抗震支吊架抗震連接構(gòu)件的破壞試驗(yàn)與數(shù)值分析研究

羅干，丁幼亮，2，3， 朱浩樑 ，2，3

（1.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210096；2.江蘇建筑機(jī)電抗震研究院，南京211200；3.南京睿永智運(yùn)維工程科技有限公司，南京211200）

1 引言

我國(guó)是一個(gè)地震災(zāi)害嚴(yán)重的國(guó)家，地震活動(dòng)頻度高、強(qiáng)度大、震源淺、分布廣、震災(zāi)嚴(yán)重。地震不僅造成建筑主體結(jié)構(gòu)的損毀，而且經(jīng)常導(dǎo)致非結(jié)構(gòu)構(gòu)件特別是機(jī)電設(shè)備的破壞，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。目前針對(duì)主體結(jié)構(gòu)的抗震，規(guī)范已經(jīng)相當(dāng)成熟，但非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震仍然處于起步階段。

2015 年8 月1 日起國(guó)家開(kāi)始批準(zhǔn)實(shí)施的GB 50981—2014《建筑機(jī)電抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]提高了建筑機(jī)電系統(tǒng)的抗震安全性能，并且CECS 420：2015《抗震支吊架安裝及驗(yàn)收規(guī)程》[2]示范了2 類抗震連接構(gòu)件，其中可調(diào)式鉸鏈（I 型抗震連接構(gòu)件）構(gòu)造簡(jiǎn)單且造價(jià)較低。針對(duì)不同的支吊架抗震需求適配高性價(jià)比的抗震連接部件，具有重大的工程經(jīng)濟(jì)意義。為此，本文以可調(diào)式鉸鏈連接構(gòu)件作為研究對(duì)象，采用靜力拉伸試驗(yàn)，結(jié)合有限元仿真分析的方式，檢測(cè)了2 類連接部件的承載能力、破壞形式和影響因素，給出了可調(diào)式鉸鏈的適用承載范圍以及連接構(gòu)件制造優(yōu)化建議。

2 抗震連接部件破壞試驗(yàn)

2.1 構(gòu)件組成及傳力機(jī)理

一組完整的管道支撐架主要由一對(duì)可調(diào)式鉸鏈、槽鋼、螺桿、螺栓和鎖扣等部件組成，可調(diào)式鉸鏈實(shí)物如圖1 所示?？烧{(diào)式鉸鏈連接構(gòu)件由2 塊鈑金零件通過(guò)螺栓連接，可以繞螺栓自由旋轉(zhuǎn)，其工作角度由管道安裝高度和側(cè)向槽鋼長(zhǎng)度的比值確定。

圖1 可調(diào)式鉸鏈實(shí)物

可調(diào)式鉸鏈與槽鋼之間通過(guò)2 對(duì)鎖扣產(chǎn)生的摩擦力連接，在鎖扣的表面有2 道齒槽，有利于與槽鋼之間進(jìn)行更加牢固的機(jī)械咬合；可調(diào)式鉸鏈的另一端則通過(guò)高強(qiáng)螺栓固定于墻面或者結(jié)構(gòu)面上。當(dāng)它受到拉力時(shí)，通過(guò)鎖扣以摩擦力的方式將拉力傳遞給槽鋼，槽鋼以同樣的方式將拉力傳遞給另一側(cè)可調(diào)式鉸鏈，最后通過(guò)錨固在墻體上的機(jī)械錨栓傳遞給結(jié)構(gòu)體。

2.2 斜撐構(gòu)件的拉伸試驗(yàn)

抗震支吊架實(shí)際上是由多項(xiàng)零件共同組裝形成的復(fù)雜裝配體，其在地震荷載作用下的反應(yīng)不能根據(jù)單一配件的承載力推導(dǎo)得出。為了更加合理地考慮各個(gè)零部件的相互作用，研究抗震支吊架的整體承載能力和破壞形式，需對(duì)抗震支吊架斜撐部件進(jìn)行整體拉伸試驗(yàn)，并根據(jù)不同條件下的破壞形式指導(dǎo)抗震支吊架固定連接件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2.1 試驗(yàn)方案

依據(jù)抗震支吊架實(shí)際支撐情況和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，按照不同的螺栓扭矩值，對(duì)5 套抗震支吊架斜撐部件分別采用等效靜力加載的方式進(jìn)行拉伸破壞試驗(yàn)。部件試驗(yàn)分組如表1 所示，其中，螺栓扭矩均通過(guò)力矩扳手控制。

表1 部件試驗(yàn)分組

本試驗(yàn)中所使用的零部件均按照DIN EN 10025 標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，表面采用電鍍鋅處理，材質(zhì)與設(shè)計(jì)荷載如表2 所示。

