基于ANSYS的管線抗震支架抗震特性研究*

趙金橋, 劉 勝， 馬 龍

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，上海 201620)

0 引 言

在現(xiàn)代建筑中，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的投資已經(jīng)占據(jù)了整體建筑總資金的絕大部分。根據(jù)前人[1]的統(tǒng)計數(shù)據(jù)：在辦公室、酒店、醫(yī)院的建設(shè)中，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的投資比分別為82%、87%、92%，遠(yuǎn)高于建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的投入。此外，近年來一些學(xué)者[2-3]對歷年的震害進行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)建筑非結(jié)構(gòu)構(gòu)件震害主要集中于填充墻、吊頂系統(tǒng)、管線系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)等。其中，管線系統(tǒng)的損害曾經(jīng)造成二次災(zāi)害，增大震后救援工作的危險性。而建筑機電管線系統(tǒng)是重要的生命線工程，在甲、乙類建筑建設(shè)時，通常需要布置大量的機電管線、通風(fēng)管線、消防管線等。大量管線系統(tǒng)的投資巨大，因此確保管線系統(tǒng)在地震作用下的正常工作或是減小損害，具有十分重要的經(jīng)濟價值與社會意義。

對于管線系統(tǒng)，很多學(xué)者采用振動臺試驗來研究管線抗震性能。Arash[4]等在Nevada大學(xué)進行管線振動臺試驗研究，研究表明抗震約束會限制管線位移響應(yīng)。Filiatrault[5]等通過振動臺試驗，建立了管線系統(tǒng)的易損性曲線。Wood[6]等人通過試驗研究抗震支架的力-位移滯回關(guān)系，結(jié)果表明支架連接件的性能對其力學(xué)性能有重要影響。國內(nèi)學(xué)者楊瑩[7]等人從技術(shù)角度對高層建筑天然氣管線進行探討研究；朱浩樑[8]、尚慶學(xué)[9-10]等人分別運用ETABS仿真與試驗分析對管線抗震支架進行研究。

根據(jù)GB50981-2014《建筑機電工程抗震設(shè)計規(guī)范》[11]對抗震支架的要求，在地震作用下，通過抗震支架把地震的橫向力和縱向力傳遞到主體結(jié)構(gòu)上，進行綜合承載。針對管線系統(tǒng)抗震支架，通常需要分析整體模型的振動特性。針對DN系列單管與縱向抗震支架，建立多自由度體系振動分析模型，使用振型分解反應(yīng)譜法，通過有限元軟件ANSYS進行仿真以驗證抗震支架的抗震性能。

1 建立理論模型

1.1 建立多自由度彈塑性分析模型

如圖1所示，在地震地面運動作用下，假設(shè)地面運動變形為x0,則質(zhì)點系絕對位移為

則質(zhì)點的慣性力為

根據(jù)d’Alembert原理，地震作用下彈塑性模型動力方程為

(1)

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

1.2 振型分解組合法

利用振型向量的正交性，由式(1)可以得到N個關(guān)于qs(t)的獨立微分方程：

由振型線性組合可得多自由度體系的地震響應(yīng)：

相應(yīng)結(jié)構(gòu)恢復(fù)力為

其中:{f}s=[K]{u}s

2 有限元模擬與分析

2.1 建立幾何模型

采用SolidWorks三維設(shè)計軟件建立管道系統(tǒng)與抗震支吊架的模型。選擇SolidWorks Routing插件進行管道與線路的設(shè)計，使用SolidWorks鈑金、標(biāo)準(zhǔn)件庫及SolidWorks自身建模等功能建立抗震支吊架的三維實體模型。在裝配管線與抗震支吊架的過程中，按照安裝規(guī)范，合理選擇抗震支吊架的種類和連接方式。嚴(yán)格遵循《建筑機電工程抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50981-2004中的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與意見。

主要研究對象是對夾式管箍側(cè)向抗震支吊架，對此選取4種不同的工況進行研究，分別是A：DN100管道在無任何措施的工況(簡稱A工況)；B：DN100管道在有吊架的工況(簡稱B工況)；C：DN100管道在對夾管箍與吊架分開式側(cè)向抗震支吊架的工況(簡稱C工況)；D：DN100管道在對夾管箍與吊架一體式側(cè)向抗震支吊架的工況(簡稱D工況)。

根據(jù)不同工況在SolidWorks中，建立DN100管道、吊架、對夾式側(cè)向支架等。詳細(xì)模型見圖2所示，其中圖2-a為DN100管線，圖2-b為僅用吊架約束的管線，圖2-c為對夾吊架分開式側(cè)向抗震支吊架，圖2-d為對夾吊架一體式側(cè)向抗震支吊架。

圖2 三維模型圖Fig.2 3D model diagram

2.2ANSYS分析

2.2.1模型導(dǎo)入與設(shè)置材料

通過ANSYS Workbench與SolidWorks的接口，把所需分析三維模型導(dǎo)入Workbench中。在Workbench Design Molder中重新復(fù)原三維模型，檢查模型的完整性，看是否需要修改。打開Workbench Engineering Data,在其中進行材料屬性的設(shè)置。

例中支架材料均采用Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，連接螺栓使用8.8級螺栓，DN100管道的材料為06Cr19Ni10。材料特性見表1：

