摘要：随着中国建筑业的持续发展,绿色建筑、智能建筑、装配式建筑成为主要方向。中国是地震灾害高发地区,全国地震带约有23个,在我国近代历史上共发生7.0级以上的大地震14次,对人民的生命财产造成了巨大损失。因此,2015年我国第一部国家标准GB50981-2014《建筑机电工程抗震设计规范》颁布,其中明确规定了抗震支吊架的设计与使用。该标准自2015年8月1日起实施,也意味着自此之后的建筑机电工程必须要考虑抗震支吊架了。
关键词：建筑机电工程；抗震支吊架；应用
1抗震支吊架的定义
抗震支吊架是用于支承水管、风管、桥架等机电管线设备并提供抗震支撑的支吊架产品。依据GB50981-2014《建筑机电工程抗震设计规范》,抗震支吊架的定义是:与建筑结构体牢固连接,以地震力为主要荷载的抗震支撑设施。由锚固体、加固吊杆、抗震连接构件及抗震斜撑组成。
2有限元模型验证
2.1支吊架室内拉伸试验
对某抗震支吊架构件进行室内拉伸试验。采用的支吊架螺杆有效高度为500mm,材料为Q235钢。支吊架固定在管道上,用螺杆和螺母使支吊架与拉力机相连接,拉力机对支吊架缓慢施加拉伸载荷,试验过程中记录拉伸载荷和支吊架伸长量。
2.2有限元模拟与试验结果对比
采用ANSYS进行有限元模拟,支吊架采用薄壁结构,壁厚为2.2mm;采用壳单元建模,单元类型为SHELL181,取Q235钢的材料参数,即弹性模量为210GPa,泊松比为0.33。支吊架结构之间的螺杆连接简化为BEAM连接,并赋予对应的材料和截面尺寸。在支吊架顶部缓慢施加载荷,模拟拉力试验。网格总数为7406个,节点总数为7946个。在支吊架上端施加拉伸载荷,在载荷作用点处设置一个垫片假体,以避免载荷直接作用于支吊架而引发作用点处的应力集中。在数值模拟中,建立横梁模拟室内试验中的管道,横梁设置为刚体,约束横梁的自由度,横梁与支吊架之间为摩擦接触。
分30个载荷步对支吊架数值模型施加拉伸载荷,加载过程近似为静力状态,不考虑加载速率的影响。采用双线性本构模型模拟钢材的屈服特性。由此可知,在拉伸载荷作用下,支吊架结构的最大等效应力为612.71MPa,出现在支吊架顶部载荷施加位置。
由此可知,数值模拟中支吊架的变形形式与室内拉伸试验一致,两者的最大变形位置均发生在顶部加载区域,两个螺栓孔区域都有向内凹的趋势,底部的圆形截面均被拉长。
进一步对比数值模拟和室内试验的载荷-变形曲线。由此可知,数值模拟得到的载荷-变形曲线与室内试验曲线吻合较好,当拉伸载荷达到4394N(最大拉伸载荷)时,数值模型的最大拉伸量为37.84mm,室内试验支吊架的最大拉伸量为36.21mm,模拟误差仅为4.5%,可见有限元模型能够较好地反映实际支吊架产品的拉伸性状。
不论数值模型还是室内试验,拉伸曲线的初始阶段基本为线性段,此时支吊架处于弹性拉伸状态;随着载荷的增加,支吊架出现明显的非线性变形特征,即支吊架结构发生明显的塑性变形。
2地震作用下支吊架的力学性能分析
2.1数值建模
采用有限元法建立风管抗震支吊架的数值模型。斜撑采用壳单元建模,单元类型选用SHELL181;接头连接处采用实体单元建模,单元类型为SOLID185,螺栓简化为BEAM188单元;同时采用多点约束,限制螺栓与接头、斜撑等结构件之间的自由度。网格总数为103535个,节点总数为57351个。支吊架结构的材料取Q235钢,其弹性模量为210GPa,泊松比为0.33。
2.2结果分析
在新松波、Elcentro波和Tafts波作用下,支吊架结构的最大等效应力分别为221、222和209MPa,最大等效应力出现的时间分别为第9.5、8.5和13.0s。数值模型所对应的材料为Q235钢,其屈服强度为235MPa,极限抗拉强度为375～460MPa。因此,在3种地震波作用下,结构的最大等效应力均小于材料的屈服强度和极限抗拉强度,支吊架结构强度满足要求。以新松波地震载荷为例。由此可知,斜撑的接头处为整个支吊架结构中等效应力最大的区域,可以预见,如果支吊架结构在地震中发生破坏,最易发生破坏的区域即为斜撑与接头的连接处。
