簡析提高抗震支架精簡率的方式方法

■ 劉海寶 Liu Haibao

0 引言

建筑機電抗震系統(tǒng)，以荷載力學為基礎，將管道、風管、橋架等機電設施牢固連接于已做抗震設計的建筑體，限制附屬機電工程設施產生位移，控制設施振動，并將荷載傳遞至承重結構上的各類組件或裝置。

在2008年之前，國內項目應用基本無機電抗震的概念。5.12汶川地震后，建設部對原《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011—2001）先后兩次進行緊急修訂，于2014年10月9日正式增補并頒布了《建筑機電工程抗震設計規(guī)范》（GB50981—2014）（以下簡稱《規(guī)范》）為國家標準。這意味著國內建筑機電抗震支撐系統(tǒng)已從空白轉向全面覆蓋，且自2015年8月開始，要求全國范圍內建筑機電領域必須強制性進行設計、安裝和驗收。

現階段，抗震支架普遍設計思路為增設斜支撐以抵消地震水平力的影響，以保證機電設施保持穩(wěn)定與完好。其中，斜向支撐與管吊架的連接都是以固定連接件形式出現，如連接座形式、鉸鏈形式等。因此，作為支架系統(tǒng)中最薄弱的連接環(huán)節(jié)，保證固定連接件沖擊強度處于合理范圍，成為判斷抗震支架實際作用的重要依據。

1 抗震支架結構

1.1 側向支撐結構

所謂側向支撐（圖1），是指抗震支架增設的斜支撐水平投影方向垂直于管道軸線。側向支撐用以抵消地震水平荷載中關于垂直于管線方向的荷載，防止管線在地震中的側晃運動，是整個抗震支撐系統(tǒng)中運用最多的支撐形式。

支撐設置間距及最大設計間距可參閱《規(guī)范》相關內容。

1.2 縱向支撐結構

所謂縱向支撐（圖2），是指斜支撐水平投影方向平行于管道軸線。縱向支撐用于消除地震水平荷載中平行于管線方向的荷載，防止管線在地震中整體縱向位移。不同于側向支撐，縱向支撐在系統(tǒng)中設置的數目較少，每個直管段應至少設置一個縱向支撐支吊架，當兩個縱向支撐間距超過設計最大間距，需要按《規(guī)范》第8.2.3條要求間距增設縱向支架。

1.3 雙向支撐結構

綜合了側向支撐和縱向支撐兩種支撐形式特點的支撐結構即為雙向支撐結構，又稱四向支架（圖3），一般適用于機電管線較多、支架承重較大的情況。

圖1 側向抗震支撐

圖2 縱向抗震支撐

2 針對固定連接件的受力分析

2.1 地震水平荷載的確定

水平方向地震力通過建筑體轉達至其內部機電設施，由于轉動慣性的影響，該層面機電設施的水平荷載要稍大于同層結構體所受荷載。因此，確定機電設施的水平荷載應先從建筑體入手分析。

為了便于研究，以單層房屋（質量大部分集中于結構頂部）為出發(fā)點，建立單質點彈性體系進行分析。所謂單質點彈性體系，是指將結構參與振動的全部質量集中于一點，用無質量的彈性直桿支承于地面上的結構。由結構動力學方法，可以得到單質點彈性體系運動方程：

式中，(t)—地面水平位移加速度；

F(t)—動力荷載；

x(t)—質點相對于地面的相對位移反應，其一階導數和二階導數分別對應相對于地面的速度和加速度。

令代入運動方程（1），經簡化可得：

以上即為單質點彈性體系在地震作用下的二階常系數線性非齊次微分方程，它的解包括兩個部分：一個是對應于齊次微分方程的通解，代表自由振動；一個是微分方程特解，代表受迫振動。

圖3 雙向支撐結構

2.1.1 齊次微分方程的通解

根據微分方程理論，其通解為：

式中，ω'—有阻力自振頻率，

根據通解結構可知，有阻尼單質點體系為按指數函數衰減的簡諧振動。故相比地震影響，自振運動很快衰減可以忽略不計。

2.1.2 地震作用下運動方程的特解

分析方程（5）可知：地面運動加速度直接影響體系地震反應的大??；阻尼比ξ對體系的地震反應有直接影響，阻尼比越大，則彈性反應越小。

由于作用在質點上的慣性力等于質量與其絕對加速度之積，且方向相反，即：

令ω=ω'近似相等，則：

此處，我們只需確定極限狀態(tài)下的受力情況，保證等式右側積分部分取得最大值即可[1]。

式中，Fek—水平地震作用標準值；

Sa—質點加速度最大值；

|max—地震峰值加速度；

k—地震系數；

β—動力系數；

mg—動力荷載代表值。

2.2 案例計算分析

華新項目一期3#樓為例，其結構體系為鋼筋混凝土框架-核心筒結構，地上22層，地下3層，高度98.4m。每層樓蓋、柱墻及非結構性構件總重約為19 600kN。

該樓不可以簡單視為單質點體系，需要在此基礎上進行修正，其各樓層水平荷載需要在總荷載上按權重分配，樓層愈高權重則愈大：

式中，Fi—i樓層的水平荷載；

Gi、Gj—i、j層重力荷載代表值；

Hi、Hj—i、j樓層計算高度；

δn—頂部附加水平地震作用系數。

將（10）代入3#樓每層重力荷載及對應高度，忽略頂部附加水平載荷，可得如表1所示的各樓層支架連接件的沖擊力計算結果。

3 支架結構合理化改進建議

3.1 支架結構改進思路

固定連接件作為組合構件剛性連接吊架（橫擔）與斜支撐兩個部件，將支架所受的水平荷載完全傳導至斜支撐。連接件在極短的時間內需要承受極大的沖擊力，這對于材料的耐沖擊強度要求很高，無形中增加了制作成本，且整個結構的安全性難以得到有效保障。

