撑作用的支架。抗震支吊架主要包括吊杆、C 型槽钢、抗震连接件、抗震支撑和螺栓，如图2 所示。其主要目的是保护整个管线系统不会在地震作用下造成侧向破坏。螺杆式抗震支架垂直吊杆通过C型槽钢及槽钢紧固件进行加强，以防止其过早发生屈曲，垂直吊杆穿过螺纹孔并用螺母固定，与底部连接件配套使用的预紧力螺栓需要拧紧至螺栓头部脱落，使螺栓压进槽钢，保证结构连接牢靠。抗震连接件由两块钢板通过螺栓连接在一起，主要是为了连接管道与上部结构。在整个地震过程中主要是通过抗震斜撑在水平地震作用力下拉压变形发生耗能来抵抗水平地震对管道带来的冲击。

图2 螺杆式抗震支吊架Fig.2 Screw-type seismic support

2 试验设计

2.1 加载框架

抗震支吊架的振动台试验采用单层钢框架作为加载框架，其加载框架示意图见图3。为了降低加载框架的响应对支吊架的影响，需保证其刚度足够大，特别是加载激励方向的刚度，因此在设计时通过减少层高以及增大截面尺寸的方式来减少其影响。加载框架的梁柱的截面尺寸以及数量见表1。梁柱之间通过连接件以及螺栓连接，具体的节点构造示意图见图4。

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

图3 加载框架示意图（单位：mm）Fig.3 Schematic diagram of loading frame（Unit：mm）

图4 节点构造示意图Fig.4 Schematic diagram of joints

2.2 试验布置方案

试验采用哈尔滨工业大学结构与抗震试验中心3 m×4 m 的单向加载电液伺服地震模拟振动台进行加载，最大负载12 t，可实现最大位移±125 mm，最大速度±760 mm/s，最大加速度±1.5 g。试验设置了成品支吊架与抗震支吊架两组试验进行对比，管道系统以及支吊架均按相关规范要求设计安装［13－15］，两组所采用的管道系统配置完全一致。测量系统共使用6 个通道，包括3 个量程为±300 mm 的LVDT 位移计，3 个PVB 加速度计，分别测量加载框架以及两条管道系统的响应，具体的传感器布置方案见图5。

图5 测点布置方案Fig.5 Layout of measuring points

该试验还设置了三种管道工况：分别为单管DN100、双管DN100×2和单管DN200，如图6所示，以研究支吊架系统在不同管道下的响应。管道均预先充水打压至1.0 MPa 以模拟供水管道系统的真实工作状态［16］。地震加载激励方向为顺管向。

图6 试验照片Fig.6 Experimental photos

2.3 地震动及加载方案

根据设防烈度、地震分组和场地类别确定匹配的目标反应谱［17］，选取了2组天然地震动与1组人工合成地震动，分别是El Centro（NS，1940）地震动、Taft 地震动和人工合成地震动，其加速度时程曲线如图7 所示，反应谱曲线如图8 所示。加载工况PGA（峰值加速度）从0.018 g 逐步增加到0.22 g，该试验具体工况见表2。本文给出的抗震支架主要用于建筑底层的水平主管线抗震，包括地下结构或地面一层结构。由于供水管道设于地下室顶棚或者底层的吊顶内，因此管道系统及支吊架系统所遭受的地震作用接近地面运动，可以直接以实际地面记录加速度作为输入。本文以地震动记录为输入开展振动台试验，未考虑多高层结构的楼层放大作用效应。

表2 加载工况Table 2 Loading condition

图7 地震动加速度时程曲线Fig.7 Acceleration time-history of ground motion

图8 地震反应谱Fig.8 Seismic response spectrum

取PGA=0.11 g 时框架与台面的位移和加速度时程进行对比，并分别进行频谱分析得到图9。可以看到位移与加速度时程基本吻合，两者的频谱也基本一致。对频谱最大值点进行统计得到表3，位移一阶频率为0.1 Hz，加速度一阶频率为1.175 Hz，说明地震作用复现效果较好。

图9 地震作用复现效果分析Fig.9 Analysis on the recurrence effect of earthquake action

表3 模态分析Table 3 Modal analysis

3 试验结果与分析

3.1 结构响应分析

图10-11分别列出了工况1中PGA=0.22 g的DN100、DN100×2和DN200管道系统的位移响应、加速度响应的时程对比（图中给出的相对位移值为管道绝对位移与加载框架顶部位移的差）。由于地震的突发作用，因此我们往往更关心构件反应的幅值以及在地震作用时间内构件响应的整体值。表4-5分别以位移和加速度的幅值减振率δA与均方根减振率δσ来对抗震支架的减振效果进行评估（其中KZ表示抗震支吊架下的管道系统）［18］。对比可以发现三种管道系统采用抗震支吊架的位移减振率基本上达到了80%以上，DN100 的管道系统甚至达到了96.03%，抗震支吊架对于管道系统的位移响应抑制效果非常明显。值得注意的是采用成品支吊架管道系统在地震输入结束的时候并没有即时回到初始位置并停止运动，特别是DN200 管道系统，进行一段时间的自由振动，这对于加载框架以及管道本身都存在一定的危险隐患。而且结果还表明抗震支吊架并不能有效地减小管道系统的加速度响应。

