機電管線用支吊架抗震性能試驗方法綜述*

孫 彬，張雪芳，張晉峰，王景濤

(中國建筑科學研究院有限公司， 北京 100013)

0 引言

近些年來，基于性能的抗震設計理念不斷發(fā)展[1-2]，結構性構件抗震能力得到較大提高，地震造成的重大災害和主要經(jīng)濟損失多體現(xiàn)于非結構性構件，例如管道系統(tǒng)[3]。管道系統(tǒng)是指支撐于建筑結構的包括消防管道、通風管道、電纜在內(nèi)的附屬機電設備及其支吊架體系。地震中因支吊架損壞引發(fā)的管道系統(tǒng)破壞往往會導致建筑主體結構功能癱瘓或者喪失，甚至造成人員傷亡。

2006年夏威夷地震使當?shù)卮罅拷ㄖ?nèi)的消防噴淋管道系統(tǒng)遭到嚴重破壞，大規(guī)模消防用水泄漏導致建筑使用功能癱瘓[4]；2010年智利地震后，大約50%的建筑因內(nèi)部自動消防噴淋系統(tǒng)發(fā)生泄露而喪失使用功能，泄露的主要原因是管道接頭的損壞以及支吊架發(fā)生了較大位移[5]；2011年東北太平洋地震后，消防系統(tǒng)和管道的損失分別占建筑設備全部損失的10%和27%[6]。

管道發(fā)生破壞的主要原因是在地震作用下支吊架損壞致使管道發(fā)生較大位移，導致管道接頭破損或彎折。作為管道系統(tǒng)與建筑主體結構之間的重要連接構件，支吊架不僅要承受來自管道系統(tǒng)的重力荷載，而且要保證在地震作用下不產(chǎn)生過大位移。1994年美國北嶺地震，裝有支吊架的附屬機電設施損壞甚微，但未安裝支吊架的水管和消防管損壞較為嚴重[7]；Goodwin等對醫(yī)院管道懸掛組件進行的振動臺試驗結果表明，支吊架體系能夠有效地限制管道位移[8]；Tian等通過對三個足尺自動噴淋管道體系進行試驗發(fā)現(xiàn)，在動力荷載作用下，裝有支吊架的管道系統(tǒng)受力性能優(yōu)于未安裝支吊架的管道系統(tǒng)[9]。所以，研究支吊架抗震性能對于提高管道系統(tǒng)安全具有重要意義。

國外對于抗震支吊架研究開始較早，1947年美國在NFPA 13中規(guī)定了自動消防噴淋系統(tǒng)抗震支吊架的設計方式，NFPA 13的設計理念是提供充足的抗震支吊架，避免管道因慣性力作用產(chǎn)生較大的位移[10-11]；1978年，美國ATC-03 report(ATC 1978)規(guī)定了非結構構件抗震性能設計方法；1985年，美國NEHRP制定的基于新建建筑物和其他結構的抗震設計規(guī)范直接引用了ATC 1978的相關規(guī)定[12]，隨后的ASCE 7-16也是參照這一規(guī)定[13]；此外歐洲抗震規(guī)范EN 1998[14]以及新西蘭抗震規(guī)范NZS 1170.5[15]中也都規(guī)定了非結構構件抗震設計方法；2008年汶川地震以后，國內(nèi)對建筑機電工程抗震才開始逐漸重視起來[16]，2015年發(fā)布實施的《建筑機電工程抗震設計規(guī)范》(GB 50981—2014)明確規(guī)定，對抗震設防烈度6度及以上地區(qū)附屬機電設施必須進行抗震設計[17]。相比于附屬機電設備自身剛度而言，其與主體結構連接的剛度很弱，因此附屬機電設備的抗震設計通常指抗震支吊架的抗震設計[18]。

