抗震支吊架抗震連接構件的破壞試驗與數值分析研究

羅干，丁幼亮，2，3， 朱浩樑 ，2，3

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

1 引言

我國是一個地震災害嚴重的國家，地震活動頻度高、強度大、震源淺、分布廣、震災嚴重。地震不僅造成建筑主體結構的損毀，而且經常導致非結構構件特別是機電設備的破壞，造成巨大經濟損失。目前針對主體結構的抗震，規范已經相當成熟，但非結構構件的抗震仍然處于起步階段。

2015 年8 月1 日起國家開始批準實施的GB 50981—2014《建筑機電抗震設計規范》[1]提高了建筑機電系統的抗震安全性能，并且CECS 420：2015《抗震支吊架安裝及驗收規程》[2]示范了2 類抗震連接構件，其中可調式鉸鏈（I 型抗震連接構件）構造簡單且造價較低。針對不同的支吊架抗震需求適配高性價比的抗震連接部件，具有重大的工程經濟意義。為此，本文以可調式鉸鏈連接構件作為研究對象，采用靜力拉伸試驗，結合有限元仿真分析的方式，檢測了2 類連接部件的承載能力、破壞形式和影響因素，給出了可調式鉸鏈的適用承載范圍以及連接構件制造優化建議。

2 抗震連接部件破壞試驗

2.1 構件組成及傳力機理

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

圖1 可調式鉸鏈實物

可調式鉸鏈與槽鋼之間通過2 對鎖扣產生的摩擦力連接，在鎖扣的表面有2 道齒槽，有利于與槽鋼之間進行更加牢固的機械咬合；可調式鉸鏈的另一端則通過高強螺栓固定于墻面或者結構面上。當它受到拉力時，通過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可調式鉸鏈，最后通過錨固在墻體上的機械錨栓傳遞給結構體。

2.2 斜撐構件的拉伸試驗

抗震支吊架實際上是由多項零件共同組裝形成的復雜裝配體，其在地震荷載作用下的反應不能根據單一配件的承載力推導得出。為了更加合理地考慮各個零部件的相互作用，研究抗震支吊架的整體承載能力和破壞形式，需對抗震支吊架斜撐部件進行整體拉伸試驗，并根據不同條件下的破壞形式指導抗震支吊架固定連接件的優化設計。

2.2.1 試驗方案

依據抗震支吊架實際支撐情況和行業標準，按照不同的螺栓扭矩值，對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行拉伸破壞試驗。部件試驗分組如表1 所示，其中，螺栓扭矩均通過力矩扳手控制。

表1 部件試驗分組

本試驗中所使用的零部件均按照DIN EN 10025 標準生產，表面采用電鍍鋅處理，材質與設計荷載如表2 所示。

表2 抗震支吊架配件材質與設計荷載

根據CJ/T 476—2015《建筑機電設備抗震支吊架通用技術條件》中相關規定[3]，本試驗通過MTS 322 液壓伺服機作為加載裝置，采用鋼棒連接件分別將斜撐兩端的可調式鉸鏈A、B 連接在拉伸試驗機加載裝置上。待試件固定完畢后，啟動實驗裝置，逐級增加荷載，每級增加1kN，每次加載均持荷1min。通過檢查數據并確認產生永久變形時所受到的最小力。在實驗過程中，同時采集斜撐部件的位移和拉力。

2.2.2 試驗現象

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

圖2 可調式鉸鏈破壞形態

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

2.2.3 試驗數據分析

1）第一組試驗

第一組試驗3 個斜撐部件承載力為6～7kN，讀取作動器測量的力和位移數據，做3 個部件的荷載-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 個斜撐試件的極限承載能力分別為6.106kN、7.06kN、6.076kN，其中，①號與③號試件破壞形式為可調式鉸鏈與槽鋼連接處滑脫破壞，②號試件破壞形式為可調式鉸鏈B 掛鉤處被拉斷。對于第二組3 個承載力取平均值，求得螺栓扭矩為40N·m 時，采用可調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

第二組試驗2 個斜撐部件承載力為5～6kN，讀取作動器測量的力和位移數據，做3 個部件的荷載-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 個斜撐試件的極限承載能力分別為6.026kN、5.53kN，均為可調式鉸鏈與槽鋼連接處拉脫而失去抗震性能。對第二組2 個承載力取平均值，求得螺栓扭矩為25N·m 時，采用可調式鉸鏈的抗震支吊架斜撐承載力極限為5.78kN。

