通信机房走线架悬吊杆布置方式研究

屈文俊　董浪　朱鹏

摘要：基于生命线工程的抗震设防要求，开展了通信机房走线架悬吊杆垂直布置、梯形布置和混合布置下吊挂系统的抗侧性能研究；采用理论方法推导了3种布置方式下吊挂系统的抗侧刚度，并采用有限元分析软件ANSYS加以验证；对3种布置方式下吊挂系统的抗侧刚度进行比较分析。研究结果表明：悬吊杆垂直布置和梯形布置时走线架吊挂系统抗侧刚度小，主要由重力刚度决定；悬吊杆混合布置时吊挂系统具有较大的初始抗侧刚度；悬吊杆混合布置时吊挂系统满足“小震不坏，大震不倒”的抗震设防要求，是一种比较合理、高效的布置方式。

关键词：通信机房；走线架；吊挂系统；悬吊杆；布置方式；抗侧刚度

中图分类号：TU323文献标志码：A

0引言

走线架吊挂系统通过柔性悬吊杆与主体结构连接，将走线架上的荷载传递到主体结构上。国外走线架结构主要应用于核电系统，用来承载核电站内电缆的质量，学者对核电站电缆桥架的抗震性能进行了广泛研究[12]。吊挂系统也被应用于建筑结构的抗震减震，理论分析和试验研究表明该系统具有良好的抗震性能，是一种较好的抗震结构[37]。既有通信机房走线架吊挂系统作为吊挂结构的一种，符合自然传力原理，能够充分利用构件的力学性能，其抗侧刚度小，自振周期大，能有效地避开场地的卓越周期，地震作用较小。然而吊挂系统在水平力作用下的水平位移难以得到有效控制[810]，从而危及线缆工作。因此需要对吊挂系统的抗侧刚度进行控制，以保证系统的抗震性能和控制结构的侧移在合理的范围内。可以通过在吊挂系统中增加斜拉杆抗侧构件[11]或设置交叉斜撑改善吊挂系统的抗侧性能，但这2种方式均需要设置附加杆件。本文中笔者通过理论方法推导悬吊杆垂直布置、梯形布置和混合布置下吊挂系统的抗侧刚度，并建立有限元模型进行验证。通过分析比较3种悬吊杆布置方式下吊挂系统的抗侧性能，提出一种合理、高效的悬吊杆布置方式。

1悬吊杆垂直布置吊挂系统抗侧性能

1.1吊挂系统抗侧刚度理论分析

既有通信机房走线架悬吊杆基本上都采用垂直布置，见图1，其中，M为悬吊杆间距范围内走线架等效质量，g为重力加速度，H′为走线架离楼板的距离，B为走线架桥架宽度。走线架悬吊杆顶部通过适当的方式锚固于结构楼板，桥架通过较短的支撑杆连接成整体，桥架刚度远大于吊杆刚度，可视为无穷刚性杆。悬吊杆端部约束状态介于铰接和刚接之间，现分别按支座铰接和刚接计算吊挂系统的抗侧刚度。

1.2吊挂系统抗侧刚度数值分析

进行数值分析时，需确定走线架基本数据。假定悬吊杆为圆形截面，直径d=0.01 m。悬吊杆材料的弹性模量E=206 GPa，H=2.0 m，B=0.6 m，吊杆间距为2 m，走线架上等效荷载为2 kN·m-1，经计算吊杆间距范围内的走线架等效质量M=400 kg；考虑悬吊杆顶端刚接，运用ANSYS建立有限元模型，进行模态分析。悬吊杆根据实际情况建模，采用Beam188单元进行模拟。桥架建模时也采用Beam188单元模拟，但截面尺寸取值远大于悬吊杆。为了考虑重力刚度，在进行模态分析前，打开预应力效应开关，先施加重力加速度进行静力求解，再进行模态分析。系统自振频率ω=2.35 rad·s-1，抗侧刚度KA1=Mω2=2 209 N·m-1。

