新型抗震支吊架振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

鄭力暢，齊行軍，莊 建，許國山，李東軍

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程災(zāi)變與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150090；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程智能防災(zāi)減災(zāi)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍 江哈爾濱 150090；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)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(jié)構(gòu)數(shù)量較多，地震作用的不可預(yù)測(cè)性和突發(fā)性帶來了較大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。在很多次地震災(zāi)害報(bào)告中可以看到［1－3］：很多主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震中的損壞通常是很小的，而很多非結(jié)構(gòu)構(gòu)件卻破壞慘重，對(duì)救災(zāi)活動(dòng)造成很大的影響甚至?xí)鸫紊鸀?zāi)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(dǎo)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(zāi)害的傷亡情況更加嚴(yán)重［4］。導(dǎo)致這種情況發(fā)生的原因是由于針對(duì)主體結(jié)構(gòu)的抗震規(guī)范設(shè)計(jì)已經(jīng)非常成熟了，而對(duì)于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震卻還處于初級(jí)階段。

抗震支吊架就是典型的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，作用是限制附屬機(jī)電工程設(shè)施產(chǎn)生位移，控制設(shè)施振動(dòng)，并將荷載傳遞至承載結(jié)構(gòu)上的各類組件或裝置。抗震支架在地震中應(yīng)對(duì)建筑機(jī)電工程設(shè)施給予可靠的保護(hù)，承受來自任意水平方向的地震作用。經(jīng)抗震加固后的建筑給水排水、消防、供暖、通風(fēng)、空調(diào)、燃?xì)狻崃Α㈦娏屯ㄓ嵉葯C(jī)電工程設(shè)施，當(dāng)遭遇到本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的地震發(fā)生時(shí)，可以達(dá)到減輕地震破壞，減少和盡可能防止次生災(zāi)害的發(fā)生，從而達(dá)到減少人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失的目的。

一直以來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(yàn)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(shè)置了有無抗震支吊架下的兩種醫(yī)療管道系統(tǒng)并進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，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(yīng)，但卻不能減小加速度響應(yīng)；尚慶學(xué)等［7］針對(duì)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(jìn)行了9 組擬靜力試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)螺桿式抗震支架的承載力最高。研究結(jié)構(gòu)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(píng)估的一種方法；賀思維等［8］通過往復(fù)加載試驗(yàn)對(duì)建筑給水管道進(jìn)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(dòng)臺(tái)試驗(yàn)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(duì)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(jié)滑移影響，得到了橋梁抗倒塌性能的時(shí)變規(guī)律。

目前，國內(nèi)外學(xué)者大多通過擬靜力試驗(yàn)和擬動(dòng)力試驗(yàn)對(duì)支吊架的懸掛系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)分析［12］，不能充分反映支吊架系統(tǒng)與管道系統(tǒng)在實(shí)際地震作用下的真實(shí)響應(yīng)及整體位移變化情況。此外，針對(duì)支吊架抗震性能的有限元分析僅局限于構(gòu)件的位移與加速度變化，并未對(duì)其進(jìn)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(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，給出實(shí)際地震作用下不同工況的整體響應(yīng)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(shè)計(jì)

在機(jī)電安裝工程中，支吊架系統(tǒng)屬于基礎(chǔ)性部件，對(duì)管線管道的保護(hù)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(gòu)成。成品支吊架的所有構(gòu)件都是在工廠提前制作好，可以直接運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝拼接，安裝過程中無需焊接和鉆孔。可以方便的進(jìn)行拆和改調(diào)整，拆卸下的配件和槽鋼都可以重復(fù)使用，整個(gè)安裝過程都十分方便且簡(jiǎn)單。其優(yōu)點(diǎn)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(jìn)行制造，具有良好的延展性，較高的強(qiáng)度和良好的韌性。缺點(diǎn)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(duì)抗地震作用力，可能會(huì)發(fā)生支吊架系統(tǒng)過度搖晃導(dǎo)致掉落而造成嚴(yán)重的次生災(zāi)害。

圖1 成品支吊架Fig.1 Finished hanger

1.2 抗震支吊架的設(shè)計(jì)

