简析提高抗震支架精简率的方式方法

2018-06-09刘海宝LiuHaibao

住宅科技 2018年4期

■ 刘海宝 Liu Haibao

0 引言

建筑机电抗震系统，以荷载力学为基础，将管道、风管、桥架等机电设施牢固连接于已做抗震设计的建筑体，限制附属机电工程设施产生位移，控制设施振动，并将荷载传递至承重结构上的各类组件或装置。

在2008年之前，国内项目应用基本无机电抗震的概念。5.12汶川地震后，建设部对原《建筑抗震设计规范》（GB50011—2001）先后两次进行紧急修订，于2014年10月9日正式增补并颁布了《建筑机电工程抗震设计规范》（GB50981—2014）（以下简称《规范》）为国家标准。这意味着国内建筑机电抗震支撑系统已从空白转向全面覆盖，且自2015年8月开始，要求全国范围内建筑机电领域必须强制性进行设计、安装和验收。

现阶段，抗震支架普遍设计思路为增设斜支撑以抵消地震水平力的影响，以保证机电设施保持稳定与完好。其中，斜向支撑与管吊架的连接都是以固定连接件形式出现，如连接座形式、铰链形式等。因此，作为支架系统中最薄弱的连接环节，保证固定连接件冲击强度处于合理范围，成为判断抗震支架实际作用的重要依据。

1 抗震支架结构

1.1 侧向支撑结构

所谓侧向支撑（图1），是指抗震支架增设的斜支撑水平投影方向垂直于管道轴线。侧向支撑用以抵消地震水平荷载中关于垂直于管线方向的荷载，防止管线在地震中的侧晃运动，是整个抗震支撑系统中运用最多的支撑形式。

支撑设置间距及最大设计间距可参阅《规范》相关内容。

1.2 纵向支撑结构

所谓纵向支撑（图2），是指斜支撑水平投影方向平行于管道轴线。纵向支撑用于消除地震水平荷载中平行于管线方向的荷载，防止管线在地震中整体纵向位移。不同于侧向支撑，纵向支撑在系统中设置的数目较少，每个直管段应至少设置一个纵向支撑支吊架，当两个纵向支撑间距超过设计最大间距，需要按《规范》第8.2.3条要求间距增设纵向支架。

1.3 双向支撑结构

综合了侧向支撑和纵向支撑两种支撑形式特点的支撑结构即为双向支撑结构，又称四向支架（图3），一般适用于机电管线较多、支架承重较大的情况。

图1 侧向抗震支撑

图2 纵向抗震支撑

2 针对固定连接件的受力分析

2.1 地震水平荷载的确定

水平方向地震力通过建筑体转达至其内部机电设施，由于转动惯性的影响，该层面机电设施的水平荷载要稍大于同层结构体所受荷载。因此，确定机电设施的水平荷载应先从建筑体入手分析。

为了便于研究，以单层房屋（质量大部分集中于结构顶部）为出发点，建立单质点弹性体系进行分析。所谓单质点弹性体系，是指将结构参与振动的全部质量集中于一点，用无质量的弹性直杆支承于地面上的结构。由结构动力学方法，可以得到单质点弹性体系运动方程：

式中，(t)—地面水平位移加速度；

F(t)—动力荷载；

x(t)—质点相对于地面的相对位移反应，其一阶导数和二阶导数分别对应相对于地面的速度和加速度。

令代入运动方程（1），经简化可得：

以上即为单质点弹性体系在地震作用下的二阶常系数线性非齐次微分方程，它的解包括两个部分：一个是对应于齐次微分方程的通解，代表自由振动；一个是微分方程特解，代表受迫振动。

