基于ANSYS的管线抗震支架抗震特性研究*

赵金桥, 刘 胜， 马 龙

(上海工程技术大学 机械与汽车工程学院，上海 201620)

0 引 言

在现代建筑中，非结构构件的投资已经占据了整体建筑总资金的绝大部分。根据前人[1]的统计数据：在办公室、酒店、医院的建设中，非结构构件的投资比分别为82%、87%、92%，远高于建筑结构构件的投入。此外，近年来一些学者[2-3]对历年的震害进行总结，发现建筑非结构构件震害主要集中于填充墙、吊顶系统、管线系统、电梯系统等。其中，管线系统的损害曾经造成二次灾害，增大震后救援工作的危险性。而建筑机电管线系统是重要的生命线工程，在甲、乙类建筑建设时，通常需要布置大量的机电管线、通风管线、消防管线等。大量管线系统的投资巨大，因此确保管线系统在地震作用下的正常工作或是减小损害，具有十分重要的经济价值与社会意义。

对于管线系统，很多学者采用振动台试验来研究管线抗震性能。Arash[4]等在Nevada大学进行管线振动台试验研究，研究表明抗震约束会限制管线位移响应。Filiatrault[5]等通过振动台试验，建立了管线系统的易损性曲线。Wood[6]等人通过试验研究抗震支架的力-位移滞回关系，结果表明支架连接件的性能对其力学性能有重要影响。国内学者杨莹[7]等人从技术角度对高层建筑天然气管线进行探讨研究；朱浩樑[8]、尚庆学[9-10]等人分别运用ETABS仿真与试验分析对管线抗震支架进行研究。

根据GB50981-2014《建筑机电工程抗震设计规范》[11]对抗震支架的要求，在地震作用下，通过抗震支架把地震的横向力和纵向力传递到主体结构上，进行综合承载。针对管线系统抗震支架，通常需要分析整体模型的振动特性。针对DN系列单管与纵向抗震支架，建立多自由度体系振动分析模型，使用振型分解反应谱法，通过有限元软件ANSYS进行仿真以验证抗震支架的抗震性能。

1 建立理论模型

1.1 建立多自由度弹塑性分析模型

如图1所示，在地震地面运动作用下，假设地面运动变形为x0,则质点系绝对位移为

则质点的惯性力为

根据d’Alembert原理，地震作用下弹塑性模型动力方程为

(1)

图1 地震作用下多自由度模型Fig.1 Multi-degree of freedom model under seismic action

1.2 振型分解组合法

利用振型向量的正交性，由式(1)可以得到N个关于qs(t)的独立微分方程：

由振型线性组合可得多自由度体系的地震响应：

相应结构恢复力为

其中:{f}s=[K]{u}s

2 有限元模拟与分析

2.1 建立几何模型

采用SolidWorks三维设计软件建立管道系统与抗震支吊架的模型。选择SolidWorks Routing插件进行管道与线路的设计，使用SolidWorks钣金、标准件库及SolidWorks自身建模等功能建立抗震支吊架的三维实体模型。在装配管线与抗震支吊架的过程中，按照安装规范，合理选择抗震支吊架的种类和连接方式。严格遵循《建筑机电工程抗震设计规范》GB 50981-2004中的有关标准与意见。

主要研究对象是对夹式管箍侧向抗震支吊架，对此选取4种不同的工况进行研究，分别是A：DN100管道在无任何措施的工况(简称A工况)；B：DN100管道在有吊架的工况(简称B工况)；C：DN100管道在对夹管箍与吊架分开式侧向抗震支吊架的工况(简称C工况)；D：DN100管道在对夹管箍与吊架一体式侧向抗震支吊架的工况(简称D工况)。

根据不同工况在SolidWorks中，建立DN100管道、吊架、对夹式侧向支架等。详细模型见图2所示，其中图2-a为DN100管线，图2-b为仅用吊架约束的管线，图2-c为对夹吊架分开式侧向抗震支吊架，图2-d为对夹吊架一体式侧向抗震支吊架。

图2 三维模型图Fig.2 3D model diagram

2.2ANSYS分析

2.2.1模型导入与设置材料

通过ANSYS Workbench与SolidWorks的接口，把所需分析三维模型导入Workbench中。在Workbench Design Molder中重新复原三维模型，检查模型的完整性，看是否需要修改。打开Workbench Engineering Data,在其中进行材料属性的设置。

