机电管线用支吊架抗震性能试验方法综述*

孙 彬，张雪芳，张晋峰，王景涛

(中国建筑科学研究院有限公司， 北京 100013)

0 引言

近些年来，基于性能的抗震设计理念不断发展[1-2]，结构性构件抗震能力得到较大提高，地震造成的重大灾害和主要经济损失多体现于非结构性构件，例如管道系统[3]。管道系统是指支撑于建筑结构的包括消防管道、通风管道、电缆在内的附属机电设备及其支吊架体系。地震中因支吊架损坏引发的管道系统破坏往往会导致建筑主体结构功能瘫痪或者丧失，甚至造成人员伤亡。

2006年夏威夷地震使当地大量建筑内的消防喷淋管道系统遭到严重破坏，大规模消防用水泄漏导致建筑使用功能瘫痪[4]；2010年智利地震后，大约50%的建筑因内部自动消防喷淋系统发生泄露而丧失使用功能，泄露的主要原因是管道接头的损坏以及支吊架发生了较大位移[5]；2011年东北太平洋地震后，消防系统和管道的损失分别占建筑设备全部损失的10%和27%[6]。

管道发生破坏的主要原因是在地震作用下支吊架损坏致使管道发生较大位移，导致管道接头破损或弯折。作为管道系统与建筑主体结构之间的重要连接构件，支吊架不仅要承受来自管道系统的重力荷载，而且要保证在地震作用下不产生过大位移。1994年美国北岭地震，装有支吊架的附属机电设施损坏甚微，但未安装支吊架的水管和消防管损坏较为严重[7]；Goodwin等对医院管道悬挂组件进行的振动台试验结果表明，支吊架体系能够有效地限制管道位移[8]；Tian等通过对三个足尺自动喷淋管道体系进行试验发现，在动力荷载作用下，装有支吊架的管道系统受力性能优于未安装支吊架的管道系统[9]。所以，研究支吊架抗震性能对于提高管道系统安全具有重要意义。

国外对于抗震支吊架研究开始较早，1947年美国在NFPA 13中规定了自动消防喷淋系统抗震支吊架的设计方式，NFPA 13的设计理念是提供充足的抗震支吊架，避免管道因惯性力作用产生较大的位移[10-11]；1978年，美国ATC-03 report(ATC 1978)规定了非结构构件抗震性能设计方法；1985年，美国NEHRP制定的基于新建建筑物和其他结构的抗震设计规范直接引用了ATC 1978的相关规定[12]，随后的ASCE 7-16也是参照这一规定[13]；此外欧洲抗震规范EN 1998[14]以及新西兰抗震规范NZS 1170.5[15]中也都规定了非结构构件抗震设计方法；2008年汶川地震以后，国内对建筑机电工程抗震才开始逐渐重视起来[16]，2015年发布实施的《建筑机电工程抗震设计规范》(GB 50981—2014)明确规定，对抗震设防烈度6度及以上地区附属机电设施必须进行抗震设计[17]。相比于附属机电设备自身刚度而言，其与主体结构连接的刚度很弱，因此附属机电设备的抗震设计通常指抗震支吊架的抗震设计[18]。

目前，对支吊架进行抗震性能研究的主要手段为试验研究和数值模拟研究，试验研究包括拟静力试验、拟动力试验和振动台试验等，数值模拟研究又分为两类，一类是通过有限元软件建立支吊架模型，直接对抗震支吊架组件或部件模型施加荷载，分析其抗震性能[19]；另一类是建立包括支吊架在内的管道系统模型，对其施加地震作用来考察其抗震性能。由于管道系统构造复杂，节点多样，通常情况下有限元软件并不能完全反映结构真实受力状态，因此，还需结合试验来研究支吊架抗震性能。

本文详细介绍了国内外标准规范中支吊架抗震性能的试验方法，结合试验理论与案例，分析了各种试验方法的适用性，并针对国内现有抗震支吊架特点给出了试验方法建议。

1 抗震支吊架拟静力试验方法

拟静力试验又称为低周往复循环试验，即对抗震支吊架施加多次往复的静力荷载来模拟结构在地震作用下受到的多次往复水平荷载作用，通过试验破坏现象进而研究抗震支吊架的破坏机制。

