基于ANSYS的螺桿式抗震支架吊桿性能研究

趙金橋 劉勝 張琨

摘 要：抗震支架可在地震中對建筑機電工程設施給予有效保護，降低震后二次災害的破環(huán)。為探究吊桿對抗震支架抗震性能的影響程度，基于螺桿式抗震支架模型，運用ANSYS Workbench與高性能計算（HPC）技術進行模態(tài)分析及反應譜分析。通過研究吊桿直徑、吊桿安裝長度、吊桿有無緊固C槽鋼及緊固C槽鋼的安裝尺寸4個因素，探究懸吊部分對抗震支架抗震性能的影響程度。研究發(fā)現(xiàn)吊桿直徑與吊桿安裝長度對螺桿式抗震支架懸吊部分性能有較大影響，吊桿處增加緊固C型槽鋼可提高吊桿的抗震性能。運用HPC技術進行抗震仿真運算，為ANSYS Workbench與HPC技術在抗震工程中的應用提供范例，也為螺桿式抗震支架的實踐應用提供了理論依據(jù)。

關鍵詞：螺桿式抗震支架;吊桿;槽鋼;抗震性能;ANSYS

DOI：10. 11907/rjdk. 182661 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）007-0167-06

Study on Performance of Hanger in Threaded Rod Seismic Brace Based on ANSYS

ZHAO Jin-qiao， LIU Sheng， ZHANG Kun

（School of Mechanical and Automotive Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620，China）

Abstract： Seismic brace can effectively protect building mechanical and electrical equipment engineering facilities in earthquake， making the loss of secondary disasters significantly reduced. In order to explore the influence degree of the hanger on seismic performance of the seismic brace，the model of screw-type seismic brace was established in this paper. The modal analysis and response spectrum analysis were carried out by ANSYS Workbench and high performance computing （HPC） technology. By studying the diameter of the hanger， the length of the hanger installation， the hanger rod with or without fastening c-groove steel and the fastening C-groove steel installation dimensions of these 4 factors， the influence degree of the suspension part on the seismic performance of the seismic support was explored. The research finds that the diameter of the hanger and the length of the hanger installation have greater impacts on the performance of the suspension in the seismic brace. The fastening C-type channel steel on the hanger can effectively improve the seismic performance of the hanger. Using HPC technology to carry out seismic simulation operation， this paper provides an example for the application of ANSYS Workbench and HPC technology in seismic engineering， and also provides a theoretical basis for the practical application of screw-type seismic brace.

Key Words： threaded rod seismic brace;hanger;channel steel;seismic performance;ANSYS

基金項目：大學生創(chuàng)新訓練項目（cx1801018）

作者簡介：趙金橋（1994-），男，上海工程技術大學機械與汽車工程學院碩士研究生，研究方向為機械振動、建筑抗震分析;劉勝（1977-），女，上海工程技術大學機械與汽車工程學院副教授，研究方向為機械振動、建筑減震、計算機輔助設計工程。本文通訊作者：劉勝。

0 引言

現(xiàn)代公共建筑中，非結(jié)構構件投入成本占建筑總投入的大部分，地震后非結(jié)構構件破壞引起的損失遠遠高于建筑結(jié)構件破壞引起的損失[1]。根據(jù)文獻[2-3]對北嶺地震、智利地震的震害進行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)管線系統(tǒng)的破壞給應急救援、災后重建工作等帶來嚴重影響。

管線系統(tǒng)抗震研究方法有試驗法、精細化數(shù)值模擬、理論分析等[4-7]。近年來，Goodwin[8-9]等通過一系列振動臺試驗，發(fā)現(xiàn)抗震支架可有效減小管線系統(tǒng)的位移響應，但不能減小加速度響應。2014年，Wood[10]等通過單調(diào)加載與循環(huán)加載研究抗震支架的力—位移滯回關系，發(fā)現(xiàn)抗震支架連接件性能對力學性能影響較大。同年，Soroushian[11-12]等通過有限元軟件OpenSees對噴淋管線系統(tǒng)進行擬靜力模擬，發(fā)現(xiàn)泄露多發(fā)生在管線接頭處。