表2 抗震支吊架配件材質(zhì)與設(shè)計(jì)荷載

根據(jù)CJ/T 476—2015《建筑機(jī)電設(shè)備抗震支吊架通用技術(shù)條件》中相關(guān)規(guī)定[3]，本試驗(yàn)通過(guò)MTS 322 液壓伺服機(jī)作為加載裝置，采用鋼棒連接件分別將斜撐兩端的可調(diào)式鉸鏈A、B 連接在拉伸試驗(yàn)機(jī)加載裝置上。待試件固定完畢后，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，逐級(jí)增加荷載，每級(jí)增加1kN，每次加載均持荷1min。通過(guò)檢查數(shù)據(jù)并確認(rèn)產(chǎn)生永久變形時(shí)所受到的最小力。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，同時(shí)采集斜撐部件的位移和拉力。

2.2.2 試驗(yàn)現(xiàn)象

對(duì)于第一組斜撐部件，即螺栓荷載為40N·m 時(shí)，破壞形式分為2 種，一種為槽鋼鎖扣與C 型槽鋼連接處產(chǎn)生滑移，如圖2a 和圖2b 所示；另一種為可調(diào)式鉸鏈B 與加載裝置處被拉壞，產(chǎn)生明顯變形，如圖2c 所示。

圖2 可調(diào)式鉸鏈破壞形態(tài)

對(duì)于第二組斜撐部件，即螺栓荷載為25N·m 時(shí)，破壞形式均為槽鋼鎖扣與C 型槽鋼連接處產(chǎn)生滑移，但破壞荷載相對(duì)于第一組較小。

2.2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

1）第一組試驗(yàn)

第一組試驗(yàn)3 個(gè)斜撐部件承載力為6～7kN，讀取作動(dòng)器測(cè)量的力和位移數(shù)據(jù)，做3 個(gè)部件的荷載-位移曲線，如圖3所示。

圖3 第一組部件荷載-位移曲線圖

第一組3 個(gè)斜撐試件的極限承載能力分別為6.106kN、7.06kN、6.076kN，其中，①號(hào)與③號(hào)試件破壞形式為可調(diào)式鉸鏈與槽鋼連接處滑脫破壞，②號(hào)試件破壞形式為可調(diào)式鉸鏈B 掛鉤處被拉斷。對(duì)于第二組3 個(gè)承載力取平均值，求得螺栓扭矩為40N·m 時(shí)，采用可調(diào)式鉸鏈的抗震支吊架斜撐承載力極限為6.41kN。

2）第二組試驗(yàn)

第二組試驗(yàn)2 個(gè)斜撐部件承載力為5～6kN，讀取作動(dòng)器測(cè)量的力和位移數(shù)據(jù)，做3 個(gè)部件的荷載-位移曲線，如圖4所示。

圖4 第二組部件荷載-位移曲線圖

第二組2 個(gè)斜撐試件的極限承載能力分別為6.026kN、5.53kN，均為可調(diào)式鉸鏈與槽鋼連接處拉脫而失去抗震性能。對(duì)第二組2 個(gè)承載力取平均值，求得螺栓扭矩為25N·m 時(shí)，采用可調(diào)式鉸鏈的抗震支吊架斜撐承載力極限為5.78kN。

綜合以上2 組試驗(yàn)對(duì)比，螺栓扭矩的提升對(duì)于斜撐的承載能力具有很大的影響，因此在實(shí)際施工過(guò)程中，一定要將螺栓擰至額定扭矩。同時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)部門(mén)應(yīng)對(duì)螺栓扭矩進(jìn)行檢測(cè)。

3 有限元數(shù)值分析

3.1 有限元模型建立

本文中有限元模擬采用ANSYS Workbench 中的靜力分析模塊。模型中所用材料參數(shù)均按照碳素鋼材Q235B 實(shí)際力學(xué)性能參數(shù)設(shè)置，本構(gòu)關(guān)系選取彈性強(qiáng)化模型。在實(shí)體模型建立后，使用軟件自帶的自動(dòng)劃分功能對(duì)抗震支吊架實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并通過(guò)相關(guān)性、曲率控制、最大單元尺寸和接觸面尺寸等工具對(duì)關(guān)鍵部位展開(kāi)更加精密的網(wǎng)格劃分。主要配件網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5 所示。

圖5 網(wǎng)格劃分結(jié)果

3.2 邊界條件及接觸條件

有限元模型的約束條件應(yīng)當(dāng)與試驗(yàn)中保持一致，為了能夠還原實(shí)際的安裝條件，在螺桿的底部圓面上以固定約束方式設(shè)置全自由度固定約束，在連接部件與結(jié)構(gòu)體連接的螺栓孔位置，以同樣的方式施加固定約束。可調(diào)式鉸鏈的兩個(gè)配件在工作時(shí)將繞著螺栓軸線作自由轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)該螺栓串聯(lián)的2 個(gè)零部件以旋轉(zhuǎn)約束方式建立約束，使之能夠模擬真實(shí)的繞軸線自由轉(zhuǎn)動(dòng)情況。