1.1 FM 1950拟静力试验方法

FM 1950[20]给出了针对单杆抗震支吊架部件和组件的拟静力试验方法，采用力控制加载，加载速率为0.1Hz。支吊架部件和组件的加载制度相同，但在加载幅值和位移限值方面略有差异。对于加载对象，预先估计其承载力，如果支吊架组件(支吊架部件)承载力大于2.25kN(2.5kN)，则初始加载荷载为9kN(10kN)，如果承载力小于2.25kN(2.5kN)，则初始加载荷载为2.25kN(2.5kN)。

试验需要将两套抗震支吊架和一根管道固定在测试装置上，如图1所示。先以初始荷载对管道进行15次等幅低周往复循环加载，随后加载幅值按照式(1)逐渐增大，直到支吊架部件或组件出现破坏或超出规定的位移限值时停止。其中FM 1950规定了不同安装角度的抗震支吊架部件和组件位移限值，见表1。

(1)

式中：F为加载力；X为初始荷载；n为加载次数。

图1 抗震支吊架拟静力试验测试图

不同安装角度的支吊架部件(组件)位移限值 表1

罗干等采用FM 1950试验方法对抗震支吊架开展了低周往复荷载试验，得到其滞回曲线，试验结果表明，抗震支吊架可以抵抗6～9度抗震设防烈度的地震作用[21]；尚庆学等采用上述方式对钢缆式、梁夹式、螺杆式三类单杆侧向抗震支吊架进行了拟静力试验，并通过易损性分析确定了位移限值对应的承载力，并将其转换为加速度指标[22]。

1.2 FEMA 461拟静力试验方法

FEMA 461[23]给出了针对非结构构件的通用加载方式，变幅位移或变幅力控制加载。采用位移控制加载，即试验前通过单向拉伸估计初始加载位移Δ0以及最大加载位移Δm。加载时位移幅值从Δ0逐级增加到Δm，相邻工况幅值比是1.4。如果位移达到Δm时，试件还未破坏，继续施加一个恒定位移幅值0.3Δm，直至试件破坏。FEMA 461中要求，在出现最小开裂位移之前至少应进行6次加载，每个幅值至少进行2次循环，当加载次数为10时，加载历程见图2。由于力是位移产生的结果，因此，在FEMA 461中，采用力控制的加载方式实则是基于位移控制加载得到的力-位移曲线，对非结构构件进行加载。

图2 FEMA 461拟静力试验加载历程

尚庆学等根据FEMA 461中的加载制度对两种不同直径螺杆的单杆抗震支吊架进行了拟静力试验，分析其滞回曲线发现，抗震支吊架在正负向加载时力学性能差异很大，这是由于支吊架在正向加载时，底部连接件发生偏转所致[22]；由于不同型号的支吊架在单调拉伸试验破坏时的位移角不同，Goodwin等采用FEMA 461中的力控制方式进行加载，根据单调加载试验中的最大荷载以及位移控制加载中相邻工况位移幅值的关系确定了最终加载工况[8]。

1.3 GB/T 37267—2018试验方法

《建筑抗震支吊架通用技术条件》(GB/T 37267—2018)[24]和《建筑机电设备抗震支吊架通用技术条件》(CJ/T 476—2015)[25]中均给出了针对单杆抗震支吊架的拟静力加载方案及位移限值。这两种方案与FM 1950大体一致，只是限制了荷载循环次数，要求对试验对象按照FM 1950中的加载方式进行55次低周往复循环加载之后，试件位移不得超过50mm，加载历程如图3所示。

图3 拟静力试验加载历程

1.4 其他拟静力试验方法

ICC 2000[26]，FM 1950仅估计了消防管道抗震支吊架承受的地震作用幅值，并未规定荷载的循环加载次数。Malhotra等结合18次强震记录建立了低周疲劳模型，确定了支吊架部件荷载循环次数是15次，同时建立了测试抗震支吊架部件和组件承载力的试验加载方案[27]。

