铰接阻尼支吊架设计与分析①

杨明飞, 司晟哲, 王 娟, 陈宜网

(1.安徽理工大学土木建筑学院,安徽 淮南 232001;2.研预建筑科技(上海)有限公司,上海 200082;3.安徽圣沃建设工程有限公司,安徽 合肥 230031)

0 引 言

近年来研究发现,管道系统及支吊架等非结构构件对结构的抗震起到了重要作用[1],因此目前非结构构件受到广泛关注。Perrone[2]通过试验发现了悬挂式管道对结构抗震有着关键作用。刘荣恒等[3]通过静力试验研究并提供了管道系统抗震的一种力学模型。张婷[4]通过管道系统地震耦合分析精细化了非结构构件的数字建模。随着研究的深入发现抗震支吊架作为非典型的结构构件对管道系统甚至整体结构的支撑都有重要作用。宋旭亮等[5]通过纵向抗震支吊架拟静力试验研究为纵向抗震支吊架的设计提供了方案。曾德民等[6]研究并发现当荷载作用方向平行于斜撑方向时抗震支吊架的承载力最小。而王涛等[7]在传统支吊架的基础上模拟研究了新型自复位耗能抗震支吊架的性能。目前针对不同支吊架性能的研究的方法有实验加载以及模拟验证等。贺思维等[8]提供了一种地震动加载以及一种人工地震波加载方案。Mokhtari Fardad[9]提出了一种结构多单元地震混合模拟框架模型。综上,抗震支吊架的使用提高了管道结构的抗震能力,但抗震支吊架自身结构刚度较大,如遇上高烈度地震亦会导致管道抗震系统发生破坏。基于此,在限位U型软钢阻尼器基础上,设计了一款铰接阻尼抗震支吊架。以目前常用的消防管道为例,对安装铰接阻尼支吊架的结构进行了力学分析,分析过程中采用三向地震动激励,提取了管道的位移、加速度、应力及滞回曲线等指标。

1 铰接阻尼支吊架设计

1.1 铰接阻尼支吊架设计

铰接阻尼支吊架设计如图1所示。

图1 铰接阻尼支吊架

从图1可以看出,铰接阻尼器支吊架由竖向支撑和斜撑组成,竖向支撑由C型槽钢通过螺杆固定于全牙长螺杆上,全牙螺杆通过绞接件与结构层和夹管箍相连。而斜撑中设有限位U型软钢阻尼器,斜撑的上部铰接于锚栓连接件,下端利用抗震连接件铰接于夹管箍。图1中的软钢阻尼器采用限位U型软钢阻尼器,其设计如图2所示。图2中U型软钢阻尼器主要由连接板2与连接板3和U型软钢板5组成。U型软钢板5通过螺栓4固定于连接板2与连接板3之间,U型软钢阻尼器1通过螺栓孔6与铰接件连接组成斜撑。

图2 限位U型软钢阻尼器

所选限位U型软钢阻尼器的最大恢复力见式(1)[10]:利用公式(1)可以对确定吨位的阻尼器具体尺寸进行设计。

F=53.95e0.25t+47.8W0.018-186.569

(1)

式(1)中:F为最大恢复力(KN);t为U型软钢板厚(mm);W为U型软钢板宽(mm)。

1.2 有限元模型设计

以目前常用消防管道为例,传统承重支吊架间距取4m,侧向抗震支吊架间距取6m,纵向抗震支吊架间距取12m,铰接阻尼支吊架布置位置同抗震支吊架。利用ANSYS软件对此结构进行数值建模,模型中采用Combin40单元对铰接阻尼支吊架进行模拟,三种模型如图3所示。

从图3可以看出,工况一主要由1根8m长DN100管道,2套承重支吊架组成;工况二主要在工况一的基础上增设1套侧向抗震支吊架;工况三主要在工况一的基础上增设1套侧向铰接阻尼支吊架。其中,采用50×50×3的角钢作为承重支吊架的竖向吊杆,采用41×41×2的C型槽钢作为抗震支吊架竖向吊杆及其斜撑,斜撑倾斜角取45°。

