大型风管及支吊架体系力学与变形量数值模拟研究

大型风管及支吊架体系力学与变形量数值模拟研究

何泉江

中国华西企业股份有限公司    四川成都   610000

摘要：我国位于世界两大地震区之间: 环太平洋地震带和欧亚地震带。一些地区是这两个地震区的一部分。受此影响，中国的地震活动频率高，强度大，范围广地震损坏了建筑物和非结构性部件(如机电管线等)，地震造成的二次灾害包括火灾、洪水、有毒气体泄漏、流行病等。安装抗震支架后，可以保障机电管线的安全使用功能。本文对大型风管及支吊架体系力学与变形量数值模拟进行分析，以供参考。

关键词：安装工程；风管；支吊架；有限元分析；加固；仿真

引言

建筑工程中的抗震能力包括三个工作方面:建筑结构中的抗震能力、非结构构件中的抗震能力以及建筑电气设备中的抗震能力。建筑结构和非结构性建筑构件的抗震研究早些时候开始，设计、施工和鉴定规范文件已经完成，关于电子工程抗震设计的GB50981-2014标准于2015年8月1日正式生效建筑机电抗震措施主要包括合理规划管道设备的安装位置，防止设备移动或倾倒，控制管道移动，以及因移动而破坏接口等。抗震支吊架作为控制吊装设备、管线水平位移的装置自其概念首次被GB50981规范引入后，于2015年起在建筑工程中被广泛应用。

1城市轨道交通中风管连接

1.1连接准备

(1)创建风管法兰。法兰是通过焊接四根角铁来制造的，需要加下划线以确保焊缝内径大于外径。此外，必须在矩形风管法兰的拐角处添加螺栓孔，同时保持相同规范的法兰螺栓尺寸不变，以提高螺栓的可替换性。(2)执行管道清理。风管管段完成后，确保不会产生灰尘，并防止运输到施工现场时受到污染。(3) 风管与法兰连接。工作前必须检查技术质量，以避免脱铆。同时，必须确保风管翻转并与宽度相同的法兰对齐，并且焊缝和角点不能有孔。低压风管空气空间铆接钳的间距通常控制在15厘米以内，高压系统的风管所需长度小于10厘米，如是矩形风管，法兰的四个转角需设置螺栓孔。(4) 做好风管防腐工作。使用的风管类型为镀锌钢板风管。因此，在制作风管时，可以将防锈漆均匀涂抹至镀锌层，防止破坏镀锌层，此外，空调通风系统使用的紧固件为热镀锌件，要求施工人员做好风管支吊架防腐工作，防锈漆涂抹次数不少于2次，并将防火涂料刷于防排烟风管支吊架表面。风管连接时，需要对使用的紧固螺栓进行防松动处理。

1.2保温处理

完成风管连接与安装作业后，需在执行保温处理前，全方位检查风管严密性，做好检查记录。作业人员需明确保温部位，主要有空调送风管阀门、法兰接口。将离心玻璃棉作为保温材料，同时，需严格规定复合硅酸镁管壳的热导系数，一般不超过0.045W/（m.k），容重为80±2kg/m3，弹性回复率大于90%，憎水率不低于98%。此外，还需将铝箔铺设于保温管壳外层，选用的铝箔厚度约为0.3mm。材料防火等级为A1级不燃材料，而材料自身拥有的性能及性能指标有专业机构提供的检测合格证明。执行保温作业时，应重点关注以下内容：（1）保温层应具有良好的平整度，不得存在裂缝，且离心玻璃棉板与风管之间的接触面也需做到无空隙。（2）明确风管类型以及各系统实际功能，以此为依据，合理选用保温材料，严禁出现错选、乱用等问题，下料时应做好各材料的编号工作，并严格按照编号顺序使用。（3）均匀分布矩形风管保温钉，如下图。