單管側(cè)向支吊架是根據(jù)地震載荷的特點(diǎn)情況設(shè)計(jì)的側(cè)向支撐作用的支架。抗震支吊架主要包括吊桿、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(hù)整個(gè)管線系統(tǒng)不會(huì)在地震作用下造成側(cè)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(jìn)行加強(qiáng)，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(yù)緊力螺栓需要擰緊至螺栓頭部脫落，使螺栓壓進(jìn)槽鋼，保證結(jié)構(gòu)連接牢靠。抗震連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(jié)構(gòu)。在整個(gè)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(duì)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(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 加載框架

抗震支吊架的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)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(yīng)對(duì)支吊架的影響，需保證其剛度足夠大，特別是加載激勵(lì)方向的剛度，因此在設(shè)計(jì)時(shí)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(diǎn)構(gòu)造示意圖見圖4。

表1 構(gòu)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(diǎn)構(gòu)造示意圖Fig.4 Schematic diagram of joints

2.2 試驗(yàn)布置方案

試驗(yàn)采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)與抗震試驗(yàn)中心3 m×4 m 的單向加載電液伺服地震模擬振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行加載，最大負(fù)載12 t，可實(shí)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(yàn)設(shè)置了成品支吊架與抗震支吊架兩組試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，管道系統(tǒng)以及支吊架均按相關(guān)規(guī)范要求設(shè)計(jì)安裝［13－15］，兩組所采用的管道系統(tǒng)配置完全一致。測(cè)量系統(tǒng)共使用6 個(gè)通道，包括3 個(gè)量程為±300 mm 的LVDT 位移計(jì)，3 個(gè)PVB 加速度計(jì)，分別測(cè)量加載框架以及兩條管道系統(tǒng)的響應(yīng)，具體的傳感器布置方案見圖5。

圖5 測(cè)點(diǎn)布置方案Fig.5 Layout of measuring points

該試驗(yàn)還設(shè)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(yīng)。管道均預(yù)先充水打壓至1.0 MPa 以模擬供水管道系統(tǒng)的真實(shí)工作狀態(tài)［16］。地震加載激勵(lì)方向?yàn)轫樄芟颉?/p>

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

2.3 地震動(dòng)及加載方案

根據(jù)設(shè)防烈度、地震分組和場(chǎng)地類別確定匹配的目標(biāo)反應(yīng)譜［17］，選取了2組天然地震動(dòng)與1組人工合成地震動(dòng)，分別是El Centro（NS，1940）地震動(dòng)、Taft 地震動(dòng)和人工合成地震動(dòng)，其加速度時(shí)程曲線如圖7 所示，反應(yīng)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(yàn)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(jié)構(gòu)或地面一層結(jié)構(gòu)。由于供水管道設(shè)于地下室頂棚或者底層的吊頂內(nèi)，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(yùn)動(dòng)，可以直接以實(shí)際地面記錄加速度作為輸入。本文以地震動(dòng)記錄為輸入開展振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，未考慮多高層結(jié)構(gòu)的樓層放大作用效應(yīng)。

表2 加載工況Table 2 Loading condition

圖7 地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線Fig.7 Acceleration time-history of ground motion

圖8 地震反應(yīng)譜Fig.8 Seismic response spectrum

取PGA=0.11 g 時(shí)框架與臺(tái)面的位移和加速度時(shí)程進(jìn)行對(duì)比，并分別進(jìn)行頻譜分析得到圖9。可以看到位移與加速度時(shí)程基本吻合，兩者的頻譜也基本一致。對(duì)頻譜最大值點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(fù)現(xiàn)效果較好。

圖9 地震作用復(fù)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(yàn)結(jié)果與分析

3.1 結(jié)構(gòu)響應(yīng)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(yīng)、加速度響應(yīng)的時(shí)程對(duì)比（圖中給出的相對(duì)位移值為管道絕對(duì)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(guān)心構(gòu)件反應(yīng)的幅值以及在地震作用時(shí)間內(nèi)構(gòu)件響應(yīng)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(duì)抗震支架的減振效果進(jìn)行評(píng)估（其中KZ表示抗震支吊架下的管道系統(tǒng)）［18］。對(duì)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(dá)到了80%以上，DN100 的管道系統(tǒng)甚至達(dá)到了96.03%，抗震支吊架對(duì)于管道系統(tǒng)的位移響應(yīng)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(jié)束的時(shí)候并沒有即時(shí)回到初始位置并停止運(yùn)動(dòng)，特別是DN200 管道系統(tǒng)，進(jìn)行一段時(shí)間的自由振動(dòng)，這對(duì)于加載框架以及管道本身都存在一定的危險(xiǎn)隱患。而且結(jié)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(yīng)。

