引言

非结构构件指建筑系统中除了结构构件以外的所有构件,包括建筑非结构构件和机电部分及其系统,统计资料显示,非结构构件占总投资的比重远大于结构构件(图 1)(Taghavi,2003)。在地震中非结构构件也往往先于结构构件发生损坏(中华人民共和国住房和城乡建设部,2015),造成严重的经济损失。在北岭地震中,公共建筑损坏造成的经济损失为63亿美元,其中仅11亿美元是由于结构构件失效所造成的(Kircher,2003)。


图 1 不同建筑类型投资分布比例 Fig. 1 Distribution of investment proportion with different construction types

建筑中有大量的给排水、燃气、通风、采暖和消防等管道设备,它们是维系建筑使用功能的重要非结构构件,室内管道破坏可能造成严重的次生灾害,如燃气管道泄漏极易造成爆炸、火灾等灾难,中国《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(中华人民共和国住房和城乡建设部等,2010)规定,可能发生次生灾害的非结构构件的设防目标不应小于主体结构,甚至应略大些。

每次大地震后均会对抗震规范进行修改,但仅从地震中获取数据是远远不够的,试验和理论研究是制定各类技术规范和技术标准的基础,需要大量的试验数据和数值模拟结果来深入研究室内管道系统的抗震性能。因此,本文重点论述近年来国内外学者进行的室内管道系统拟静力试验、振动台试验和数值模拟研究。

1 室内管道系统拟静力试验相关研究

拟静力试验又被称为低周往复荷载试验,通过在正、反2个方向对试验试件进行反复加载和卸载,拟静力试验可以模拟试件在地震作用下受到的往复振动,从强度、变形、能量等方面判定试件的抗震性能,目前国内外学者采用拟静力试验研究室内管道系统的抗震性能时,多采用FEMA461中建议的加载制度。Antaki等(1998)研究了使用卡箍接头和螺栓接头的碳素钢管在静力和动力加载下的性能,试验结果表明管道接头在动力荷载作用下更容易破坏,卡箍接头的破坏弯矩几乎为螺栓接头的1倍。张鲁冰等(1999)提出将与弯管相连的两管用管卡固定,使弯管在受到地震作用时,减少其往复运动的幅度和强度,从而克服钢管在弯折处容易断裂的性质。Tian等(2013)对螺栓接头、卡箍接头和CPVC胶接接头的抗震性能进行了试验研究,研究发现卡箍接头的抗震性能最好。尚庆学等(2018a)研究了使用卡箍接头的消防管线系统的抗震能力,结果表明卡箍接头总体变形能力较大,其中卡箍断裂和水管被拔出是管道系统破坏的主要原因,而镀锌钢管本身几乎无破坏,这也同时验证了实际震害中管线系统的破坏多是由于支撑系统的损坏所造成。Ju等(2018)通过一系列拟静力试验和相关数值分析研究了管径、壁厚和不同接头形式对室内管道地震易损性的影响,结果表明接头形式显著影响管道的抗震性能,螺栓接头比卡箍接头具有更高的易损性。尚庆学等(2018b)运用拟静力试验研究了柔性管线采用不同密封圈和接头形式时的变形能力,以判断穿越隔震层的竖向管线使用柔性连接时能否满足隔震层的较大水平位移要求,结果表明橡胶密封圈和金属密封圈能有效防止泄漏发生,但使用石棉密封圈的接头在遭受相对较小的位移时便发生泄漏现象,抓斗式接头可为柔性连接管线提供足够大的变形,卡套接头则不能提供隔震建筑所需的变形要求。贺思维等(2018)采用拟静力试验比较了室内给水管道中常用的PPR管和镀锌钢管的抗震性能,试验中PPR管接头采用热熔连接,镀锌钢管采用螺纹接头,试验结果表明PPR管较之镀锌钢管具有很强的变形能力,但PPR管发生破坏时的弯矩远小于镀锌钢管,PPR管的耗能能力也明显不如镀锌钢管,PPR管破坏时几乎全部为管道断裂,表现出明显的脆性。Dillingham等(2002)研究了CPVC管和碳钢管件的抗震性能和破坏特征,也给出了类似的结论。尚庆学等(2018c)针对钢缆式、梁夹式和螺杆式抗震支架进行了拟静力试验研究其抗震性能,结果表明3种抗震支架自身的承载力均远高于地震时所遭遇的地震荷载,其中以螺杆式抗震支架承载力最高,抗震性能最强。

