某住宅小区空调支架的静力和模态分析

2022-05-05詹煜龙安徽富煌建筑设计研究有限公司安徽合肥230041

安徽建筑 2022年4期

詹煜龙（安徽富煌建筑设计研究有限公司，安徽合肥 230041）

0 前言

目前市面上大多空调支架是以三角支架或变截面支架作为主承重结构，根据空调外机的重量用不同数量的膨胀螺栓固定于墙面上。当建筑追求美观预留空调板时，外机则直接落于板上，以膨胀螺栓固定底角即可。经过几十年的市场验证，这种方法构造简单、结构牢固，大部分情况也不会存在支架与外机共振的问题。然而钢结构住宅的逐渐推广对支架的构造形式提出了新的要求，尤其是应用较为普遍的ALC板外墙，其材质轻脆，一旦开洞裂缝拓展不易控制，形成各个方向的长细裂缝，使外墙功能受损。因此，常规的安装在墙上的三角支架不再适用，拟提出一种直接落于悬挑楼板的落地型支架，并对其进行静力分析以探究其承载能力，对其进行模态分析以讨论其是否会与外机共振影响用户体验。

1 基本计算模型

本文以安徽巢湖映月湾安置区项目作为工程背景，该项目基于典型的钢框架支撑体系，住宅外墙为200mm厚ALC板，因板材材质原因无法设置预埋件或膨胀螺栓，空调支架必须采用落地型支架，将其固定于预留的悬挑板上，单个支架最多放置两台空调外机。

空调支架为落地钢架900mm长×450mm宽×1050mm高，具体做法如图1所示。

图1 空调支架做法

空调支架从悬挑板上起4根1.05m长角钢作为主承轴力构件，以相同型号的角钢按照图示方法焊接作为支架的主次梁，最后在支架的窄侧面分别以两根直径为8的带肋钢筋封堵从而增大支架刚度。支架杆件除注明外均采用L50X5角钢，构件之间连接方式均为焊接，焊脚尺寸不小于4mm。

2 空调支架的静力分析

为研究支架在外机作用下的承载能力情况，使用大型有限元分析软件ANSYS对空调支架进行应力位移分析，分析前约束支架垫板底面的平动，考虑支架自重，采用智能网格划分，精度为2，支架模型图和网格划分图分别如图2、图3所示。

图2 支架模型图

图3 支架的网格划分

拟定空调外机的重量为当前市面上较大的100kg，使其作用于杆件上，进行有限元计算。计算结果如图4、图5所示。

图4 静载下的应力云图

图5 静载下的竖向位移云图

应力图中应力条的单位为MPa，位移图中位移条的单位为mm。

结果显示，支撑与角钢连接的焊缝位置存在明显的应力集中现场，最大应力为45MPa，即便如此，仍远远低于钢材屈服强度，在材料的弹性范围内。钢筋支撑在静载下内部为不到2MPa的压应力，支架长跨度方向主梁跨中最大正应力仅15MPa。总的来说，整体杆件应力水平很低，有充足的富余量应对更大的荷载。

从图5可以看出，支架杆件的最大竖向位移位于顶部空调正下方杆件中间位置，为0.2mm，在低处的相同位置，其竖向位移仅为0.13mm，这是因为高处的直接承重杆件的约束不如低处的充分。此外不难发现，主承轴力杆件由于和主梁的相互约束，在顶端有外凸、底部有内收的痕迹，但位移量几乎可以忽略不计。

3 加质量源的空调支架的固有频率分析

ANSYS模态分析只考虑结构的布局和约束，对于加在结构上的外荷载（惯性力除外）均忽略不计。因此，建立模型时若考虑质量源，则必须将质量源作为结构的一部分输入模型。

根据图纸，空调架落于两面悬挑的120mm厚混凝土板上，空调外机启动时，可能与支架共振，使噪声过大。为使模拟更接近实际，将空调外机作为质量源分三种情况加入模型中，不加任何质量源的空调支架作为初始对照组。用于模态分析的模型除重力外不加任何荷载，边界条件为约束混凝土板相邻两个侧面的位移和转动，构件之间均粘结牢固，网格划分方法同静力分析。

分别按照如图6所示的四种情况建立模型并进行模态分析。

图6 用于模态分析的四种模型

其中A不加任何质量源作为对照组，B为质量源放置在空调架顶部时的模型，C为质量源放置在空调架下部时的模型，D为空调架上下部均放置质量源时的模型，单个质量源均为100kg。

经过计算，四种模型前5阶模态计算结果如表1所示。

四种情况的模态计算结果表1

对支架进行模态分析可知，A组的前2阶振动频率分别为23.6Hz、37.9Hz，均为平动。这种较低的频率体现了结构的柔性特征，当激励频率与此频率接近时，一般认为差异为±20%，支架与空调外机有共振的可能。

通过对比可以发现，三种加质量源方式的第一阶支架自振频率均为70Hz，第二阶均为112.7Hz，说明质量源的施加位置对固有频率的影响很小，但都明显增大了结构刚度。

此外查阅文献可知，外机的压缩机在230V电压下振动峰值是49.8Hz，当支架的固有频率为39.84～59.8Hz时，外机将会与支架共振，显然当外机一直保持压缩机的振动峰值工作时，无论支架是否加配重，均不会和外机共振。然而当外机因为电压较低，或是没有必要使压缩机处于高频率振动状态工作时，此时单个外机将作为激励源，空支架将有可能和单个外机产生共振现象。为了避免这种情况，尽量不要使支架仅仅作用一个空调外机，可通过加配重的方式使得支架的上下部均处于加载状态。