目前，對支吊架進行抗震性能研究的主要手段為試驗研究和數(shù)值模擬研究，試驗研究包括擬靜力試驗、擬動力試驗和振動臺試驗等，數(shù)值模擬研究又分為兩類，一類是通過有限元軟件建立支吊架模型，直接對抗震支吊架組件或部件模型施加荷載，分析其抗震性能[19]；另一類是建立包括支吊架在內(nèi)的管道系統(tǒng)模型，對其施加地震作用來考察其抗震性能。由于管道系統(tǒng)構造復雜，節(jié)點多樣，通常情況下有限元軟件并不能完全反映結構真實受力狀態(tài)，因此，還需結合試驗來研究支吊架抗震性能。

本文詳細介紹了國內(nèi)外標準規(guī)范中支吊架抗震性能的試驗方法，結合試驗理論與案例，分析了各種試驗方法的適用性，并針對國內(nèi)現(xiàn)有抗震支吊架特點給出了試驗方法建議。

1 抗震支吊架擬靜力試驗方法

擬靜力試驗又稱為低周往復循環(huán)試驗，即對抗震支吊架施加多次往復的靜力荷載來模擬結構在地震作用下受到的多次往復水平荷載作用，通過試驗破壞現(xiàn)象進而研究抗震支吊架的破壞機制。

1.1 FM 1950擬靜力試驗方法

FM 1950[20]給出了針對單桿抗震支吊架部件和組件的擬靜力試驗方法，采用力控制加載，加載速率為0.1Hz。支吊架部件和組件的加載制度相同，但在加載幅值和位移限值方面略有差異。對于加載對象，預先估計其承載力，如果支吊架組件(支吊架部件)承載力大于2.25kN(2.5kN)，則初始加載荷載為9kN(10kN)，如果承載力小于2.25kN(2.5kN)，則初始加載荷載為2.25kN(2.5kN)。

試驗需要將兩套抗震支吊架和一根管道固定在測試裝置上，如圖1所示。先以初始荷載對管道進行15次等幅低周往復循環(huán)加載，隨后加載幅值按照式(1)逐漸增大，直到支吊架部件或組件出現(xiàn)破壞或超出規(guī)定的位移限值時停止。其中FM 1950規(guī)定了不同安裝角度的抗震支吊架部件和組件位移限值，見表1。

(1)

式中：F為加載力；X為初始荷載；n為加載次數(shù)。

圖1 抗震支吊架擬靜力試驗測試圖

不同安裝角度的支吊架部件(組件)位移限值 表1

羅干等采用FM 1950試驗方法對抗震支吊架開展了低周往復荷載試驗，得到其滯回曲線，試驗結果表明，抗震支吊架可以抵抗6～9度抗震設防烈度的地震作用[21]；尚慶學等采用上述方式對鋼纜式、梁夾式、螺桿式三類單桿側向抗震支吊架進行了擬靜力試驗，并通過易損性分析確定了位移限值對應的承載力，并將其轉換為加速度指標[22]。

1.2 FEMA 461擬靜力試驗方法

FEMA 461[23]給出了針對非結構構件的通用加載方式，變幅位移或變幅力控制加載。采用位移控制加載，即試驗前通過單向拉伸估計初始加載位移Δ0以及最大加載位移Δm。加載時位移幅值從Δ0逐級增加到Δm，相鄰工況幅值比是1.4。如果位移達到Δm時，試件還未破壞，繼續(xù)施加一個恒定位移幅值0.3Δm，直至試件破壞。FEMA 461中要求，在出現(xiàn)最小開裂位移之前至少應進行6次加載，每個幅值至少進行2次循環(huán)，當加載次數(shù)為10時，加載歷程見圖2。由于力是位移產(chǎn)生的結果，因此，在FEMA 461中，采用力控制的加載方式實則是基于位移控制加載得到的力-位移曲線，對非結構構件進行加載。

