装配式抗震支吊架地震模拟研究

王涛 WANG Tao；陆群 LU Qun；陆滨 LU Bin；陈萌萌 CHEN Meng-meng

（①中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430000；②天津城建大学，天津 300384；③无锡地铁集团有限公司，无锡 214000；④伍尔特（中国）有限公司，上海 201100）

0 引言

在现代建筑中，非结构构件投资占现代建筑总资金的大部分，特别是办公室、酒店、医院和地铁站，其非结构构件投资比例分别为82%、87%、92%，超过结构构件投入。非结构构件如填充墙、吊顶系统、管线系统和电梯系统易受地震影响，如管线系统损坏可能导致二次灾害和加重救援工作风险。抗震约束限制了管线位移，支架连接件性能影响抗震支架。依据GB50981-2014 规范，抗震支架传递地震力到主体结构。需使用Abaqus 等软件分析模型振动特性，并用振型分解反应谱法验证抗震性能。我国是地震灾害最严重的国家之一，非结构构件抗震研究较滞后。GB50981-2014 要求对非结构构件进行抗震设计。抗震支吊架作为典型非结构构件，在机电抗震系统中发挥重要作用。其牢固连接建筑结构，提供抗震保护。抗震支吊架规范的推广推动了我国建筑机电抗震领域的发展。广泛应用于工业和民用建筑、管廊、隧道等。

1 抗震支吊架的主要作用和计算原理

抗震支吊架作为一种重要的结构支撑装置，在抗震设计中起到关键作用。其主要作用是通过支撑和吊挂建筑物或设备的重量，以减少地震震动对其产生的影响，保护结构的稳定性和完整性。抗震支吊架的工作原理涉及弹性变形、减震与隔离以及控制振动幅度等方面。抗震支吊架通过弹性变形的原理来减轻地震震动对建筑物或设备的传递。通常采用的弹性材料，如橡胶或金属弹簧，能够在地震发生时发生变形，并通过吸收和减缓地震震动来保护结构。这种弹性变形可以大大减小地震力对建筑物或设备的冲击。抗震支吊架运用减震与隔离技术来降低地震产生的冲击力。这种技术通常通过引入减震器或隔震器来实现。减震器能够吸收和消散地震能量，从而降低结构受力；而隔震器可以将建筑物或设备与基础分离，使其在地震时相对稳定，减少地震震动对其的影响。

抗震支吊架主要通过支撑和吊挂的方式，结合弹性变形、减震与隔离技术以及控制振动幅度等原理来保护建筑物或设备在地震中的稳定性。通过这些工作原理的应用，抗震支吊架在抗震设计中发挥着重要的作用，提高了结构的抗震性能，保障了人员和设备的安全。

抗震支吊架是用于减缓建筑结构在地震作用下的水平位移和侧向力的一种装置。水平地震作用等效侧力法是一种常用的计算方法。在结构工程中，为了简化复杂的地震力作用分析，常常使用等效侧力法来代替地震作用的计算。等效侧力是一种与地震力作用相等但方便计算的侧向力。等效侧力系数（C）的计算公式如下：

其中，Wi代表第i 个层的总重力荷载，W 代表整个结构的总重力荷载，Ri代表第i 个层的抗震剪力，R 代表整个结构的抗震剪力。

等效侧力（F）的计算公式：

其中，W 代表整个结构的总重力荷载，R 代表整个结构的抗震剪力。

抗震支吊架的水平力计算公式：

其中，Z 代表位于支吊架高度处的等效侧力，H 代表支吊架高度。

2 基于Abaques 的地震模拟仿真分析

2.1 建立理论模型

建立多自由度弹塑性分析模型式（4）所示，在地震地面运动作用下，假设地面运动变形为x0，则质点系绝对位移为：

则质点的惯性力为：

根据d’Alembert 原理，地震作用下弹塑性模型动力方程为：

2.2 建立几何模型

采用Autodesk 旗下的软件来建立管道系统和抗震支吊架模型。具体方案是使用Revit 设计管道和线路，并利用Inventor 和Revit 建模抗震支吊架。我们会遵守安装规范，在选择支架和连接方式时确保其适当性。在研究中，我们选取了典型的管段进行模拟，并考虑到支架形式的多样性，采用数模结合的方式进行模拟。首先使用Inventor 建模基础构件，然后利用Revit 来联结横担竖杆连接件族，通过数据驱动模型以适应装配式抗震支架的建模需求。可见性嵌套的方式可快速对齐构件。并严格按照《建筑机电工程抗震设计规范》GB 50981－2014 中的标准与意见进行操作。

