基于ANSYS的螺杆式抗震支架吊杆性能研究

赵金桥 刘胜 张琨

摘 要：抗震支架可在地震中对建筑机电工程设施给予有效保护，降低震后二次灾害的破环。为探究吊杆对抗震支架抗震性能的影响程度，基于螺杆式抗震支架模型，运用ANSYS Workbench与高性能计算（HPC）技术进行模态分析及反应谱分析。通过研究吊杆直径、吊杆安装长度、吊杆有无紧固C槽钢及紧固C槽钢的安装尺寸4个因素，探究悬吊部分对抗震支架抗震性能的影响程度。研究发现吊杆直径与吊杆安装长度对螺杆式抗震支架悬吊部分性能有较大影响，吊杆处增加紧固C型槽钢可提高吊杆的抗震性能。运用HPC技术进行抗震仿真运算，为ANSYS Workbench与HPC技术在抗震工程中的应用提供范例，也为螺杆式抗震支架的实践应用提供了理论依据。

关键词：螺杆式抗震支架;吊杆;槽钢;抗震性能;ANSYS

DOI：10. 11907/rjdk. 182661 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：TP319文献标识码：A 文章编号：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：大学生创新训练项目（cx1801018）

作者简介：赵金桥（1994-），男，上海工程技术大学机械与汽车工程学院硕士研究生，研究方向为机械振动、建筑抗震分析;刘胜（1977-），女，上海工程技术大学机械与汽车工程学院副教授，研究方向为机械振动、建筑减震、计算机辅助设计工程。本文通讯作者：刘胜。

0 引言

现代公共建筑中，非结构构件投入成本占建筑总投入的大部分，地震后非结构构件破坏引起的损失远远高于建筑结构件破坏引起的损失[1]。根据文献[2-3]对北岭地震、智利地震的震害进行总结，发现管线系统的破坏给应急救援、灾后重建工作等带来严重影响。

管线系统抗震研究方法有试验法、精细化数值模拟、理论分析等[4-7]。近年来，Goodwin[8-9]等通过一系列振动台试验，发现抗震支架可有效减小管线系统的位移响应，但不能减小加速度响应。2014年，Wood[10]等通过单调加载与循环加载研究抗震支架的力—位移滞回关系，发现抗震支架连接件性能对力学性能影响较大。同年，Soroushian[11-12]等通过有限元软件OpenSees对喷淋管线系统进行拟静力模拟，发现泄露多发生在管线接头处。

国内管线抗震研究起步较晚，且多集中于埋地管线。建筑管线抗震支架虽在实际施工中应用广泛，但研究却较少。何继动[13]、王华忠[14]、孙雪丰[15]等分别对抗震支架的应用及施工技术进行了阐述。国家标准GB 50981-2014《建筑机电工程抗震设计规范》[16]中，虽对抗震支架的应用与设计进行了说明，但其研究方法与应用比较模糊。朱浩樑[17-18]等运用ETABS软件对建筑抗震支吊架进行分析，证明抗震设计中时程分析法优于等效侧力法。尚庆学[19-20]等通过拟静力试验研究抗震支架，建立了柔性管线力学模型，验证了抗震支吊架的抗震性能。本文对常用螺杆式抗震支架进行分析，运用ANSYS Workbench与高性能计算（HPC）技术[21]对单个螺杆式对夹管箍侧向抗震支架进行仿真试验，以研究吊杆对螺杆式抗震支架抗震性能的影响。

1 理论模型与仿真流程

1.1 多自由度弹塑性分析模型建立

如图1所示，在地震地面运动作用下，假设地面运动变形为[x0]，则质点系绝对位移为：

图1 地震作用下多自由度模型

1.2 振型分解组合法

利用振型向量的正交性，由式（4）可得N个关于[qs（t）]的独立微分方程。

式（5）中[γs]为振型参与系数，[γs=s=1Nmiui，si=1Nmim2i，s]。

由振型线性组合可得多自由度体系的地震响应。

[相应结构恢复力为：

1.3 仿真流程

ANSYS作为大型通用有限元分析软件广泛应用于土木工程、矿产地质、航天、机械等领域，旗下ANSYS Workbench为ANSYS新研发的协同仿真平台，采用图形交互界面，可轻易完成多物理场仿真分析、多场协同分析等。

ANSYS Workbench分析思路：通过数据接口技术，建立三维建模软件与ANSYS Workbench之间的数据通道。依经典有限元分析流程，对模型设置材料属性、划分网格、边界条件、施加载荷、求解等步骤，经处理后输出分析结果，流程见图2。