例中支架材料均采用Q235碳素结构钢，连接螺栓使用8.8级螺栓，DN100管道的材料为06Cr19Ni10。材料特性见表1：

表1 材料性能表Table 1 Material performance table

2.2.2 网格划分与边界设置

Workbench中立体模型提供的网格类型有4种，分别为：四面体、棱锥、棱柱与六面体；网格划分方法有6种，分别是：Automatic(自动划分)、Hex Dominant(六面体)、Sweep(扫掠)、Multizone(多区域)、Tetrahedrons(四面体)、Cartesian(笛卡尔)。对于4种不同工况下的模型，其中吊架与管道、对夹式管箍与管道接触处重点分析，网格密度需要加大。网格划分结果，见图3：

图3 网格划分结果图Fig.3 The meshing result

图3-a为A工况网格划分结果，共有19 045个节点，3 306个单元；图3-b为B工况网格划分结果，共有379 198个节点，234 911个单元；图3-c为C工况网格划分结果，共有356 875个节点，206 019个单元；图3-d为D工况网格划分结果，共有484 696个节点，300 500个单元。

根据实际情况知：吊架一般通过锚固直接与混凝土结构相连接，对夹式管箍侧向支架通过拧爆式螺栓与混凝土中的预埋件相连接。对此A工况中仅约束管道两端，以模拟两端的承重支架；B工况中，约束管道两端与吊杆；C、D工况中，约束管道两端、吊杆与对夹式管箍侧向支架。

2.2.3 选取反应谱

设计反应谱选用国内某核电站楼层反应谱进行加载，以分析管线抗震支架的抗震能力。楼层反应谱采用地面最大加速度值水平方向为0.1 g(g为重力加速度)，每节点楼层反应谱取地基动弹性模量24 500 MPa的包络面，对峰值进行频率拓宽和平滑处理。反应谱见图4，楼层反应谱为阻尼比4%下的楼层反应谱。根据此，进行水平方向加载。通过Workbench Response Spectrum模块，进行振型分解组合计算、输出变形结果。

图4 楼层反应谱Fig.4 Floor response spectrum

2.3 模态分析

按照上述分析计算，输出计算结果。表2、3、4、5分别对应着A、B、C、D各工况下，前6阶模态分析结果。图5、6、7、8分别对应着A、B、C、D各工况下，前6阶模态振型云图。由各工况下的模态分析结果知：在管线布置过程中，增加吊架、对夹式管箍侧向支架等均可以改变管线的模态振型，而且通过改变支架的布置方式可以在一定程度上影响管线的模态振型。

表2 A工况模态前6阶分析结果Table 2 The top 6 order of A condition modal analysis results

表3 B工况模态前6阶分析结果Table 3 The top 6 order of B condition modal analysis results

图5A工况前6阶模态振型云图

Fig.5Thetop6orderofAconditionmodalshapecloud

图6 B工况前6阶模态振型云图Fig.6 The top 6 order of B condition modal shape cloud

表4 C工况模态前6阶分析结果Table 4 The top 6 order of C condition modal analysis results

表5 D工况模态前6阶分析结果Table 5 The top 6 order of D condition modal analysis results

图7C工况前6阶模态振型云图

Fig.7Thetop6orderofCconditionmodalshapecloud

图8 D工况前6阶模态振型云图Fig.8 The top 6 order of D condition modal shape cloud

2.4 抗震分析

根据上述分析计算，在Workbench Response Spectrum中输出反应谱分析位移变形图(图9)，图9中a、b、c、d子图分别对应着在A、B、C、D工况下，管道在受到地震作用下的变形结果。具体位移变形数据见表6。

图9 位移变形云图Fig.9 Displacement deformation shape cloud

表6 位移响应数据分析表Table 6 Dislplacement response data analysis

根据表6知：管道在受到约束的情况下，地震位移响应会大幅度下降。单管DN100在吊架约束下，相比于无约束情况地震最大位移可以减小46.45%；单管DN100在对夹式管箍与吊架分开式侧向抗震支吊架的约束情况下，地震最大位移可以减小58.18%；单管DN100在对夹式管箍与吊架一体式侧向抗震支吊架的约束下，地震最大位移可以减小76.43%。

3 结 论

运用ANSYS Workbench对对夹式管箍侧向抗震支吊架进行分析，通过研究有无抗震支吊架、对夹管箍、吊架等因素，分析不同工况下的模态反应与反应谱云图，并进行对比研究，展示出：抗震支吊架可以有效地缓减地震作用下管道的位移响应。同时，通过模态分析与响应谱分析，对振型分解组合法和非结构构件抗震系统的设计提供了理论依据。