图10 管道相对位移时程曲线Fig.10 Time history curve of relative displacement of water pipe

图11 管道加速度时程曲线Fig.11 Time history curve of acceleration of water pipe

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

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

3.2 易损性分析

易损性分析指的是结构在地震作用下的损伤概率与地震动大小的关系［19－20］。在特定的地震作用下，结构或者构件的地震响应超过某一特定极限状态的条件失效概率，称为易损性曲线。假定地震需求和结构承载力服从对数正态分布［21］，那么其函数关系式如式（1）所示：

式中：D为地震需求；C为结构承载力；IM 为地震动强度参数，即峰值加速度（PGA）；μC，βC和μD，βD分别为结构抗震能力和地震需求的均值和对数标准差。

CORNELL 等［22］假定地震需求D和地震动强度参数IM 在对数尺度上呈线性相关，可以得到地震需求D与地震动强度参数IM的函数关系，如式（2）所示：式中：a和b为通过对非线性时程分析结果的回归分析所确定的系数。

地震动强度参数IM选取峰值加速度PGA，将式（2）代入式（1）整理可得式：

为了得到不同管道系统位移的概率地震需求模型，分别选取了不同管道系统在不同峰值加速度的El Centro地震动下的最大相对位移进行对数线性回归分析，得到了最大相对位移（MaxDisp）和PGA之间的拟合函数关系式及其拟合曲线，如图12所示。

图12 最大相对位移与PGA的关系Fig.12 Maximum relative displacements and PGA

根据《建筑机电设备抗震支架通用技术条件》（CJ/T 476―2015）［13］规定，取μc=50 mm，βc=0.0，相应的易损性曲线见图13（a）。结果表明：DN100管道和DN100×2管道的超越概率明显要大于DN200管道，主要原因是DN200 管道管径较大，变形能力较小。因此在地震作用时，DN200 的最大位移响应明显小于DN100 管道和DN100×2 管道。在峰值加速度为0.168 g 时，DN100 管道系统的破坏（位移超过50 mm）的概率为50%，意味着采用非抗震支吊架的管线系统易遭受地震损伤。为更加直观地体现抗震支吊架对管道的减振作用，给出三种工况下是否添加抗震支吊架的易损性曲线对比图13（b）（图例中带KZ表示抗震支吊架下的管道超越概率），抗震支吊架明显降低了管道的超越概率，在本构件所处环境的地震动强度范围内（0～0.22 g），管道的超越概率基本为零。可以看出抗震支吊架在地震作用下的减振效果显著。本文以地震动记录输入振动台试验结果完成了易损性分析，未考虑多高层结构的楼层放大作用效应。

图13 管道系统的易损性曲线Fig.13 Seismic fragility curve of pipe system

4 结论

本文对位于地下结构的成品支吊架与抗震支吊架进行了顺管向地震模拟振动台试验，对比验证分析了抗震支吊架在顺管向的抗震性能，并对成品支吊架和抗震支吊架的管道系统进行了易损性分析。依据试验结果及易损性分析结果得到主要结论如下：

（1）在顺管向地震模拟振动台试验中，抗震支吊架的位移减振率均能达到80%～90%，DN100 管道的减振率甚至达到了96%，说明其能够有效地抑制管道系统在顺管向的位移，但是对于加速度响应没有起到较好的抑制作用。

（2）采用成品支吊架的管道系统顺管向在地震输入结束的时候会进行一段时间的自由振动，不能即时停止运动并回到初始位置。重量越大的管道，自由振动的幅度和时间也就越长，这对于加载框架以及管道本身都会造成损伤，存在一定的危险隐患。

（3）在不同的地震动幅值下，DN100管道的位移幅值均大于DN200管道的，说明管道半径与其变形能力成反比。易损性分析表明在遭受与抗震设防烈度相当的地震作用时，成品支吊架下的管道系统发生严重损伤的可能性很高，而采用抗震支吊架的管道系统能够很好地保全其使用功能。

本文虽取得以上结论，但仅截取部分管道进行试验，后续研究可采用实时混合试验方法考虑管道之间的约束作用。另外，针对所提抗震支架主要用于建筑底层的水平主管线抗震这一特点，以地面运动加速度为激励输入开展了振动台试验，未考虑多高层结构的楼层放大作用效应，因此本文仅对地下结构或地面一层结构的抗震支架有指导意义。针对多高层结构的楼层放大作用效应值得进一步研究。

致谢

该论文感谢国家自然科学基金（编号：51978213）以及黑龙江省博士后科研启动基金（编号：LBHQ15059）的支持。