假設(shè)螺栓在試驗(yàn)中不會(huì)破壞，螺栓、螺桿和對(duì)應(yīng)的緊固件之間采用接合接觸，在運(yùn)行分析時(shí)作為一個(gè)整體計(jì)算；建立旋轉(zhuǎn)約束的配件之間采用無(wú)摩擦接觸（Frictionless）；除以上配件以外，組合支吊架斜撐的各個(gè)配件之間采用帶摩擦的接觸（Frictional），摩擦系數(shù)選取為0.2，在切向力達(dá)到臨界力之前，摩擦面不會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。

3.3 分析步及加載步定義

按照實(shí)際荷載需要，在鎖扣與預(yù)緊螺栓之間設(shè)置螺栓荷載（Bolt Pretension），螺栓荷載大小和方向根據(jù)實(shí)際工況調(diào)整，螺栓荷載一旦施加后便處于鎖緊狀態(tài)。

為了與拉伸試驗(yàn)及相關(guān)規(guī)范相符，有限元試驗(yàn)采用力加載的方式，每級(jí)遞增加載1kN 并持荷1min，再進(jìn)行下一級(jí)的加載試驗(yàn)，直至荷載無(wú)法繼續(xù)提升再進(jìn)行卸載。加載完成后，拾取荷載作用位置處的位移得出相對(duì)應(yīng)的荷載位移曲線。加載方式如圖6 所示。

圖6 加載方式

3.4 有限元模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

3.4.1 破壞形態(tài)

圖7 為可調(diào)式鉸鏈加載到極限狀態(tài)下的應(yīng)力分布圖。從圖中可以看到，有限元模型在加載過(guò)程中，可調(diào)式鉸鏈在彎折處和掛鉤處產(chǎn)生應(yīng)力集中情況，同時(shí)伴隨有較大的彎曲變形，塑性變形分布區(qū)域廣泛，與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相符。槽鋼在與可調(diào)式鉸鏈摩擦咬合處應(yīng)力明顯大于其他部位，對(duì)應(yīng)于試驗(yàn)過(guò)程中因摩擦力不足產(chǎn)生的拉脫破壞情況。

3.4.2 荷載-位移曲線

螺栓擰緊力矩對(duì)于可調(diào)式鉸鏈抗震支吊架的承載能力具有顯著的影響，現(xiàn)設(shè)置不同的螺栓荷載，對(duì)比其荷載-位移曲線。根據(jù)GB/T 1231—2006《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)螺栓大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件》中對(duì)于擰緊力矩與預(yù)緊力的換算關(guān)系可知[4]：

式中，P為螺栓預(yù)緊力；T為擰緊力矩；K為扭矩系數(shù)；D為螺栓公稱直徑。

圖7 應(yīng)力圖

對(duì)于8.8 級(jí)鍍鋅高強(qiáng)螺栓，K取0.22，螺栓公稱直徑統(tǒng)一取13.5mm，有限元中參數(shù)設(shè)置如表3 所示。

表3 有限元模型的計(jì)算參數(shù)

按照不同的螺栓擰緊力矩，得出不同的荷載位移曲線，如圖8 所示。

可以看到，當(dāng)螺栓擰緊力矩小于40N·m 時(shí)，隨著擰緊力矩的增大，抗震支吊架的整體承載能力顯著提升，破壞形式依舊是螺栓緊固件摩擦連接處滑脫失效；當(dāng)螺栓擰緊力矩達(dá)到50N·m 時(shí)，承載能力達(dá)到最大值7kN，荷載繼續(xù)增加，此時(shí)可調(diào)式鉸鏈掛鉤處出現(xiàn)破壞，承載力急劇下降。

圖8 有限元荷載位移曲線

4 結(jié)語(yǔ)

1）可調(diào)式鉸鏈抗震支吊架的主要破壞形式分為2 種：一種為可調(diào)式鉸鏈與槽鋼連接處因摩擦力不足引起的滑脫破壞；另一種為可調(diào)式鉸鏈B 掛鉤處變形過(guò)大引起的破壞。

2）可調(diào)式鉸鏈B 掛鉤處為結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域，在實(shí)際工作中容易產(chǎn)生應(yīng)力集中和平面外大變形的情況，在不影響裝配的基礎(chǔ)上應(yīng)當(dāng)適度改良其構(gòu)造形態(tài)。

3）在實(shí)際安裝過(guò)程中應(yīng)當(dāng)保證槽鋼鎖扣處高強(qiáng)螺栓的擰緊力矩，避免構(gòu)造缺陷引起的破壞，并盡可能發(fā)揮材料的承載能力。