圖2 FEMA 461擬靜力試驗加載歷程

尚慶學等根據(jù)FEMA 461中的加載制度對兩種不同直徑螺桿的單桿抗震支吊架進行了擬靜力試驗，分析其滯回曲線發(fā)現(xiàn)，抗震支吊架在正負向加載時力學性能差異很大，這是由于支吊架在正向加載時，底部連接件發(fā)生偏轉所致[22]；由于不同型號的支吊架在單調(diào)拉伸試驗破壞時的位移角不同，Goodwin等采用FEMA 461中的力控制方式進行加載，根據(jù)單調(diào)加載試驗中的最大荷載以及位移控制加載中相鄰工況位移幅值的關系確定了最終加載工況[8]。

1.3 GB/T 37267—2018試驗方法

《建筑抗震支吊架通用技術條件》(GB/T 37267—2018)[24]和《建筑機電設備抗震支吊架通用技術條件》(CJ/T 476—2015)[25]中均給出了針對單桿抗震支吊架的擬靜力加載方案及位移限值。這兩種方案與FM 1950大體一致，只是限制了荷載循環(huán)次數(shù)，要求對試驗對象按照FM 1950中的加載方式進行55次低周往復循環(huán)加載之后，試件位移不得超過50mm，加載歷程如圖3所示。

圖3 擬靜力試驗加載歷程

1.4 其他擬靜力試驗方法

ICC 2000[26]，F(xiàn)M 1950僅估計了消防管道抗震支吊架承受的地震作用幅值，并未規(guī)定荷載的循環(huán)加載次數(shù)。Malhotra等結合18次強震記錄建立了低周疲勞模型，確定了支吊架部件荷載循環(huán)次數(shù)是15次，同時建立了測試抗震支吊架部件和組件承載力的試驗加載方案[27]。

加載方案分為兩階段，第一階段分別使測試構件承受拉壓力，在構件破壞或者達到位移限值時停止試驗，定義力-位移曲線坡度較緩的方向為柔性加載方向，坡度較陡的方向為剛性加載方向，記錄此時的最大拉力Ft和最大位移δt，最大壓力Fc和最大位移δc，見圖4。第二階段是對構件進行15次低周往復循環(huán)加載，柔性方向初始加載位移δ1取(1/3)δt或者表1部件對應的位移限值兩者中的較小值，δ1確定之后，F(xiàn)也隨之確定，根據(jù)力-位移曲線，進而可確定剛性加載方向的力F以及相應的加載位移δ2，然后對支吊架部件進行15次低周往復循環(huán)加載，記錄循環(huán)過程中的力最小值。繪制δ1對應的最小力-位移曲線，如果δ1小于表1中相應角度對應的位移限值，則將δ1按10%增幅，直到抗震支吊架部件破壞或者達到規(guī)定的位移限值。指定最小力-位移曲線的最大值Fθ為抗震支吊架部件經(jīng)受15次循環(huán)加載的承載力值。共進行三次試驗，取三次試驗中的最小值作為最終的Fθ，如果Fθ大于(2/3)min{Ft，F(xiàn)c}，則取Fθ為(2/3)min{Ft,Fc}。

圖4 單向拉壓力-位移曲線

1.5 不同擬靜力試驗方法的適用性分析

本節(jié)主要介紹了國內(nèi)外標準中適用于抗震支吊架的抗震性能試驗方法，其中FM 1950專門針對單桿抗震支吊架，通過該試驗方法可以準確獲得抗震支吊架失效或達到位移限值時的最大承載力，可為抗震支吊架抗震設計提供數(shù)據(jù)支撐，但是無法評定抗震支吊架產(chǎn)品合格與否。此外，F(xiàn)M 1950中的試驗方法僅適用于圖5(a)所示的單桿抗震支吊架，對于圖5(b)，(c)所示的雙桿抗震支吊架和雙立柱抗震支吊架[28]并不適用。