图2 仿真流程

2 有限元仿真

2.1 建立三维模型

运用SolidWorks三维设计软件建立管道与抗震支架模型。选择SolidWorks Routing 插件进行管道与线路设计，使用 SolidWorks钣金、标准件库及 SolidWorks 自身建模等功能，建立螺杆式抗震支架的三维实体模型。

本文研究对象是螺杆式抗震支架中的吊杆（见图3、图4），主要从吊杆直径φ、吊杆安装长度L、有无C型槽钢加固、C型槽钢安装长度方面研究。

图3 螺杆式抗震支架

图4 螺杆式抗震支架三维图像（SolidWorks）

根据螺杆式抗震支架图，分别建立不同工况下的模型，工况详情见表1、表2、表3。其中表1描述工况：当吊杆安装长度L不变时，研究吊杆直径φ与C型槽钢对抗震支架性能的影響;表2描述工况：当吊杆直径不变时，吊杆安装长度L对抗震支架性能的影响;表3描述工况：当吊杆直径与安装长度不变时，吊杆紧固C型槽钢安装长度对抗震支架的影响。

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

注：吊杆安装长度L=300mm

表2 工况C描述

表3 工况D描述

注：L1、L2为螺杆紧固件（螺栓）与C型槽钢两端的距离

2.2 并行仿真运算

由于三维模型数值分析计算网格数目多、计算量大、计算时间长，所以需简化处理，进行二维数值模拟。结合本例螺杆式抗震支架实际情况，数值仿真选择多核并行计算。

ANSYS16.0平台提供了多物理场协同工作平台（ANSYS Workbench）与参数化高性能计算许可模式（HPC），可大幅改进大型、复杂模型的仿真运算性能。高性能计算（HPC）通过调用多GPU用于仿真，加快仿真速度。

并行计算设置：打开ANSYS Workbench，点击Tools- Options开启并行计算（Parallel）。设置物理核心数量（Processors），进行CPU超线程技术设置，见图5。根据计算机配置设置合理的Database Memory（数据空间）与Workspace Memory（验算空间），以最大限度使用内存。

图5 设置并行计算

高性能计算（HPC）中内存使用模式分为In-Core与Out-of-Core。In-Core内存模式通过调用最大数量的内存以避免过多使用硬盘，降低运算时对硬盘的依赖;Out-of-Core内存模式则是在内存容量需求与硬盘速度需求之间取得性能平衡。依据仿真需求与计算机配置，仿真运算选取Out-of-Core内存模式。

仿真运算求解器分为Direct（稀疏矩阵求解器）与Iterative（PCG求解器）。对于高性能计算，一般使用高速迭代PCG求解器。PCG求解器对CPU、GPU占有率较高，可充分发挥CPU、GPU浮点计算能力，降低内存需求量，缩短整体求解时间。

2.2 ANSYS前处理

打开ANSYS Workbench建立分析模块，调用Modal模块与Response Spectrum模块，并在模块之间建立信息传递路径，如图6所示。

图6 分析模块

通过ANSYS Workbench中的CAD configuration接口，将三维模型导入Workbench。运用Workbench Design Molder模块查看模型进行适当修改。在Workbench Engineering Data中设置材料属性。本例钢材使用Q235碳素结构钢，连接螺栓使用8.8级螺栓，DN100管道材料为06Cr19Ni10。材料性能见表4。

表4 材料性能

Workbench中立体模型提供的网格类型有4种，分别为四面体、棱锥、棱柱与六面体。网格划分方法有6种，分别是Automatic（自动划分）、Hex Dominant（六面体）、Sweep（扫掠）、 Multizone（多区域）、Tetrahedrons（四面体）、Cartesian（笛卡尔）。对螺杆式抗震支架模型中的吊架与管道、侧向支撑与管道的接触处应重点关注，网格密度需要加大。网格划分结果见表5。

表5 网格划分结果

实际工程应用中，螺杆式抗震支架吊架一般通过锚固直接与混凝土结构相连接。管道除去抗震支架约束外仍应有承重支架约束，由此确定ANSYS Workbench中模型的固定约束、位移约束等边界条件。