风管保温钉数量（个/m2）

2抗震支吊架形式

建筑机电抗震设计应根据工程条件和系统抗震需要选择最合理的抗震措施和抗震支吊架形式。能够满足抗震支承要求的支吊架具体的形式、材质是多种多样的，以日本《建筑设备耐震设计·施工指针2014年版》为例，其水平管道抗震措施章节列举了13种抗震支撑做法，除利用穿越结构梁、墙位置方式外，其余均为支吊架做法，而所用材料主要为角钢、槽钢和螺纹钢筋拉索等。目前，《建筑机电工程抗震设计规范》GB50981-2014要求组成抗震支吊架所有构件采用成品构件，将抗震支吊架作为一种产品，而相关配套设计图集也均采用装配式支吊架产品，一方面，这种认定方式适应了发展装配式建筑的产业政策，促进了装配式抗震支吊架产业的发展，但另一方面，对控制工程成本、提高创新热情可能存在不利影响。

3计算模型建立

3.1支吊架形式设计

尺寸1800mm×800mm；下部布置一排风管，尺寸为2500mm×700mm，风管壁厚均为1.5mm。支吊架采用悬吊式，设定间距为2m。结构形式分为上下两部分：上端横梁长度4200mm，下端横梁长度为2580mm。风管外表面包裹1层9mm厚防火板。

表 1 支吊架构件材料性能

3.2有限元计算模型设立

由于图纸中未标注吊架之间的风管需要加固，分析加固形式对风管本体及支吊架受力体系的影响，参考国标图集07K133《薄钢板法兰风管制作与安装》中角钢加固的方式对风管的长边进行加固，其中加固处采用6号角钢，由于吊架顶端与楼板通过膨胀螺栓固定，故在吊杆的顶部设置为全约束；角钢立柱顶端与钢板底座焊接固定，故在立柱顶部设置为全约束；此外，风管模型两端截断，实际都与风管连接，故在两端面设置对称面约束，限制端面的轴向和侧向自由度，仅让管道两端面有竖直位移。风管及其法兰和吊架均需考虑自重载荷。在ANSYS有限元模型中长度采用mm单位，故定义竖直向下的重力加速度g=9800mm/s

2。风管内压应取其设计压力或运行压力，本风管设计内压采用规范规定的最大高压值1500Pa（正压）。由于风管本体只有1.5mm厚，抗弯能力弱，挠度超过厚度会引起应力刚化，因此静力计算时应考虑几何非线性，在仿真模拟时应设定大变形计算功能，这样在求解时就会不断地更新刚度矩阵，从而得到更精确的解。

3.3抗震支吊架的组成及注意点

冲击杆由冲击吸收元件、锚定固定杆、固定杆和对角支撑组成。管线和弹簧钩之间的距离必须小于100mm。固定螺栓有效地提高了冲击杆的稳定性，并允许在管道两侧以相反但形状一致的方式设计支撑。在地震中，刚性管线对自身的影响更大。因此，必须在应用程序中扩展其尺寸，并在可接受的范围内控制定位固件和螺栓中硬管管线的承载能力。

4加固后风管支吊架计算与整体评价

支吊架综合受力不符合设计，同时存在位移安全裕度低的问题，而在模型中对风管进行加固处理后，吊架Mises等效应力图与局部。吊架的Mises等效等效应力的最大值为87.1MPa，低于材料的屈服强度235MPa，安全裕度为62.9%。最大值发生在立柱吊架下侧风管管卡连接处，梁截面的最外侧。吊架x方向的最大应力为86.6MPa（沿x轴反向），低于允许的抗拉强度157MPa，因此x方向的应力符合要求，安全裕度为44.8%。以上结果说明在大型风管系统中，角钢加固不仅仅能起到抗振减噪的作用，还能吸收一部分支吊架系统的应力。

结束语

自建筑机电抗震设计首部规范实施以来，在系统抗震和提高系统抗冲击性方面具有较高的重要性。根据所取得的成果以及在设计应用中发现的问题，建议根据区域冲击强度和建筑物冲击衰减类别相结合的情况，对冲击杆的探测范围进行研究，结合冲击衰减要求，进一步研究冲击杆的探测范围和方向，如何定义冲击减振器，以及结合现有底座锁组合支撑的一般应用和发展情况。

参考文献

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