2 铰接阻尼支吊架力学分析

2.1 加载方案

为对比不同地震烈度下管道系统位移、应力以及加速度的响应,对第二节所建立的结构分别在7,8和9度设防烈度下进行三向地震激励,其中,三个方向的峰值加速度x:y:z=1:0.85:0.65,按照现行抗震设计规范,选取Elcentro波、Taft波和一条人工合成波,地震波时间间隔0.02s,波长20s。具体加载工况见表1。

表1 加载工况

图3 管道分析简图

2.2 位移减振效果

减振率计算见公式(2)。

Ψ=(A0-A1)/A0×100%

(2)

式(2)中;Ψ为减振率,A0代表无抗震装置情况下结构的最大反应;A1代表有抗震装置情况下结构的最大反应。

通过分析,对管道端部位移幅值进行了提取,具体数据见表2。

由表2中数据可知,三种不同的抗震设防烈度下,工况一的位移幅值均远远大于其余两种工况的位移幅值,表明无抗震支吊架情况下,结构的水平位移很难控制。当抗震设防烈度达到8度及以上时候,工况一下所有竖向支吊架已完全破坏失效,因此不再考虑其减振率。设计有抗震支吊架和铰接阻尼支吊架的管道,在地震烈度分别为7度和8度时,二者的位移幅值减振率基本相当,均达到30%以上,但在9度设防情况下,设置抗震支吊架损坏,而铰接阻尼支吊架仍然可以发挥作用,Taft波作用下位移幅值减振率最高仍可达40.2%。

2.3 加速度减振效果

通过分析,对管道端部加速度幅值进行了提取,具体数据见表3。

表2 位移幅值减振率

表3 加速度幅值减振率

由表3可知,当抗震设防烈度为7度时,由于支吊架增加了结构的刚度,造成管道体系加速度被放大。当抗震设防烈度为8度时,管道体系加速度被降低,而当烈度达到9度,Elcentro波和Taft波下,铰接阻尼支吊架的加速度减振率仍可达40%以上,但传统的抗震支吊架基本失效。铰接阻尼支吊架由于采用限位U型软钢阻尼器,降低了斜撑的刚度,同时提供了合理的阻尼,消耗掉一部分地震输入的能量,因此结构得到了保护。

2.4 应力云图分析

利用ANSYS软件得到铰接阻尼支吊架在不同地震波作用下的应力云图,以400cm/s2Elcentro波为例,其应力分布如图4所示。

从图4中的应力分布可以看出,铰接阻尼支吊架的受力明显更加均匀合理,无应力集中现象。结构最大应力分析数据结果见表4。

表4 结构最大应力结果

由表4可知,随着地震烈度的增加,工况一下结构应力远超屈服强度发生破坏。加入抗震支吊架和铰接阻尼支吊架的工况下,结构由于加入耗能构件而得到保护,二者最大应力水平相当。

2.5 铰接阻尼支吊架滞回曲线分析

对三种地震波下铰接阻尼支吊架的滞回曲线进行提取,其中620cm/s2峰值加速度下,提取结果如图5所示。

图5 铰接阻尼支吊架滞回曲线

由图5可知,在加速度峰值为620cm/s2的三种不同地震波作用下,限位U型软钢阻尼器的工作位移分别在-16.4mm～20.7mm之间,-13.9mm～18.3mm之间,以及-7.9mm～9.2mm之间,同时出力稳定。从图中的滞回曲线发现,三种工况下铰接阻尼支吊架的滞回曲线均饱满,说明其滞回耗能能力较强,满足工程使用要求。

3 结 论

为避免高烈度地震作用下抗震支吊架发生破坏的问题,在限位U型阻尼器基础上,提出了一种铰接阻尼支吊架,利用有限元软件建立了其数值模型,通过力学分析得出以下结论:

(1)铰接阻尼支吊架相较于抗震支吊架而言刚度小、受力均匀。在相同位移加载条件下铰接阻尼支吊架无明显应力集中现象。

(2)在抗震设防烈度为7,8度条件下,抗震支吊架和铰接阻尼支吊架具备相当的减振效果。但在9度设防情况下,铰接阻尼支吊架对管道的减振效果优于抗震支吊架。

(3)铰接阻尼支吊架中,U型软钢阻尼器滞回曲线饱满,说明其具备耗散地震能量保护管道结构不破坏的能力。