圖10 管道相對(duì)位移時(shí)程曲線Fig.10 Time history curve of relative displacement of water pipe

圖11 管道加速度時(shí)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(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷概率與地震動(dòng)大小的關(guān)系［19－20］。在特定的地震作用下，結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件的地震響應(yīng)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(jié)構(gòu)承載力服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布［21］，那么其函數(shù)關(guān)系式如式（1）所示：

式中：D為地震需求；C為結(jié)構(gòu)承載力；IM 為地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)，即峰值加速度（PGA）；μC，βC和μD，βD分別為結(jié)構(gòu)抗震能力和地震需求的均值和對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差。

CORNELL 等［22］假定地震需求D和地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)IM 在對(duì)數(shù)尺度上呈線性相關(guān)，可以得到地震需求D與地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)IM的函數(shù)關(guān)系，如式（2）所示：式中：a和b為通過對(duì)非線性時(shí)程分析結(jié)果的回歸分析所確定的系數(shù)。

地震動(dòng)強(qiáng)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(dòng)下的最大相對(duì)位移進(jìn)行對(duì)數(shù)線性回歸分析，得到了最大相對(duì)位移（MaxDisp）和PGA之間的擬合函數(shù)關(guān)系式及其擬合曲線，如圖12所示。

圖12 最大相對(duì)位移與PGA的關(guān)系Fig.12 Maximum relative displacements and PGA

根據(jù)《建筑機(jī)電設(shè)備抗震支架通用技術(shù)條件》（CJ/T 476―2015）［13］規(guī)定，取μc=50 mm，βc=0.0，相應(yīng)的易損性曲線見圖13（a）。結(jié)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(shí)，DN200 的最大位移響應(yīng)明顯小于DN100 管道和DN100×2 管道。在峰值加速度為0.168 g 時(shí)，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(duì)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(duì)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(gòu)件所處環(huán)境的地震動(dòng)強(qiáng)度范圍內(nèi)（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(dòng)記錄輸入振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果完成了易損性分析，未考慮多高層結(jié)構(gòu)的樓層放大作用效應(yīng)。

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

4 結(jié)論

本文對(duì)位于地下結(jié)構(gòu)的成品支吊架與抗震支吊架進(jìn)行了順管向地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)比驗(yàn)證分析了抗震支吊架在順管向的抗震性能，并對(duì)成品支吊架和抗震支吊架的管道系統(tǒng)進(jìn)行了易損性分析。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及易損性分析結(jié)果得到主要結(jié)論如下：

（1）在順管向地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，抗震支吊架的位移減振率均能達(dá)到80%～90%，DN100 管道的減振率甚至達(dá)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(duì)于加速度響應(yīng)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(jié)束的時(shí)候會(huì)進(jìn)行一段時(shí)間的自由振動(dòng)，不能即時(shí)停止運(yùn)動(dòng)并回到初始位置。重量越大的管道，自由振動(dòng)的幅度和時(shí)間也就越長(zhǎng)，這對(duì)于加載框架以及管道本身都會(huì)造成損傷，存在一定的危險(xiǎn)隱患。

（3）在不同的地震動(dòng)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(shè)防烈度相當(dāng)?shù)牡卣鹱饔脮r(shí)，成品支吊架下的管道系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p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(jié)論，但僅截取部分管道進(jìn)行試驗(yàn)，后續(xù)研究可采用實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)方法考慮管道之間的約束作用。另外，針對(duì)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(diǎn)，以地面運(yùn)動(dòng)加速度為激勵(lì)輸入開展了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，未考慮多高層結(jié)構(gòu)的樓層放大作用效應(yīng)，因此本文僅對(duì)地下結(jié)構(gòu)或地面一層結(jié)構(gòu)的抗震支架有指導(dǎo)意義。針對(duì)多高層結(jié)構(gòu)的樓層放大作用效應(yīng)值得進(jìn)一步研究。

致謝

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