【摘 要】
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建筑输液管道系统作为城市生命线的重要组成部分,承担着饮用、消防等输送功能,对维系社会生活起到重要作用。历次的地震震害调查,建筑输液管道系统的损坏对建筑主体及震后救援产生不利的影响,因此,管道系统抗震性能的影响因素及其变化规律值得探讨。本文主要利用有限元软件对管道系统抗震性能的相关影响因素进行分析,旨在为优化管道的抗震设计提供理论基础。主要研究内容及结论如下:(1)建筑输液管道系统的地震响应不仅受地
【基金项目】
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内蒙古自治区自然科学基金(2021LHMS05022);
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建筑输液管道系统作为城市生命线的重要组成部分,承担着饮用、消防等输送功能,对维系社会生活起到重要作用。历次的地震震害调查,建筑输液管道系统的损坏对建筑主体及震后救援产生不利的影响,因此,管道系统抗震性能的影响因素及其变化规律值得探讨。本文主要利用有限元软件对管道系统抗震性能的相关影响因素进行分析,旨在为优化管道的抗震设计提供理论基础。主要研究内容及结论如下:(1)建筑输液管道系统的地震响应不仅受地震作用的影响,还受自身振动特性的影响。为研究影响管道自身振动特性的相关因素,通过对工程案例采用模态分析法主要分析了管道支撑与管内液体对振动特性的影响。研究结果发现,支撑数量及其位置变化对管道振动特性影响较大,在管道中间增设支撑可以显著提高管道系统的固有频率,本案例中最大提高了2.82倍,抗震分析时需要重点关注管道支撑的影响;液体流动会降低管道系统的固有频率,但是当管道内压及压差较小时,液体对金属直管固有频率的影响几乎可以忽略,抗震分析时仅考虑液体质量及静压对管道的影响即可。(2)对于穿越楼层的竖向管道系统,为研究影响竖向管道系统抗震性能的相关因素,对管道系统采用多点激励模型进行分析,管道支撑采用无质量的弹簧单元进行等效模拟。通过工程案例中支撑刚度、液体压力和管道壁厚的变化,对不同工况下管道系统的地震响应特征进行分析总结。研究结果发现,管道Mises峰值应力出现的位置受支撑刚度的影响而发生变化,减小支撑刚度可以降低管道的峰值应力,考虑到支撑刚度对模态频率的影响,建议支撑刚度取值范围在K=1×10~6N/m~1×10~8N/m之间;增加管道内压会增大管道的Mises峰值应力,但随着地震强度、支撑刚度的增加,内压对管道地震响应的影响逐渐降低;增加壁厚会降低管道的Mises峰值应力,管壁从4mm增大到5mm,峰值应力分别在多遇强度和罕遇强度地震作用下降幅最高达到6.97%和9.76%。(3)对于悬挂于楼层下的水平管道系统,为进一步研究支撑对管道系统抗震性能的影响,通过工程案例中侧向抗震支吊架的数量变化,分析了五种不同的布置情形对水平管道系统抗震性能的影响。研究结果发现,当无侧向抗震支吊架时,地震作用下破坏的位置一般为承重支吊架吊杆的端部;管道两端对称增设侧向抗震支吊架后,侧向抗震支吊架为主要受力构件,承重支吊架的地震响应明显降低,与仅布置承重支吊架相比,应力响应最大降低幅度达到78.66%;基于两端对称布置考虑单侧侧向抗震支吊架失效后,失效端承重支吊架的吊杆端部最先发生破坏;在两端对称布置的基础上继续增设侧向抗震支吊架,当所有端布置侧向抗震支吊架时,吊杆端部的地震响应明显降低,与对称布置侧向抗震支吊架相比,应力响应最大降低幅度达到73.20%;基于所有端布置考虑单侧侧向抗震支吊架失效后,各构件Mises峰值应力较失效前均增大,但仍低于材料极限抗拉强度。由此可知,通过增设侧向抗震支吊架的方式来增加管道系统的冗余度,从而可以提高管道系统的抗震性能。
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