由此可知,在新松波、Elcentro波和Tafts波作用下,支吊架结构的最大变形量分别为9.5、9.6和8.9mm,且最大变形发生的时刻与结构最大等效应力发生的时刻保持一致。
支吊架结构的斜撑均通过螺栓与建筑物主体结构的混凝土连接,螺栓规格为M12(即公称直径为12mm)。采用材料力学第四强度理论对螺栓强度进行校核,公式为
式中:σ为正应力;Fz为轴向力;d为螺栓直径;τ为剪应力;Fs为剪切力;σc为复合应力。
在3种地震波作用下,计算得到的螺栓最大复合应力见表1。由此可知,在3种地震波作用下,螺栓最大复合应力均远小于Q235钢的屈服强度235MPa,说明连接螺栓的强度满足要求,不会发生破坏。
3抗震支吊架设计优化与BIM应用
机电综合管线布置已成为安装专业成败的关键,BIM技术的应用大大提高了管线布置的合理性、前瞻性。因此抗震支吊架在前期的深化设计也可以借助BIM进行优化设计,主要体现在以下方面。
弥补原设计的不足,减少因此造成的各种损失。抗震支吊架与普通支吊架的协调布置,同时施工,及满足了抗震设计要求也可以合理节约成本。由于抗震支吊架相比普通支吊架占用空间更大,因此在狭窄和管线密集区域如不提前规划将无法正常安装,返工、杂乱无章、无检修空间的现象不可避免。BIM的应用很好地解决了这一难题。
4抗震支吊架安装范围
依据GB50981-2014《建筑机电工程抗震设计规范》:第1.0.4条(强条)规定抗震设计烈度为6度及6度以上地区的建筑机电工程必须进行抗震设计。第3.1.6条条文说明规定了需进行抗震设防的内容:(1)悬吊管道中重力大于1.8kN的设备;(2)DN65以上的生活给水、消防管道系统;(3)矩形截面面积大于等于0.38㎡和圆形直径大于等于0.7m的风管系统;(4)对于内径大于等于60mm的电气配管及重力大于等于150N/m的电缆梯架、电缆槽盒、母线槽。第3.1.8条规定穿过隔震层的建筑机电工程管道应采用柔性连接或其他方式,并应在隔震层两侧设置抗震支吊架。第4.1.2.1条规定8度、9度地区的高层建筑的给水、排水立管直线长度大于50m时,宜采取抗震动措施;直线长度大于100m时,应采取抗震动措施。第4.1.2.3条规定需要设防的室内给水、热水以及消防管道管径大于或等于DN65的水平管道,当其采用吊架、支吊架或托架固定时,应按要求设置抗震支承。第5.1.2.4条规定锅炉房、制冷机房、热交换站内的管道应有可靠的侧向和纵向抗震支撑。多根管道共用支吊架或管径大于等于300mm的单根管道支吊架,宜采用门型抗震支吊架。第5.1.3.3条规定矩形截面面积大于等于0.38㎡和圆形直径大于等于0.70m的风道可采用抗震支吊架。第5.1.4条(强条)规定防排烟风道、事故通风风道及相关设备应采用抗震支吊架。第5.1.5.4条规定重力大于1.8kN的空调机组、风机等设备不宜采用吊装安装。当必须采用吊装时,应避免设在人员活动和疏散通道位置的上方,但应设置抗震支吊架。第6.1.1条规定内径大于或等于25mm的燃气管道应进行抗震设计,管道抗震支吊架的设置应符合规定。第6.2.8条规定在建筑高度大于50m的建筑物内,燃气管道应根据建筑抗震要求,在适当的间隔设置抗震支撑。第7.1.2条规定内径不小于60mm的电气配管及重力不小于150N/m的电缆梯架、电缆槽盒、母线槽均应进行抗震设防。
结论
抗震支吊架在机电工程中已经得到了充分的验证,配合运用BIM技术,进行模拟化施工,既能满足抗震要求,又能满足空间的协调性和节约成本,将是近期发展的方向。
参考文献：
[1]黄剑雄.建筑电气抗震支吊架设计[J].福建建设科技,2018(02):83-86.
[2]朱浩樑,梁启慧,丁幼亮,任普,钱东升.时程分析法在高层建筑抗震支吊架抗震设计中的应用研究[J].工程建设与设计,2018(03):53-55+58.
论文作者:秦俊军,王晓玲,扈彩灵
论文发表刊物:《建筑实践》2019年第10期
论文发表时间:2019/10/29
标签：吊架论文; 载荷论文; 应力论文; 螺栓论文; 结构论文; 管道论文; 数值论文; 《建筑实践》2019年第10期论文;