Ju等(2015)提出1种新方法,用来评估医院消防管道系统中T形螺栓接头的地震易损性。首先,通过拟静力试验模拟T形接头在地震下的反应,其次,通过有限元软件建立其非线性有限元模型并用试验数据加以校准,最后,用建成的T形接头有限元模型模拟真实的医院管道系统以评估管道系统层面的地震易损性。试验时所用管线为消防喷淋管线中常用的DN50黑铁管道,开始试验前,先用与试验装置相连的软管向管道中注水,并使管道中水压达到城市标准水压,随后分别进行1次单调加载和3次循环加载试验,试验结果显示,循环加载下管道发生首次泄露现象时接头处的转角远小于单调加载时,这意味着T形螺栓接头在地震中容易积累损伤;随后,采用非线性旋转弹簧模拟T形螺栓接头,基于Opensees软件采用Pinching4单元建立T形接头有限元模型,通过数值模拟与试验结果进行对比,验证了该有限元模型的有效性;最后,建立基于真实医院的消防喷淋管道系统有限元模型,使用T形螺栓接头有限元模型模拟消防系统模型中最易破坏的2处接头并进行易损性分析,分析完成后加强上述2处接头中较易破坏的接头,使其在分析过程中始终保持线性状态并进行第2次易损性分析。比较2次分析的结果可以发现,管道特定位置处的地震响应仅受局部模态而非全局模态控制,即加强1个接头时并不会影响其余接头处的地震响应。

综上所述,近年来国内外学者采用拟静力试验进行室内管道抗震研究时主要集中在管道的管材、管径、壁厚和管道接头形式等,其中管材和管道接头形式对室内管道系统的抗震性能影响较为显著。研究发现金属管材比塑料管材具有更高的承载能力和耗能能力,而塑料管材的变形能力则远优于金属管材,2种管材各有其优缺点,可根据具体管道类型和抗震要求予以选择;管道接头形式按照管材的不同可分为螺栓、焊接、卡箍接头和热熔、电熔、胶接接头等,目前关于接头的研究主要集中在金属管材,关于塑料管材接头的研究较少,研究发现金属管材中螺栓接头的抗震性能最差,抗震要求高的管道应优先选择焊接或卡箍接头。

2 室内管道系统振动台试验相关研究

振动台试验可以很好地再现地震过程和模拟室内管道系统的边界条件,是在实验室中研究管道抗震性能的最直接方法,由于管道系统无法进行缩尺变换,需要采用足尺试验才能研究其抗震性能,因而采用振动台试验研究室内管道系统的抗震性能时,往往对振动台的尺寸有较高要求。Kato等(2000)采用振动台试验研究了使用大变形伸缩接头和波纹管球形接头等不同柔性连接接头的管线在基础隔震建筑中的变形能力,结果表明采用柔性接头的管线可适应隔震层的大位移。Adam(2001)采用振动台试验研究了1个3层铝框剪结构发生非线性变形时对室内管道地震响应的影响。Martinez(2007)研究了采用焊接接头和不锈钢卡箍接头2种不同连接方式的室内供水管道在振动台试验中的响应,并用ABAQUS软件建立了相应的有限元模型进行数值分析,使用卡箍接头的管道在穿墙处采用柔性接头,在其余部位采用刚性接头,采用焊接接头的管道全部采用刚性连接,结果表明不锈钢卡箍接头比焊接接头具有更好的抗震性能。Sorace等(2008)对一基础隔震结构中的供水和燃气管道进行了试验研究和有限元模拟,研究发现即使在罕遇地震作用下,穿越隔震层的供水和燃气管道在使用柔性连接时也能保证正常使用。Chaudhuri等(2008)研究了主体结构非线性、主次结构的质量比和自振频率以及二次结构的位置对二次结构地震响应的影响。为了研究消防喷淋管道系统的抗震性能,Sato等(2012)开展了1个5层全尺寸钢框架的振动台试验,结果表明管道本身几乎无损害,系统失效多是由于支撑系统和消防喷头的破坏。Soroushian(2013)采用振动台试验研究了医院管道系统中焊接接头和螺栓接头的抗震性能,并结合Opensees数值分析结果给出了2种接头的易损性曲线,结果表明螺栓接头的易损性要高于焊接接头。

试验技术的更新可以大大提高试验结果的精度与可靠度,近年来许多国内外学者致力于推动振动台试验技术的发展。Retamales等(2006)提出1种新的动力试验加载方案,该方法能同时提供足够大的楼层加速度和层间位移角,即该方法能同时适用于加速度敏感型和位移敏感型构件。Soroushian等(2011)建立了1个2层全尺寸钢框架用以研究室内消防管道的抗震性能,并在该试验中开发了1种新方法,可以实现通过2层钢框架模拟多层建筑中任意相邻2层的楼层加速度反应。滕睿等(2018)在振动台包含的自身离线迭代控制基础上,组建了1个外部迭代控制器,形成双层离线迭代控制系统,消除了加载所用固定框架自身动力特性的影响,避免管道系统与边界模拟装置产生调谐,从而在管道系统的加载边界实现了期望的楼面谱;此外,进行了承压水管支吊架的振动台试验,结果表明该方法可以很好地再现管道系统受到的楼面谱作用,验证了方法的可行性。