綜合以上2 組試驗對比，螺栓扭矩的提升對于斜撐的承載能力具有很大的影響，因此在實際施工過程中，一定要將螺栓擰至額定扭矩。同時，在現場檢測時，檢測部門應對螺栓扭矩進行檢測。

3 有限元數值分析

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均按照碳素鋼材Q235B 實際力學性能參數設置，本構關系選取彈性強化模型。在實體模型建立后，使用軟件自帶的自動劃分功能對抗震支吊架實體模型進行網格劃分，并通過相關性、曲率控制、最大單元尺寸和接觸面尺寸等工具對關鍵部位展開更加精密的網格劃分。主要配件網格劃分結果如圖5 所示。

圖5 網格劃分結果

3.2 邊界條件及接觸條件

有限元模型的約束條件應當與試驗中保持一致，為了能夠還原實際的安裝條件，在螺桿的底部圓面上以固定約束方式設置全自由度固定約束，在連接部件與結構體連接的螺栓孔位置，以同樣的方式施加固定約束?？烧{式鉸鏈的兩個配件在工作時將繞著螺栓軸線作自由轉動，對該螺栓串聯的2 個零部件以旋轉約束方式建立約束，使之能夠模擬真實的繞軸線自由轉動情況。

假設螺栓在試驗中不會破壞，螺栓、螺桿和對應的緊固件之間采用接合接觸，在運行分析時作為一個整體計算；建立旋轉約束的配件之間采用無摩擦接觸（Frictionless）；除以上配件以外，組合支吊架斜撐的各個配件之間采用帶摩擦的接觸（Frictional），摩擦系數選取為0.2，在切向力達到臨界力之前，摩擦面不會發生相對滑動。

3.3 分析步及加載步定義

按照實際荷載需要，在鎖扣與預緊螺栓之間設置螺栓荷載（Bolt Pretension），螺栓荷載大小和方向根據實際工況調整，螺栓荷載一旦施加后便處于鎖緊狀態。

為了與拉伸試驗及相關規范相符，有限元試驗采用力加載的方式，每級遞增加載1kN 并持荷1min，再進行下一級的加載試驗，直至荷載無法繼續提升再進行卸載。加載完成后，拾取荷載作用位置處的位移得出相對應的荷載位移曲線。加載方式如圖6 所示。

圖6 加載方式

3.4 有限元模擬與試驗結果對比分析

3.4.1 破壞形態

圖7 為可調式鉸鏈加載到極限狀態下的應力分布圖。從圖中可以看到，有限元模型在加載過程中，可調式鉸鏈在彎折處和掛鉤處產生應力集中情況，同時伴隨有較大的彎曲變形，塑性變形分布區域廣泛，與實驗現象相符。槽鋼在與可調式鉸鏈摩擦咬合處應力明顯大于其他部位，對應于試驗過程中因摩擦力不足產生的拉脫破壞情況。

3.4.2 荷載-位移曲線

螺栓擰緊力矩對于可調式鉸鏈抗震支吊架的承載能力具有顯著的影響，現設置不同的螺栓荷載，對比其荷載-位移曲線。根據GB/T 1231—2006《鋼結構用高強螺栓大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術條件》中對于擰緊力矩與預緊力的換算關系可知[4]：

式中，P為螺栓預緊力；T為擰緊力矩；K為扭矩系數；D為螺栓公稱直徑。

圖7 應力圖

對于8.8 級鍍鋅高強螺栓，K取0.22，螺栓公稱直徑統一取13.5mm，有限元中參數設置如表3 所示。

表3 有限元模型的計算參數

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，當螺栓擰緊力矩小于40N·m 時，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；當螺栓擰緊力矩達到50N·m 時，承載能力達到最大值7kN，荷載繼續增加，此時可調式鉸鏈掛鉤處出現破壞，承載力急劇下降。

圖8 有限元荷載位移曲線

4 結語

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

2）可調式鉸鏈B 掛鉤處為結構的薄弱區域，在實際工作中容易產生應力集中和平面外大變形的情況，在不影響裝配的基礎上應當適度改良其構造形態。

3）在實際安裝過程中應當保證槽鋼鎖扣處高強螺栓的擰緊力矩，避免構造缺陷引起的破壞，并盡可能發揮材料的承載能力。