圖5 不同形式的抗震支吊架

FEMA 461給出的擬靜力試驗方法適用于非結構構件，該加載方案主要由單調(diào)加載和循環(huán)往復加載兩個階段組成，可以根據(jù)不同的非結構構件制定不同的加載歷程，具有較強的靈活性；GB/T 37267—2018中給出了抗震支吊架合格評價指標及試驗方法，目前對該方法還存在一些爭議。首先，該試驗加載方式僅適用于單桿抗震支吊架；其次，該試驗加載方案規(guī)定無論是對抗震支吊架施加2.25 kN還是9 kN的初始荷載，荷載循環(huán)都是55次，不同加載值采用統(tǒng)一的循環(huán)次數(shù)是不準確也是不合理的；Malhotra等提出的抗震支吊架循環(huán)加載方案是基于FM 1950中抗震支吊架部件的試驗加載方案而來，確定了加載工況和荷載循環(huán)次數(shù)，可用于不同類型抗震支吊架部件和組件的試驗加載[27]。

擬靜力試驗的優(yōu)勢在于可以根據(jù)試驗需要隨時修正加載歷程，其不足之處在于上述無論哪種加載方案都無法反映真實地震情況。動力試驗彌補了擬靜力試驗加載方案的不足，能夠更加真實反映地震作用對結構或者非結構構件抗震性能的影響。有資料表明，采用擬靜力試驗的方法來模擬動力試驗對于試驗對象是偏于安全的[29]。

2 抗震支吊架振動臺試驗方法

振動臺試驗是利用地震模擬振動臺對足尺模型或者縮尺模型進行地震激勵，以重現(xiàn)結構或者構件在真實地震作用下的受力全過程。由于抗震支吊架本身尺寸就很小，難以進行縮尺變換，因此，大多數(shù)抗震支吊架振動臺試驗均是足尺模型。

2.1 FEMA 461試驗方法

FEMA 461中給出了適用于加速度敏感型非結構構件的振動臺試驗加載方案，該方案僅適用于在同一個樓層的非結構構件的抗震性能測試，對于隔墻和垂直的管道系統(tǒng)，F(xiàn)EMA 461建議采用擬靜力試驗加載。

FEMA 461振動臺試驗主要包含系統(tǒng)驗證性測試、抗震性能評估測試以及構件失效測試，在每一次抗震性能評估測試和構件失效測試前后均需進行系統(tǒng)驗證性測試。抗震性能測試和失效測試地震波采用的是由MATLAB生成的窄帶隨機掃描加速度記錄疊加而成，采樣頻率是100Hz，該地震波頻帶寬度是頻程的1/3，頻率變化范圍在0.5 ～32Hz之間，變化速率是每分鐘6倍頻程，即每隔10s頻率增加一倍，信號時長為60s，地震波強度逐級增加且不小于25%增幅，圖6給出了橫向疊加地震波波形圖。

圖6 橫向疊加地震波波形圖[23]

Matthew等為了研究管道支吊架體系錨栓的作用力，對七層足尺剪力墻結構進行了振動臺試驗，試驗加載方案與FEMA 461中給出的加載方案類似，對臺面輸入三次真實地震加速度記錄進行抗震性能評估測試和失效測試。結果表明隨著支吊架位移的增加，管道體系剛度下降，頻率逐漸減小，且其非線性主要由于支吊架體系的非線性變形引起，和管道本身無關[30]。

2.2 AC 156試驗方法

AC 156[31]中給出的振動臺測試方法適用于自振頻率不小于1.3Hz的非結構構件。該測試方法與FEMA 461振動臺測試方法類似，在抗震性能測試之前進行共振測試來獲取構件的自振頻率以及阻尼比。與FEMA 461中略有不同的是，該標準要求測試輸入信號頻率范圍在1.3～33.3Hz范圍內(nèi)。

AC 156規(guī)定，構件自振頻率小于16.7Hz屬于柔性構件，大于16.7Hz屬于剛性構件，圖7是阻尼比為5%時柔性構件和剛性構件的水平以及豎向加速度需求反應譜曲線(RRS)，計算公式如下：

Aflexible-H=SDS(1+2z/h)

(2)