可以在建立的ANSYS模型桥架一端施加水平荷载，计算荷载侧移曲线，更直观地观察系统的抗侧刚度。施加水平荷载前，先施加重力加速度进行静力求解。悬吊杆垂直布置吊挂系统水平荷载侧移曲线如图3所示。荷载侧移曲线并不是一条直线，这意味着系统切线抗侧刚度是变化的。随着侧移增大，系统的切线抗侧刚度不断增大，且增长幅度越来越大（图4），切线抗侧刚度由图3中相邻数据点的割线刚度近似计算，抗侧刚度侧移曲线变化趋势可从以下2方面进行解释：①由于悬吊杆的弯曲变形，使质量点到悬吊点的距离不断减小，由式（2）可知系统重力刚度不断变大；②悬吊杆可视作悬臂构件，其切线抗侧刚度随着变形的增大而不断增大。

从图4可以看出，当侧移较小时，切线抗侧刚度变化较小，即荷载侧移曲线在侧移较小时近似为直线。模态分析时考虑小变形，且实际工程中吊挂系统不会发生过大变形，可偏小地将零点切线刚度作为系统的抗侧刚度。为计算方便，将F=1 N时的割线刚度作为零点切线抗侧刚度，即系统抗侧刚度。当F=1 N时，侧移D=4.53×10-4 m，抗侧刚度KA2=F/D=2 207.5 N·m-1，与ANSYS模态分析得到的结果非常接近，仅相差0.07%。

表1为悬吊杆顶端铰接和刚接时吊挂系统抗侧刚度的计算结果。悬吊杆顶端刚接时，根据式（5）计算的抗侧刚度比ANSYS分析结果大9.87%，而式（4）计算结果比ANSYS分析结果小7.88%，简化式（4）的计算精度满足工程要求，计算结果偏小。悬吊杆顶端铰接时，系统抗侧刚度比顶端刚接时的ANSYS计算结果小11.27%，这主要是由于通信机房走线架悬吊杆截面小，其抗弯刚度对系统抗侧刚度的贡献很小，抗侧刚度主要由重力刚度决定。

实际工程中，悬吊杆顶端不能保证刚接，且吊挂支座约束状态铰接刚接计算依据式（2）式（4）式（5）ANSYS抗侧刚度/（N·m-1）1 9602 0352 4272 209注：ANSYS分析结果取模态分析结果。

系统抗侧刚度主要由重力刚度决定，悬吊杆垂直布置时吊杆系统的抗侧刚度可直接按式（2）进行计算。

2悬吊杆梯形布置吊挂系统抗侧性能

2.1吊挂系统抗侧刚度理论分析

悬吊杆梯形布置时悬吊杆与楼板不垂直，可分为正梯形布置[图5（a）]和倒梯形布置[图5（b）]。图5中，A为悬吊杆悬吊点间距。

悬吊杆悬吊点间距A=1.3 m，其余数据与第1.2节中相同，建立系统的ANSYS有限元模型，支座处采用刚接，建模方式和计算方法与第1.2节中相同。吊挂系统自振频率ω=2.41 rad·s-1，抗侧刚度KA1=Mω2=2 323.2 N·m-1。悬吊杆梯形布置吊挂系统水平荷载侧移曲线如图8所示，悬吊杆梯形布置吊挂系统切线抗侧刚度侧移曲线如图9所示。荷载侧移曲线和切线抗侧刚度侧移曲线变化趋势与悬吊杆垂直布置时相同，且切线抗侧刚度与悬吊杆垂直布置相比变化程度更大。除了第1.2节中分析的2个方面原因外，梯形布置吊挂系统在水平荷载作用下会在2个悬吊杆中分别产生拉力和压力，阻碍系统的侧向变形，从而使系统切线抗侧刚度进一步增大。与第1.2节中相同，为计算方便，近似将F=1 N时的割线刚度作为零点切线抗侧刚度，即系统抗侧刚度。当水平荷载F=1 N时，侧移D=4.27×10-4 m，计算得到抗侧刚度KA2=2 341.9 N·m-1，与模态分析结构仅相差0.8%。