表1 材料性能表Table 1 Material performance table

2.2.2 網(wǎng)格劃分與邊界設(shè)置

Workbench中立體模型提供的網(wǎng)格類型有4種，分別為：四面體、棱錐、棱柱與六面體；網(wǎng)格劃分方法有6種，分別是：Automatic(自動劃分)、Hex Dominant(六面體)、Sweep(掃掠)、Multizone(多區(qū)域)、Tetrahedrons(四面體)、Cartesian(笛卡爾)。對于4種不同工況下的模型，其中吊架與管道、對夾式管箍與管道接觸處重點分析，網(wǎng)格密度需要加大。網(wǎng)格劃分結(jié)果，見圖3：

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果圖Fig.3 The meshing result

圖3-a為A工況網(wǎng)格劃分結(jié)果，共有19 045個節(jié)點，3 306個單元；圖3-b為B工況網(wǎng)格劃分結(jié)果，共有379 198個節(jié)點，234 911個單元；圖3-c為C工況網(wǎng)格劃分結(jié)果，共有356 875個節(jié)點，206 019個單元；圖3-d為D工況網(wǎng)格劃分結(jié)果，共有484 696個節(jié)點，300 500個單元。

根據(jù)實際情況知：吊架一般通過錨固直接與混凝土結(jié)構(gòu)相連接，對夾式管箍側(cè)向支架通過擰爆式螺栓與混凝土中的預(yù)埋件相連接。對此A工況中僅約束管道兩端，以模擬兩端的承重支架；B工況中，約束管道兩端與吊桿；C、D工況中，約束管道兩端、吊桿與對夾式管箍側(cè)向支架。

2.2.3 選取反應(yīng)譜

設(shè)計反應(yīng)譜選用國內(nèi)某核電站樓層反應(yīng)譜進行加載，以分析管線抗震支架的抗震能力。樓層反應(yīng)譜采用地面最大加速度值水平方向為0.1 g(g為重力加速度)，每節(jié)點樓層反應(yīng)譜取地基動彈性模量24 500 MPa的包絡(luò)面，對峰值進行頻率拓寬和平滑處理。反應(yīng)譜見圖4，樓層反應(yīng)譜為阻尼比4%下的樓層反應(yīng)譜。根據(jù)此，進行水平方向加載。通過Workbench Response Spectrum模塊，進行振型分解組合計算、輸出變形結(jié)果。

圖4 樓層反應(yīng)譜Fig.4 Floor response spectrum

2.3 模態(tài)分析

按照上述分析計算，輸出計算結(jié)果。表2、3、4、5分別對應(yīng)著A、B、C、D各工況下，前6階模態(tài)分析結(jié)果。圖5、6、7、8分別對應(yīng)著A、B、C、D各工況下，前6階模態(tài)振型云圖。由各工況下的模態(tài)分析結(jié)果知：在管線布置過程中，增加吊架、對夾式管箍側(cè)向支架等均可以改變管線的模態(tài)振型，而且通過改變支架的布置方式可以在一定程度上影響管線的模態(tài)振型。

表2 A工況模態(tài)前6階分析結(jié)果Table 2 The top 6 order of A condition modal analysis results

表3 B工況模態(tài)前6階分析結(jié)果Table 3 The top 6 order of B condition modal analysis results

圖5A工況前6階模態(tài)振型云圖

Fig.5Thetop6orderofAconditionmodalshapecloud

圖6 B工況前6階模態(tài)振型云圖Fig.6 The top 6 order of B condition modal shape cloud

表4 C工況模態(tài)前6階分析結(jié)果Table 4 The top 6 order of C condition modal analysis results

表5 D工況模態(tài)前6階分析結(jié)果Table 5 The top 6 order of D condition modal analysis results

圖7C工況前6階模態(tài)振型云圖

Fig.7Thetop6orderofCconditionmodalshapecloud

圖8 D工況前6階模態(tài)振型云圖Fig.8 The top 6 order of D condition modal shape cloud

2.4 抗震分析

根據(jù)上述分析計算，在Workbench Response Spectrum中輸出反應(yīng)譜分析位移變形圖(圖9)，圖9中a、b、c、d子圖分別對應(yīng)著在A、B、C、D工況下，管道在受到地震作用下的變形結(jié)果。具體位移變形數(shù)據(jù)見表6。

圖9 位移變形云圖Fig.9 Displacement deformation shape cloud

表6 位移響應(yīng)數(shù)據(jù)分析表Table 6 Dislplacement response data analysis

根據(jù)表6知：管道在受到約束的情況下，地震位移響應(yīng)會大幅度下降。單管DN100在吊架約束下，相比于無約束情況地震最大位移可以減小46.45%；單管DN100在對夾式管箍與吊架分開式側(cè)向抗震支吊架的約束情況下，地震最大位移可以減小58.18%；單管DN100在對夾式管箍與吊架一體式側(cè)向抗震支吊架的約束下，地震最大位移可以減小76.43%。

3 結(jié) 論

運用ANSYS Workbench對對夾式管箍側(cè)向抗震支吊架進行分析，通過研究有無抗震支吊架、對夾管箍、吊架等因素，分析不同工況下的模態(tài)反應(yīng)與反應(yīng)譜云圖，并進行對比研究，展示出：抗震支吊架可以有效地緩減地震作用下管道的位移響應(yīng)。同時，通過模態(tài)分析與響應(yīng)譜分析，對振型分解組合法和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論依據(jù)。