2.3 反应谱分析

选用国内某核电站楼层反应谱进行加载，研究螺杆式抗震支架吊杆性能。该楼层反应谱采用地面最大加速度值，水平方向为0.1g（g为重力加速度），每节点楼层反应谱取地基动弹性模量24 500MPa的包络面，对峰值进行±15%频率拓宽和平滑处理。楼层反应谱见图7，该楼层反应谱为阻尼比4%以下的楼层反应谱。由楼层反应谱图可知，该楼层的主振频率集中在1～10Hz。

在图7楼层反应谱中选取数据，对模型进行水平方向加载，通过Workbench Response Spectrum模块进行振型分解组合计算，输出变形结果。

3 仿真结果分析

3.1 吊杆直径、槽钢对抗震支架的影响分析

3.1.1 模态分析

按上述不同工况通过ANSYS Workbench计算分析，可得A、B工况下螺杆式抗震支架的模态振型结果，见表6，A、B工况振型对比结果见图8。

表6 A、B工况模态分析                          （φ/mm）

图8 A、B工况振型对比

随着吊杆直径φ的增加，螺杆式抗震支架的模态振型频率也会随之变化，尤其是第一、二、五、六阶模态振型频率会随着吊杆直径φ的增加而增大。螺杆式抗震支架吊杆引入紧固C型槽钢，可在一定程度上改变支架的模态振型频率，尤其是第一、二阶模态振型频率均有较大增幅。

3.1.2 抗震分析

根据计算分析，在Workbench Response Spectrum中输出反应谱分析结果，见表7、表8与图9、图10。由图表可知：从A1到A4、B1到B4，可以观察到随着吊杆直径φ的增大，螺杆式抗震支架中管道的位移响应变化微小，管夹与吊杆的位移响应有大幅度下降。通过A1B1到A4B4对比可知，通过C型槽钢紧固吊杆可有效增加吊杆的抗震性能，缓减管夹处的位移响应， C型槽钢引入不会影响螺杆式抗震支架约束管道的地震位移响应。

表7 A、B工况位移响应

表8 槽钢对抗震支架影响                             （%）

图9 A工况位移响应

图10 B工况位移响应

3.2 吊杆安装长度对抗震支架的影响分析

3.2.1 模态分析

通过ANSYS Workbench计算分析，可得C工况下螺杆式抗震支架的模态振型结果，各阶振型结果见表9，振型线见图11。

由此可知：螺杆式抗震支架随着吊杆安装长度的增加，支架的模态振型频率会发生一定程度的变化;第一、二、五、六阶模态振型频率会随着吊杆安装长度的增加随之减小。

表9 C工况模态分析                            （L/mm）

注：吊杆直径φ=12mm

图11 C工况振型

3.2.2 抗震分析

在Workbench Response Spectrum中输出反应谱分析结果，见表10和图12。由表10可知：吊杆安装长度的变化对管道的地震位移响应没有影响;随着吊杆安装长度的增加，管夹、吊杆的最大位移响应也随之增大，即吊杆安装长度对抗震支架中悬吊部分有一定程度的影响。

表10 吊杆安装长度对抗震支架影响

图12 C工况位移响应

3.3 槽钢安装尺寸对抗震支架的影响分析

3.3.1 模态分析

通过ANSYS Workbench計算分析可得D工况下螺杆式抗震支架的模态振型结果，各阶振型结果见表11。

将各阶模态振型频率对比后知：吊杆处紧固C型槽钢安装尺寸变化几乎不会对支架的模态振型产生影响。

表11 槽钢安装长度对抗震支架的影响                  （Hz）

3.3.2 抗震分析

在Workbench Response Spectrum中输出反应谱分析结果，见表12和图13。

表12 槽钢安装长度对抗震支架影响

图13 D工况位移响应

由表12可知：吊杆处紧固C型槽钢的安装尺寸变化仅在一定程度上影响支架中吊杆、管夹的抗震位移响应。

4 结语

运用ANSYS Workbench与HPC技术对螺杆式抗震支架进行分析，研究吊杆对螺杆式抗震支架的影响发现：吊杆直径与吊杆安装长度对螺杆式抗震支架悬吊部分的性能有较大影响，吊杆处增加紧固C型槽钢可提高吊杆的抗震性能。本研究为螺杆式抗震支架的应用提供理论依据，同时也为ANSYS Workbench与HPC技术在抗震工程中的应用提供了范例。此外，螺杆式抗震支架与混凝土之间的锚固、支架生根等连接也对抗震性能有重要影响，为此需深入研究抗震支架与混凝土之间连接形式的有限元模型。

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（责任编辑：杜能钢）