加载方案分为两阶段，第一阶段分别使测试构件承受拉压力，在构件破坏或者达到位移限值时停止试验，定义力-位移曲线坡度较缓的方向为柔性加载方向，坡度较陡的方向为刚性加载方向，记录此时的最大拉力Ft和最大位移δt，最大压力Fc和最大位移δc，见图4。第二阶段是对构件进行15次低周往复循环加载，柔性方向初始加载位移δ1取(1/3)δt或者表1部件对应的位移限值两者中的较小值，δ1确定之后，F也随之确定，根据力-位移曲线，进而可确定刚性加载方向的力F以及相应的加载位移δ2，然后对支吊架部件进行15次低周往复循环加载，记录循环过程中的力最小值。绘制δ1对应的最小力-位移曲线，如果δ1小于表1中相应角度对应的位移限值，则将δ1按10%增幅，直到抗震支吊架部件破坏或者达到规定的位移限值。指定最小力-位移曲线的最大值Fθ为抗震支吊架部件经受15次循环加载的承载力值。共进行三次试验，取三次试验中的最小值作为最终的Fθ，如果Fθ大于(2/3)min{Ft，Fc}，则取Fθ为(2/3)min{Ft,Fc}。

图4 单向拉压力-位移曲线

1.5 不同拟静力试验方法的适用性分析

本节主要介绍了国内外标准中适用于抗震支吊架的抗震性能试验方法，其中FM 1950专门针对单杆抗震支吊架，通过该试验方法可以准确获得抗震支吊架失效或达到位移限值时的最大承载力，可为抗震支吊架抗震设计提供数据支撑，但是无法评定抗震支吊架产品合格与否。此外，FM 1950中的试验方法仅适用于图5(a)所示的单杆抗震支吊架，对于图5(b)，(c)所示的双杆抗震支吊架和双立柱抗震支吊架[28]并不适用。

图5 不同形式的抗震支吊架

FEMA 461给出的拟静力试验方法适用于非结构构件，该加载方案主要由单调加载和循环往复加载两个阶段组成，可以根据不同的非结构构件制定不同的加载历程，具有较强的灵活性；GB/T 37267—2018中给出了抗震支吊架合格评价指标及试验方法，目前对该方法还存在一些争议。首先，该试验加载方式仅适用于单杆抗震支吊架；其次，该试验加载方案规定无论是对抗震支吊架施加2.25 kN还是9 kN的初始荷载，荷载循环都是55次，不同加载值采用统一的循环次数是不准确也是不合理的；Malhotra等提出的抗震支吊架循环加载方案是基于FM 1950中抗震支吊架部件的试验加载方案而来，确定了加载工况和荷载循环次数，可用于不同类型抗震支吊架部件和组件的试验加载[27]。

拟静力试验的优势在于可以根据试验需要随时修正加载历程，其不足之处在于上述无论哪种加载方案都无法反映真实地震情况。动力试验弥补了拟静力试验加载方案的不足，能够更加真实反映地震作用对结构或者非结构构件抗震性能的影响。有资料表明，采用拟静力试验的方法来模拟动力试验对于试验对象是偏于安全的[29]。

2 抗震支吊架振动台试验方法

振动台试验是利用地震模拟振动台对足尺模型或者缩尺模型进行地震激励，以重现结构或者构件在真实地震作用下的受力全过程。由于抗震支吊架本身尺寸就很小，难以进行缩尺变换，因此，大多数抗震支吊架振动台试验均是足尺模型。

2.1 FEMA 461试验方法

FEMA 461中给出了适用于加速度敏感型非结构构件的振动台试验加载方案，该方案仅适用于在同一个楼层的非结构构件的抗震性能测试，对于隔墙和垂直的管道系统，FEMA 461建议采用拟静力试验加载。

FEMA 461振动台试验主要包含系统验证性测试、抗震性能评估测试以及构件失效测试，在每一次抗震性能评估测试和构件失效测试前后均需进行系统验证性测试。抗震性能测试和失效测试地震波采用的是由MATLAB生成的窄带随机扫描加速度记录叠加而成，采样频率是100Hz，该地震波频带宽度是频程的1/3，频率变化范围在0.5 ～32Hz之间，变化速率是每分钟6倍频程，即每隔10s频率增加一倍，信号时长为60s，地震波强度逐级增加且不小于25%增幅，图6给出了横向叠加地震波波形图。