國內(nèi)管線抗震研究起步較晚，且多集中于埋地管線。建筑管線抗震支架雖在實際施工中應用廣泛，但研究卻較少。何繼動[13]、王華忠[14]、孫雪豐[15]等分別對抗震支架的應用及施工技術進行了闡述。國家標準GB 50981-2014《建筑機電工程抗震設計規(guī)范》[16]中，雖對抗震支架的應用與設計進行了說明，但其研究方法與應用比較模糊。朱浩樑[17-18]等運用ETABS軟件對建筑抗震支吊架進行分析，證明抗震設計中時程分析法優(yōu)于等效側(cè)力法。尚慶學[19-20]等通過擬靜力試驗研究抗震支架，建立了柔性管線力學模型，驗證了抗震支吊架的抗震性能。本文對常用螺桿式抗震支架進行分析，運用ANSYS Workbench與高性能計算（HPC）技術[21]對單個螺桿式對夾管箍側(cè)向抗震支架進行仿真試驗，以研究吊桿對螺桿式抗震支架抗震性能的影響。

1 理論模型與仿真流程

1.1 多自由度彈塑性分析模型建立

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

圖1 地震作用下多自由度模型

1.2 振型分解組合法

利用振型向量的正交性，由式（4）可得N個關于[qs（t）]的獨立微分方程。

式（5）中[γs]為振型參與系數(shù)，[γs=s=1Nmiui，si=1Nmim2i，s]。

由振型線性組合可得多自由度體系的地震響應。

[相應結(jié)構恢復力為：

1.3 仿真流程

ANSYS作為大型通用有限元分析軟件廣泛應用于土木工程、礦產(chǎn)地質(zhì)、航天、機械等領域，旗下ANSYS Workbench為ANSYS新研發(fā)的協(xié)同仿真平臺，采用圖形交互界面，可輕易完成多物理場仿真分析、多場協(xié)同分析等。

ANSYS Workbench分析思路：通過數(shù)據(jù)接口技術，建立三維建模軟件與ANSYS Workbench之間的數(shù)據(jù)通道。依經(jīng)典有限元分析流程，對模型設置材料屬性、劃分網(wǎng)格、邊界條件、施加載荷、求解等步驟，經(jīng)處理后輸出分析結(jié)果，流程見圖2。

圖2 仿真流程

2 有限元仿真

2.1 建立三維模型

運用SolidWorks三維設計軟件建立管道與抗震支架模型。選擇SolidWorks Routing 插件進行管道與線路設計，使用 SolidWorks鈑金、標準件庫及 SolidWorks 自身建模等功能，建立螺桿式抗震支架的三維實體模型。

本文研究對象是螺桿式抗震支架中的吊桿（見圖3、圖4），主要從吊桿直徑φ、吊桿安裝長度L、有無C型槽鋼加固、C型槽鋼安裝長度方面研究。

圖3 螺桿式抗震支架

圖4 螺桿式抗震支架三維圖像（SolidWorks）

根據(jù)螺桿式抗震支架圖，分別建立不同工況下的模型，工況詳情見表1、表2、表3。其中表1描述工況：當?shù)鯒U安裝長度L不變時，研究吊桿直徑φ與C型槽鋼對抗震支架性能的影響;表2描述工況：當?shù)鯒U直徑不變時，吊桿安裝長度L對抗震支架性能的影響;表3描述工況：當?shù)鯒U直徑與安裝長度不變時，吊桿緊固C型槽鋼安裝長度對抗震支架的影響。

表1 工況A、B描 述? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（？/mm）

注：吊桿安裝長度L=300mm

表2 工況C描述

表3 工況D描述

注：L1、L2為螺桿緊固件（螺栓）與C型槽鋼兩端的距離

2.2 并行仿真運算

由于三維模型數(shù)值分析計算網(wǎng)格數(shù)目多、計算量大、計算時間長，所以需簡化處理，進行二維數(shù)值模擬。結(jié)合本例螺桿式抗震支架實際情況，數(shù)值仿真選擇多核并行計算。