通过Revit 的导出功能，可以快速得到三维模型，如图1 所示。

图1 抗震支吊架三维模型

通过Revit 的族，设计如下管综及抗震支吊架，机电设备为左一为400mm*200mm 的风管，左二为DN150 的水管，左三为DN150 的暖通水管，右一为450mm*350mm 的风管，右二为DN150 的水管，右三为DN100 的水管。抗震支吊架采用竖杆为1500mm，左横担为900mm，右横担为600mm，设置4 榀，间隔3000mm，在两侧分别设置横向斜撑与纵向斜撑。

2.3 Abaqus 分析

2.3.1 模型导入与设置材料

根据机电管综的形式，进行抗震支架的设计，将支架导入到abaqus 进行前处理，材料均采用Q235B 钢，螺栓使用8.8 级螺栓，具体材料参数如表1 所示。

表1 抗震支吊架材料参数表

2.3.2 网格划分与边界设置

abaqus 选用Shell 四面体网格，支架与管道、管箍与管道接触处重点分析，网格密度需要加大。槽钢网格为5mm，管箍连接件网格2mm，管道网格20mm，共计绘制643248 个网格，网格划分结果见图2。

图2 网格划分结果

底托与板底抗震连接件设置两种约束条件：①自重作用下约束六个自由度，限制位移和旋转，确保非地震情况下位置和形态固定。②地震作用下解除X 轴约束，加载地震波，模拟结构受地震影响。研究底托连接件在地震下的性能。处理结果如图3 所示。

图3 边界设置结果

2.3.3 地震波的选取

结构震响与地震动的幅值、频率和持续时间以及建筑场地环境有关。在综合工作区场地地震动峰值加速度为0.30g，设防烈度为7 度的情况下，选用了等级为7.1 级、时间间隔为0.02 秒的El centro 地震波。由于地震动模拟分析计算量大，为了简化计算，只研究了前60 秒加速度峰值较大的地震波。

2.4 设置接触关系

在Abaqus 软件中，可以使用接触特性来建模抗震支吊架中不同部件的连接关系。针对所提到的管道与管卡之间的coupling 连接以及连接件与横杆和竖杆之间的bolt连接，可以使用以下方法实现。

对于管道与管卡之间的连接，在Abaqus 中可以使用Tie 接触进行建模。对于这种接触关系，可以在Abaqus 中选择适当的面或边作为主体，并定义相应的面或边作为从体，然后通过设置Tie 接触特性，将它们连接在一起。

对于连接件与横杆和竖杆之间的bolt 连接，可以使用面接触进行建模。在Abaqus 中，可以选择适当的面或边作为主体（例如连接件或横杆/竖杆），定义相应的面或边作为从体（例如螺栓），然后通过设置面接触特性，将它们连接在一起。连接效果如图4 所示。

图4 连接示意图

3 结果分析

通过计算发现最不利位置为抗震支架的斜撑中部，斜撑是地震消能的重要构件，在抗震支架的设计中，抗震斜撑有设计冗余。在地震激励下，下部斜撑作为消能的主体，它的加速度（见图5）与上部斜撑有相同的趋势。但是由于上部斜撑离顶部较近，加速度数值小于下部斜撑。其受力变化如图6 所示，下部斜撑在地震作用下，限制了支架主体的晃动，先受到了较大的压力，但是竖杆斜撑楼板形成了一个三角形机构，该机构具有较好的受力性能，而上部斜撑包含在该机构中因此受力较小。下部斜撑的位移也远远大于上部斜撑，如果在地震的作用下，下部斜撑产生金属疲劳，机构的受力主体将被上部斜撑取代。这种分梯度的受力方式大大提高了结构受力的合理性。

图5 加速度变化曲线

图6 应力变化曲线

4 结论

本文运用Abaqus 对抗震支吊架进行分析，通过研究抗震支吊架进行对比研究，展示出：抗震支吊架可以有效地缓减地震作用下管道的位移响应。同时，通过模态分析与响应谱分析，对振型分解组合法和非结构构件抗震系统的设计提供了理论依据。