图3 双向支撑结构

2.1.1 齐次微分方程的通解

根据微分方程理论，其通解为：

式中，ω'—有阻力自振频率，

根据通解结构可知，有阻尼单质点体系为按指数函数衰减的简谐振动。故相比地震影响，自振运动很快衰减可以忽略不计。

2.1.2 地震作用下运动方程的特解

分析方程（5）可知：地面运动加速度直接影响体系地震反应的大小；阻尼比ξ对体系的地震反应有直接影响，阻尼比越大，则弹性反应越小。

由于作用在质点上的惯性力等于质量与其绝对加速度之积，且方向相反，即：

令ω=ω'近似相等，则：

此处，我们只需确定极限状态下的受力情况，保证等式右侧积分部分取得最大值即可[1]。

式中，Fek—水平地震作用标准值；

Sa—质点加速度最大值；

|max—地震峰值加速度；

k—地震系数；

β—动力系数；

mg—动力荷载代表值。

2.2 案例计算分析

华新项目一期3#楼为例，其结构体系为钢筋混凝土框架-核心筒结构，地上22层，地下3层，高度98.4m。每层楼盖、柱墙及非结构性构件总重约为19 600kN。

该楼不可以简单视为单质点体系，需要在此基础上进行修正，其各楼层水平荷载需要在总荷载上按权重分配，楼层愈高权重则愈大：

式中，Fi—i楼层的水平荷载；

Gi、Gj—i、j层重力荷载代表值；

Hi、Hj—i、j楼层计算高度；

δn—顶部附加水平地震作用系数。

将（10）代入3#楼每层重力荷载及对应高度，忽略顶部附加水平载荷，可得如表1所示的各楼层支架连接件的冲击力计算结果。

3 支架结构合理化改进建议

3.1 支架结构改进思路

固定连接件作为组合构件刚性连接吊架（横担）与斜支撑两个部件，将支架所受的水平荷载完全传导至斜支撑。连接件在极短的时间内需要承受极大的冲击力，这对于材料的耐冲击强度要求很高，无形中增加了制作成本，且整个结构的安全性难以得到有效保障。

根据动量定理：

表1 3#楼各楼层支架连接件受力计算值

相同的一次振动传递给支架的能量相同，即对应动能W=mv2/2相同。改进前后的质量变化可以忽略，故上式右侧始终保持相等，视为常量。

减小连接件受力过大的方法就是增加构件接触时间。因此，抗震支架结构的改进可围绕这一思路进行设计。

3.2 支架结构改进形式

抗震支架结构在连接件处接触时间延长，初步设想改刚性连接为弹性连接，并保证斜撑在连接处有一定范围内的活动余量。这样，不仅可以大大增加连接件受力传导的接触时间，还能在一定范围内具有自我调节能力。

图4为改进后的水管支架示意图，其具体连接形式为：改固定连接为导轨式连接，于导轨内填充柔性材料，从而起到缓冲作用。

根据动能定量，计算得改进后支架相同情况下冲击力为：

式中，α—冲击力弱化系数。

其中，冲击力弱化系数可以根据不同楼层的水平荷载变化范围，通过选用不同的卡柄材料与填充材料加以调整，以达到更好的减震效果。

经查阅各种性质材料碰撞时间的相关文献，可以确定：刚体碰撞时间大约在10-5s这个数量级上，而弹性体碰撞时间大约在10-2s左右[2]，若加上填充柔性材料所起到的缓冲作用，其延时效果更加显著。针对以上情况，冲击力弱化系数为0.001，则对应：

图4 改进后的水管支架示意图

式（13）说明同等振动情况下，改进后的支架连接件受力只是原抗震支架该处受力的1/1000。

4 改进后支架可行性分析

4.1 国家政策分析

自5.12汶川地震造成重大生命财产损失后，我国对建筑抗震防震高度关注，先后出台了一系列强制性标准和法律规定。

（1）《中华人民共和国防震减灾法》第35条规定：“重大建设工程和可能发生严重次生灾害的建设工程，应该按照国务院有关规定进行地震安全性评价，并按照经审定的技术安全性评价报告所确定的抗震设防要求进行抗震设防”；“对医院、学校、大型商场、居民住宅小区等人员密集场所的建设工程，应当按照高于当地房屋建筑的抗震设防要求进行设计和施工，采取有效措施，增强抗震设防能力”。

（2）《规范》要求以下条文必须严格执行：①抗震设防烈度为6度及6度以上地区的建筑机电工程设施必须进行抗震设计（1.0.4条）；②防排烟风道、事故通风风道及其设备应采用抗震支吊架（5.1.4条）；③设在建筑屋顶上的共用天线等，应设置防止地震导致设备及其部件损坏后坠落伤人的安全防护措施（7.4.6条）。

这些关于建筑抗震方面的一系列举措，以及对抗震防震产品研发使用的政策性扶持，为抗震支架的大规模生产和投入使用创造了良好的条件和市场环境。