Arigid-H=0.4SDS(1+2z/h)

(3)

Aflexible-V=0.67SDS

(4)

Arigid-V=0.67SDS

(5)

式中：Aflexible為柔性構件質心處的設計加速度；Arigid為剛性構件質心處的設計加速度；SDS為短周期段設計加速度反應譜，參見IBC；z為非結構構件所處高度；h為建筑物高度。

通過加速度需求反應譜計算的輸入振動是頻率在1.3～33.3Hz的多頻寬帶隨機信號，持續(xù)時間為30s，且要求至少有20s的強震動，測試過程中獲得的試驗反應譜曲線(TRS)應包絡RRS且在放大的RRS區(qū)域內(nèi)不宜超過RRS的30%。

圖7 AC 156加速度需求反應譜曲線

滕睿等根據(jù)AC 156中測試方法提出了一種基于樓面響應譜的離線迭代控制方法并將其應用于承壓管道支吊架振動臺試驗，發(fā)現(xiàn)該方法能較好地再現(xiàn)非結構構件受到的樓面響應譜作用[32]；Siavash等建立了加壓消防噴淋管道的綜合分析模型，對其在水平向施加AC 156中規(guī)定的加速度，在豎向施加ASCE 7-16中規(guī)定的加速度，解釋了消防管道體系支吊架在地震作用下的非彈性行為[33]；Yun等為了研究NFPA 13中消防管道體系加固構件的作用，建立了某醫(yī)院的消防管道體系模型，并對其施加AC 156中的加速度需求反應譜，結果表明，位于主要管道的支吊架能有效降低螺紋接頭的彎矩，同時剛性支撐能有效降低噴頭的位移[34]。

2.3 ISO 13033試驗方法

ISO 13033是歐洲首個驗證非結構構件或體系抗震性能的標準，該標準規(guī)定了加速度敏感型非結構構件振動臺測試方法[35]。ISO 13033同樣給出了RRS，見圖8，與AC 156有所不同的是，與RRS相對應的頻率不再是一個確定的值，而是頻率范圍，其中f0為1.3～2.5 Hz，f1為7.5～8.3 Hz，f2為10～16.67 Hz，f3為33.3 Hz，其中構件阻尼比為5%，β是豎向加速度和水平向加速度的比值，在1/2～2/3之間取值。

圖8 ISO 13033加速度需求反應譜曲線

Perrone等通過Eurocode 8對ISO 13033中RRS進行了修正，并將其應用于加速度敏感型非結構構件振動臺試驗，評估其抗震性能并獲得了良好的效果[36]。

2.4 不同振動臺試驗方法的適用性分析

黃寶鋒等根據(jù)非結構構件震害反應特征將非結構構件分為位移敏感型、加速度敏感型以及混合敏感型[37]?？拐鹬У跫芎茈y單獨歸類，取決于其安裝位置，當抗震支吊架與平行于樓面的管道設備連接時，屬于位移敏感型構件；當抗震支吊架與位于建筑物底部或者地下室的管道設備相連接時，屬于加速度敏感型；當抗震支吊架與豎管相連時，屬于混合敏感型。

FEMA 461中振動臺試驗方法是針對加速度敏感型非結構構件，適用于地鐵管廊、地下室安裝的抗震支吊架試驗加載，該方法可用于自振頻率不小于0.5 Hz的非結構構件；AC 156中振動臺測試方法適用于自振頻率不小于1.3 Hz的非結構構件，該方法并未明確限制非結構構件類型；ISO 13033中振動臺試驗方法與AC 156類似，但是僅適用于加速度敏感型構件。