ANSYS16.0平臺提供了多物理場協(xié)同工作平臺（ANSYS Workbench）與參數(shù)化高性能計算許可模式（HPC），可大幅改進大型、復雜模型的仿真運算性能。高性能計算（HPC）通過調(diào)用多GPU用于仿真，加快仿真速度。

并行計算設置：打開ANSYS Workbench，點擊Tools- Options開啟并行計算（Parallel）。設置物理核心數(shù)量（Processors），進行CPU超線程技術設置，見圖5。根據(jù)計算機配置設置合理的Database Memory（數(shù)據(jù)空間）與Workspace Memory（驗算空間），以最大限度使用內(nèi)存。

圖5 設置并行計算

高性能計算（HPC）中內(nèi)存使用模式分為In-Core與Out-of-Core。In-Core內(nèi)存模式通過調(diào)用最大數(shù)量的內(nèi)存以避免過多使用硬盤，降低運算時對硬盤的依賴;Out-of-Core內(nèi)存模式則是在內(nèi)存容量需求與硬盤速度需求之間取得性能平衡。依據(jù)仿真需求與計算機配置，仿真運算選取Out-of-Core內(nèi)存模式。

仿真運算求解器分為Direct（稀疏矩陣求解器）與Iterative（PCG求解器）。對于高性能計算，一般使用高速迭代PCG求解器。PCG求解器對CPU、GPU占有率較高，可充分發(fā)揮CPU、GPU浮點計算能力，降低內(nèi)存需求量，縮短整體求解時間。

2.2 ANSYS前處理

打開ANSYS Workbench建立分析模塊，調(diào)用Modal模塊與Response Spectrum模塊，并在模塊之間建立信息傳遞路徑，如圖6所示。

圖6 分析模塊

通過ANSYS Workbench中的CAD configuration接口，將三維模型導入Workbench。運用Workbench Design Molder模塊查看模型進行適當修改。在Workbench Engineering Data中設置材料屬性。本例鋼材使用Q235碳素結(jié)構鋼，連接螺栓使用8.8級螺栓，DN100管道材料為06Cr19Ni10。材料性能見表4。

表4 材料性能

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）。對螺桿式抗震支架模型中的吊架與管道、側(cè)向支撐與管道的接觸處應重點關注，網(wǎng)格密度需要加大。網(wǎng)格劃分結(jié)果見表5。

表5 網(wǎng)格劃分結(jié)果

實際工程應用中，螺桿式抗震支架吊架一般通過錨固直接與混凝土結(jié)構相連接。管道除去抗震支架約束外仍應有承重支架約束，由此確定ANSYS Workbench中模型的固定約束、位移約束等邊界條件。

2.3 反應譜分析

選用國內(nèi)某核電站樓層反應譜進行加載，研究螺桿式抗震支架吊桿性能。該樓層反應譜采用地面最大加速度值，水平方向為0.1g（g為重力加速度），每節(jié)點樓層反應譜取地基動彈性模量24 500MPa的包絡面，對峰值進行±15%頻率拓寬和平滑處理。樓層反應譜見圖7，該樓層反應譜為阻尼比4%以下的樓層反應譜。由樓層反應譜圖可知，該樓層的主振頻率集中在1～10Hz。

在圖7樓層反應譜中選取數(shù)據(jù)，對模型進行水平方向加載，通過Workbench Response Spectrum模塊進行振型分解組合計算，輸出變形結(jié)果。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 吊桿直徑、槽鋼對抗震支架的影響分析

3.1.1 模態(tài)分析

按上述不同工況通過ANSYS Workbench計算分析，可得A、B工況下螺桿式抗震支架的模態(tài)振型結(jié)果，見表6，A、B工況振型對比結(jié)果見圖8。