根據動量定理：

表1 3#樓各樓層支架連接件受力計算值

相同的一次振動傳遞給支架的能量相同，即對應動能W=mv2/2相同。改進前后的質量變化可以忽略，故上式右側始終保持相等，視為常量。

減小連接件受力過大的方法就是增加構件接觸時間。因此，抗震支架結構的改進可圍繞這一思路進行設計。

3.2 支架結構改進形式

抗震支架結構在連接件處接觸時間延長，初步設想改剛性連接為彈性連接，并保證斜撐在連接處有一定范圍內的活動余量。這樣，不僅可以大大增加連接件受力傳導的接觸時間，還能在一定范圍內具有自我調節(jié)能力。

圖4為改進后的水管支架示意圖，其具體連接形式為：改固定連接為導軌式連接，于導軌內填充柔性材料，從而起到緩沖作用。

根據動能定量，計算得改進后支架相同情況下沖擊力為：

式中，α—沖擊力弱化系數。

其中，沖擊力弱化系數可以根據不同樓層的水平荷載變化范圍，通過選用不同的卡柄材料與填充材料加以調整，以達到更好的減震效果。

經查閱各種性質材料碰撞時間的相關文獻，可以確定：剛體碰撞時間大約在10-5s這個數量級上，而彈性體碰撞時間大約在10-2s左右[2]，若加上填充柔性材料所起到的緩沖作用，其延時效果更加顯著。針對以上情況，沖擊力弱化系數為0.001，則對應：

圖4 改進后的水管支架示意圖

式（13）說明同等振動情況下，改進后的支架連接件受力只是原抗震支架該處受力的1/1000。

4 改進后支架可行性分析

4.1 國家政策分析

自5.12汶川地震造成重大生命財產損失后，我國對建筑抗震防震高度關注，先后出臺了一系列強制性標準和法律規(guī)定。

（1）《中華人民共和國防震減災法》第35條規(guī)定：“重大建設工程和可能發(fā)生嚴重次生災害的建設工程，應該按照國務院有關規(guī)定進行地震安全性評價，并按照經審定的技術安全性評價報告所確定的抗震設防要求進行抗震設防”；“對醫(yī)院、學校、大型商場、居民住宅小區(qū)等人員密集場所的建設工程，應當按照高于當地房屋建筑的抗震設防要求進行設計和施工，采取有效措施，增強抗震設防能力”。

（2）《規(guī)范》要求以下條文必須嚴格執(zhí)行：①抗震設防烈度為6度及6度以上地區(qū)的建筑機電工程設施必須進行抗震設計（1.0.4條）；②防排煙風道、事故通風風道及其設備應采用抗震支吊架（5.1.4條）；③設在建筑屋頂上的共用天線等，應設置防止地震導致設備及其部件損壞后墜落傷人的安全防護措施（7.4.6條）。

這些關于建筑抗震方面的一系列舉措，以及對抗震防震產品研發(fā)使用的政策性扶持，為抗震支架的大規(guī)模生產和投入使用創(chuàng)造了良好的條件和市場環(huán)境。

4.2 技術及經濟可行性

抗震支架連接結構的改進，僅僅涉及連接形式的轉變。除導軌及卡柄兩種元件的生產需要廠家自身制作，其他構件如螺栓、螺柱均可采用國標商品級產品。

依據目前機械器件的生產水平，導軌及卡柄并不需要高精度的結構構件，是可以做到大規(guī)模生產的。

以市場上提供的零部件和相關材料價格作為直接材料費用，結合人工生產導軌、卡柄及拼裝所需的人工費，可粗略算出生產一副抗震支架對應的直接成本費用。

4.2.1 直接材料費用

根據表2所示的材料單價，計算一副支架（懸吊長度0.5m，斜撐角度45°）所需的材料費用（S1）。

表2 支架用料表

4.2.2 直接人工費用

正常熟練程度的工人1d至少可做10個支架，以200元/d的人工計算，單個支架的人工費用（S2）為：S2=200÷10=20元/(d個)。

4.2.3 總費用計算

一副抗震支架（懸吊長度0.5m，斜撐角度45°）的成本價格在94.02元，考慮到不同支架存在細微的結構變化，其總價合計為：S=1.15(S1+S2)=821.1元。

相比于市場均價為2 000元/副的抗震支架，其真正成本僅為821.1元左右，凈利潤巨大，滿足經濟可行性原則。

5 結語

我國對于建筑機電領域抗震設計、安裝和驗收的強制性要求，將給國內涉足抗震機電產品的相關產業(yè)提供了廣闊的市場環(huán)境?？拐鹬Ъ茏鳛橐豁棁鴥炔o完善研究的新技術，其市場潛力不可估量。本文結合對現行抗震支架的力學分析，提出結構上的改善意見，并進行驗算驗證，為改進后支架的穩(wěn)定性和安全性提供了可行性建議。

[1]馬成松.建筑結構抗震設計(武工版)[M].武漢:武漢理工大學出版社,2010.

[2]何繼東,江海,蹤創(chuàng)新.抗震支吊架的應用與施工技術[J].建筑技術,2010, 41(6):533-535.