3 擬動力試驗方法

圖9 抗震支吊架擬動力試驗原理圖

擬動力試驗是一種聯(lián)機試驗，即將計算機和作動器聯(lián)機，通過計算機向作動器輸入真實地震波記錄或者人工模擬的地震波，進而模擬主體結構或者非結構構件在地震作用下的反應全過程?？拐鹬У跫軘M動力試驗屬于子結構擬動力試驗，其試驗原理如圖9所示。首先向計算機輸入地震加速度，由計算機內(nèi)部軟件通過動力方程對其進行求解，得到初始地震反應位移，然后通過作動器將該位移施加在支吊架上，可以得到構件在此位移下的恢復力，試驗機將此恢復力反饋到計算機，對該恢復力和地震加速度值通過動力方程繼續(xù)求解，得到下一步的加載位移值，如此反復循環(huán)直至試驗結束。對于抗震支吊架這種尺寸較小的構件，對其進行擬動力試驗時，無需建立主體結構的足尺模型，僅需對足尺抗震支吊架進行加載即可，具體試驗加載方式類似于抗震支吊架擬靜力試驗加載，只不過擬靜力試驗加載時，作動器向管道施加的是低周往復循環(huán)荷載，而擬動力試驗加載時，作動器向管道施加的是動態(tài)的荷載、真實地震波記錄或人工合成地震波。

進行擬動力試驗之前要先對試件進行小變形靜力加載試驗，確定試件的初始剛度，試件自振周期可通過脈動法等動力測試方法獲得，同時試件阻尼比也需要在試驗之前估計。有研究表明，阻尼比只在彈性階段影響較大，進入塑性階段影響不大，因此擬動力試驗可以設置較小的阻尼比值或者取零[38]。此外，擬動力試驗不需要試件的真實質量來產(chǎn)生慣性力，對于抗震支吊架，可以僅在管道上增加附加質量或者通過千斤頂施加豎向荷載來滿足荷載相似的要求即可。

擬動力試驗被廣泛地應用于結構和非結構構件的抗震性能研究[39-43],目前擬動力試驗在管道系統(tǒng)以及抗震支吊架領域的應用較少。Melo等對管道系統(tǒng)進行了擬動力試驗，分析其動態(tài)特性。結果表明，擬動力試驗方法是一種能夠在準靜態(tài)環(huán)境中進行的試驗成本較小且精確的動態(tài)分析方法[44]。

4 建議

本文總結了支吊架抗震性能試驗方法，包括擬靜力試驗、振動臺試驗以及擬動力試驗，分別介紹了每種試驗方法的加載方式、試驗過程及適用范圍。擬靜力試驗適用于位移敏感型構件，振動臺試驗主要適用于加速度敏感型構件，擬動力試驗結合了擬靜力試驗和振動臺試驗的優(yōu)勢，對位移敏感型構件和加速度敏感型構件均適用。針對國內(nèi)抗震支吊架行業(yè)現(xiàn)狀，建議如下：

(1)對于單桿抗震支吊架，可沿用FM 1950中給出的擬靜力試驗加載方案，或者采用1.4節(jié)提出的試驗加載方案；對于雙桿抗震支吊架和雙立柱抗震支吊架，擬靜力試驗可選用FEMA 461中的試驗加載方案。

(2)GB/T 37267—2018中要求對抗震支吊架進行55次循壞加載，初始荷載為2.25kN和初始荷載為9kN的抗震支吊架均采用相同的循環(huán)加載次數(shù)，其合理性需要通過進一步的研究確定。

(3)對于加速度敏感型的抗震支吊架，可采用FEMA 461和ISO 13033中振動臺試驗方法對其進行測試，AC 156中振動臺試驗方法適用于自振頻率不小于1.3Hz的抗震支吊架。

(4)抗震支吊架振動臺試驗需要特定的試驗場地以及較高的試驗費用，可以考慮采用擬動力試驗來替代振動臺試驗，從而節(jié)省人力物力，簡化試驗程序。

(5)我國抗震支吊架發(fā)展還處于起步階段，目前還沒有完善的針對抗震支吊架試驗方法的標準，為促進抗震支吊架行業(yè)健康有序發(fā)展，應當盡快制定符合我國抗震支吊架現(xiàn)狀的試驗加載制度。