图6 横向叠加地震波波形图[23]

Matthew等为了研究管道支吊架体系锚栓的作用力，对七层足尺剪力墙结构进行了振动台试验，试验加载方案与FEMA 461中给出的加载方案类似，对台面输入三次真实地震加速度记录进行抗震性能评估测试和失效测试。结果表明随着支吊架位移的增加，管道体系刚度下降，频率逐渐减小，且其非线性主要由于支吊架体系的非线性变形引起，和管道本身无关[30]。

2.2 AC 156试验方法

AC 156[31]中给出的振动台测试方法适用于自振频率不小于1.3Hz的非结构构件。该测试方法与FEMA 461振动台测试方法类似，在抗震性能测试之前进行共振测试来获取构件的自振频率以及阻尼比。与FEMA 461中略有不同的是，该标准要求测试输入信号频率范围在1.3～33.3Hz范围内。

AC 156规定，构件自振频率小于16.7Hz属于柔性构件，大于16.7Hz属于刚性构件，图7是阻尼比为5%时柔性构件和刚性构件的水平以及竖向加速度需求反应谱曲线(RRS)，计算公式如下：

Aflexible-H=SDS(1+2z/h)

(2)

Arigid-H=0.4SDS(1+2z/h)

(3)

Aflexible-V=0.67SDS

(4)

Arigid-V=0.67SDS

(5)

式中：Aflexible为柔性构件质心处的设计加速度；Arigid为刚性构件质心处的设计加速度；SDS为短周期段设计加速度反应谱，参见IBC；z为非结构构件所处高度；h为建筑物高度。

通过加速度需求反应谱计算的输入振动是频率在1.3～33.3Hz的多频宽带随机信号，持续时间为30s，且要求至少有20s的强震动，测试过程中获得的试验反应谱曲线(TRS)应包络RRS且在放大的RRS区域内不宜超过RRS的30%。

图7 AC 156加速度需求反应谱曲线

滕睿等根据AC 156中测试方法提出了一种基于楼面响应谱的离线迭代控制方法并将其应用于承压管道支吊架振动台试验，发现该方法能较好地再现非结构构件受到的楼面响应谱作用[32]；Siavash等建立了加压消防喷淋管道的综合分析模型，对其在水平向施加AC 156中规定的加速度，在竖向施加ASCE 7-16中规定的加速度，解释了消防管道体系支吊架在地震作用下的非弹性行为[33]；Yun等为了研究NFPA 13中消防管道体系加固构件的作用，建立了某医院的消防管道体系模型，并对其施加AC 156中的加速度需求反应谱，结果表明，位于主要管道的支吊架能有效降低螺纹接头的弯矩，同时刚性支撑能有效降低喷头的位移[34]。

2.3 ISO 13033试验方法

ISO 13033是欧洲首个验证非结构构件或体系抗震性能的标准，该标准规定了加速度敏感型非结构构件振动台测试方法[35]。ISO 13033同样给出了RRS，见图8，与AC 156有所不同的是，与RRS相对应的频率不再是一个确定的值，而是频率范围，其中f0为1.3～2.5 Hz，f1为7.5～8.3 Hz，f2为10～16.67 Hz，f3为33.3 Hz，其中构件阻尼比为5%，β是竖向加速度和水平向加速度的比值，在1/2～2/3之间取值。

图8 ISO 13033加速度需求反应谱曲线

Perrone等通过Eurocode 8对ISO 13033中RRS进行了修正，并将其应用于加速度敏感型非结构构件振动台试验，评估其抗震性能并获得了良好的效果[36]。

2.4 不同振动台试验方法的适用性分析

黄宝锋等根据非结构构件震害反应特征将非结构构件分为位移敏感型、加速度敏感型以及混合敏感型[37]。抗震支吊架很难单独归类，取决于其安装位置，当抗震支吊架与平行于楼面的管道设备连接时，属于位移敏感型构件；当抗震支吊架与位于建筑物底部或者地下室的管道设备相连接时，属于加速度敏感型；当抗震支吊架与竖管相连时，属于混合敏感型。