表6 A、B工況模態(tài)分析? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （φ/mm）

圖8 A、B工況振型對比

隨著吊桿直徑φ的增加，螺桿式抗震支架的模態(tài)振型頻率也會隨之變化，尤其是第一、二、五、六階模態(tài)振型頻率會隨著吊桿直徑φ的增加而增大。螺桿式抗震支架吊桿引入緊固C型槽鋼，可在一定程度上改變支架的模態(tài)振型頻率，尤其是第一、二階模態(tài)振型頻率均有較大增幅。

3.1.2 抗震分析

根據(jù)計算分析，在Workbench Response Spectrum中輸出反應譜分析結(jié)果，見表7、表8與圖9、圖10。由圖表可知：從A1到A4、B1到B4，可以觀察到隨著吊桿直徑φ的增大，螺桿式抗震支架中管道的位移響應變化微小，管夾與吊桿的位移響應有大幅度下降。通過A1B1到A4B4對比可知，通過C型槽鋼緊固吊桿可有效增加吊桿的抗震性能，緩減管夾處的位移響應， C型槽鋼引入不會影響螺桿式抗震支架約束管道的地震位移響應。

表7 A、B工況位移響應

表8 槽鋼對抗震支架影響? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（%）

圖9 A工況位移響應

圖10 B工況位移響應

3.2 吊桿安裝長度對抗震支架的影響分析

3.2.1 模態(tài)分析

通過ANSYS Workbench計算分析，可得C工況下螺桿式抗震支架的模態(tài)振型結(jié)果，各階振型結(jié)果見表9，振型線見圖11。

由此可知：螺桿式抗震支架隨著吊桿安裝長度的增加，支架的模態(tài)振型頻率會發(fā)生一定程度的變化;第一、二、五、六階模態(tài)振型頻率會隨著吊桿安裝長度的增加隨之減小。

表9 C工況模態(tài)分析? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （L/mm）

注：吊桿直徑φ=12mm

圖11 C工況振型

3.2.2 抗震分析

在Workbench Response Spectrum中輸出反應譜分析結(jié)果，見表10和圖12。由表10可知：吊桿安裝長度的變化對管道的地震位移響應沒有影響;隨著吊桿安裝長度的增加，管夾、吊桿的最大位移響應也隨之增大，即吊桿安裝長度對抗震支架中懸吊部分有一定程度的影響。

表10 吊桿安裝長度對抗震支架影響

圖12 C工況位移響應

3.3 槽鋼安裝尺寸對抗震支架的影響分析

3.3.1 模態(tài)分析

通過ANSYS Workbench計算分析可得D工況下螺桿式抗震支架的模態(tài)振型結(jié)果，各階振型結(jié)果見表11。

將各階模態(tài)振型頻率對比后知：吊桿處緊固C型槽鋼安裝尺寸變化幾乎不會對支架的模態(tài)振型產(chǎn)生影響。

表11 槽鋼安裝長度對抗震支架的影響? ? ? ? ? ? ? ? ? （Hz）

3.3.2 抗震分析

在Workbench Response Spectrum中輸出反應譜分析結(jié)果，見表12和圖13。

表12 槽鋼安裝長度對抗震支架影響

圖13 D工況位移響應

由表12可知：吊桿處緊固C型槽鋼的安裝尺寸變化僅在一定程度上影響支架中吊桿、管夾的抗震位移響應。

4 結(jié)語

運用ANSYS Workbench與HPC技術對螺桿式抗震支架進行分析，研究吊桿對螺桿式抗震支架的影響發(fā)現(xiàn)：吊桿直徑與吊桿安裝長度對螺桿式抗震支架懸吊部分的性能有較大影響，吊桿處增加緊固C型槽鋼可提高吊桿的抗震性能。本研究為螺桿式抗震支架的應用提供理論依據(jù)，同時也為ANSYS Workbench與HPC技術在抗震工程中的應用提供了范例。此外，螺桿式抗震支架與混凝土之間的錨固、支架生根等連接也對抗震性能有重要影響，為此需深入研究抗震支架與混凝土之間連接形式的有限元模型。

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（責任編輯：杜能鋼）