FEMA 461中振动台试验方法是针对加速度敏感型非结构构件，适用于地铁管廊、地下室安装的抗震支吊架试验加载，该方法可用于自振频率不小于0.5 Hz的非结构构件；AC 156中振动台测试方法适用于自振频率不小于1.3 Hz的非结构构件，该方法并未明确限制非结构构件类型；ISO 13033中振动台试验方法与AC 156类似，但是仅适用于加速度敏感型构件。

3 拟动力试验方法

图9 抗震支吊架拟动力试验原理图

拟动力试验是一种联机试验，即将计算机和作动器联机，通过计算机向作动器输入真实地震波记录或者人工模拟的地震波，进而模拟主体结构或者非结构构件在地震作用下的反应全过程。抗震支吊架拟动力试验属于子结构拟动力试验，其试验原理如图9所示。首先向计算机输入地震加速度，由计算机内部软件通过动力方程对其进行求解，得到初始地震反应位移，然后通过作动器将该位移施加在支吊架上，可以得到构件在此位移下的恢复力，试验机将此恢复力反馈到计算机，对该恢复力和地震加速度值通过动力方程继续求解，得到下一步的加载位移值，如此反复循环直至试验结束。对于抗震支吊架这种尺寸较小的构件，对其进行拟动力试验时，无需建立主体结构的足尺模型，仅需对足尺抗震支吊架进行加载即可，具体试验加载方式类似于抗震支吊架拟静力试验加载，只不过拟静力试验加载时，作动器向管道施加的是低周往复循环荷载，而拟动力试验加载时，作动器向管道施加的是动态的荷载、真实地震波记录或人工合成地震波。

进行拟动力试验之前要先对试件进行小变形静力加载试验，确定试件的初始刚度，试件自振周期可通过脉动法等动力测试方法获得，同时试件阻尼比也需要在试验之前估计。有研究表明，阻尼比只在弹性阶段影响较大，进入塑性阶段影响不大，因此拟动力试验可以设置较小的阻尼比值或者取零[38]。此外，拟动力试验不需要试件的真实质量来产生惯性力，对于抗震支吊架，可以仅在管道上增加附加质量或者通过千斤顶施加竖向荷载来满足荷载相似的要求即可。

拟动力试验被广泛地应用于结构和非结构构件的抗震性能研究[39-43],目前拟动力试验在管道系统以及抗震支吊架领域的应用较少。Melo等对管道系统进行了拟动力试验，分析其动态特性。结果表明，拟动力试验方法是一种能够在准静态环境中进行的试验成本较小且精确的动态分析方法[44]。

4 建议

本文总结了支吊架抗震性能试验方法，包括拟静力试验、振动台试验以及拟动力试验，分别介绍了每种试验方法的加载方式、试验过程及适用范围。拟静力试验适用于位移敏感型构件，振动台试验主要适用于加速度敏感型构件，拟动力试验结合了拟静力试验和振动台试验的优势，对位移敏感型构件和加速度敏感型构件均适用。针对国内抗震支吊架行业现状，建议如下：

(1)对于单杆抗震支吊架，可沿用FM 1950中给出的拟静力试验加载方案，或者采用1.4节提出的试验加载方案；对于双杆抗震支吊架和双立柱抗震支吊架，拟静力试验可选用FEMA 461中的试验加载方案。

(2)GB/T 37267—2018中要求对抗震支吊架进行55次循坏加载，初始荷载为2.25kN和初始荷载为9kN的抗震支吊架均采用相同的循环加载次数，其合理性需要通过进一步的研究确定。

(3)对于加速度敏感型的抗震支吊架，可采用FEMA 461和ISO 13033中振动台试验方法对其进行测试，AC 156中振动台试验方法适用于自振频率不小于1.3Hz的抗震支吊架。

(4)抗震支吊架振动台试验需要特定的试验场地以及较高的试验费用，可以考虑采用拟动力试验来替代振动台试验，从而节省人力物力，简化试验程序。

(5)我国抗震支吊架发展还处于起步阶段，目前还没有完善的针对抗震支吊架试验方法的标准，为促进抗震支吊架行业健康有序发展，应当尽快制定符合我国抗震支吊架现状的试验加载制度。