管道与主体结构的连接一直是管道抗震性能研究的重点,特别是近年来抗震支架的提出更是引起了国内外学者的广泛关注。Hoehler等(2009)进行了1个7层全尺寸钢筋混凝土结构振动台试验,研究了水平管道支撑系统中的锚固部分在地震时的受力性能,试验中所用管道为3m长的DN150mm铸铁管道。试验前预先注水以增加管道的重量,采用单轴水平震动,依次输入4次震级逐渐增加的地震动,试验结果表明由地震荷载引起的支撑系统中的锚固力均小于其极限承载力的38%,这意味着抗震支架中的锚固部分利用率较低;试验结果同样表明此次试验中管道系统的非线性变形几乎全部来源于支撑系统,与管道本身几乎无关,因此在该试验中用变形能力强的钢管替换试验中所用的铸铁管无意义。Zaghi等(2012)研究了医院管道系统中使用焊接接头和螺栓接头的管道在有无抗震支架时的抗震性能,管道系统被固定在1个2层全尺寸钢框架上,试验时输入双向水平地震激励,所用地震波根据AC156要求,采用SIMQKE软件合成,最大峰值加速度和最大峰值位移分别为1.31g和220mm,持时40s,试验前注水以考虑水的质量对管道的影响以及便于观测泄漏现象。试验结果表明,抗震支架能有效减小管道系统相对于框架的位移,但抗震支架对管道系统的加速度几乎无影响;虽然螺栓接头和焊接接头的弯曲刚度相近,但无论安装支架与否,使用螺栓接头的管道的地震响应均大于焊接管道。此外,为了发展1种能用于管道系统抗震设计的简化方法,基于SAP2000软件建立了医院管道系统的简化计算模型,其中管道使用线弹性框架单元进行模拟,管道内水的质量视为管道组件的额外分布质量,管道与其它组件的连接均假定为刚接,模型模拟结果与试验数据相比只有不到10%的误差,因此该计算模型可以很好地模拟医院管道系统的抗震性能,模拟结果显示随着抗震支架抑制管道在地震中发生的位移,管道的应力相应地增加,因此在设计抗震支架时应注意位移和应力的协调。

综上所述,近年来国内外学者采用振动台试验进行室内管道抗震研究时,主要集中在管道的柔性连接、主体结构变形对管道的影响、振动台试验技术以及抗震支架上。隔震建筑利用隔震层在罕遇地震下发生的大位移来消耗地震能量,因而要求隔震层内和穿越隔震层的管道必须具有与隔震层大位移相适应的变形能力,这种变形能力主要是通过管道的柔性连接来实现的,柔性连接可分为柔性管线和柔性接头,研究发现这2种方式都能适应隔震层的变形;主体结构的变形对室内管道的地震响应有着很大的影响,结构变形是管道破坏的主要诱导因素;振动台试验技术的发展对研究室内管道的抗震性能具有极大的推动作用,对该方面的研究不能忽视;抗震支架可有效降低室内管道的位移响应,但此时管道处于小位移高应力的工作状态,抗震设计时应注意位移和应力的协调,采用抗震支架时也要尽可能地利用其锚固部分,避免其利用率过低。

3 室内管道系统数值模拟相关研究

数值模拟是研究室内管道抗震性能的又一重要手段,数值模拟不仅可以佐证试验结果的正确性,更可以在试验条件受到限制时作为1种独立的研究方法。韩淼等(2003)提出具有连接区的混合子结构模态综合法,该方法可以方便地研究连接构件刚度、阻尼变化对管道系统地震响应的影响,以及将主体结构与隔震层分开考虑,研究隔震层刚度、阻尼发生变化时对管道系统的地震响应的影响。韩淼等(2005)研究了基础隔震结构中水平管道的抗震性能,研究发现隔震结构中位于非隔震层的水平管道的地震响应与非隔震结构相比显著减小,而且水平管道处于不同楼层时的最大加速度响应比较接近,研究同样发现增大水平管道的阻尼比对于减轻其地震响应有明显效果。孙磊(2007)采用静力弹塑性分析软件Idarc-2D建立了高层建筑燃气管道动力分析模型,该模型假定立管通过支座连接在各个楼层之间,主体结构的地震响应通过支座传递到管道,通过推导管道单元的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵以及计算主体结构在支座处的位移响应,着重研究了立管的抗震性能,研究发现在薄弱层部位适当采用柔性连接可有效减轻管道震害。国巍等(2010)考虑主体结构的非线性特性,采用等效线性化方法对支撑于主体结构上的管道系统进行了研究,建立了非线性主体结构与线性附属结构共同构成的二次结构体系的理论分析模型,分析了主体结构的非线性特征对附属于其上的管道的地震响应和最优位置的影响。

楼面谱是采用数值模拟研究室内管道抗震性能时的1种重要方法,楼面谱是在主体结构与附属结构连接处将主体结构的地震响应作为激励输入到不同周期和阻尼比的单自由度附属结构中,得到的附属结构最大响应与其周期关系的曲线,楼面谱体现了楼层对地震动的放大作用,第一代楼面谱可以很好地计算水平管道受到的地震作用(苏经宇等,1990)。朱海华(2006)以层间位移角作为评价指标,运用SAP2000软件分别对底层、中层和高层钢筋混凝土结构进行了非线性时程分析,给出了层间位移角与室内管道的性能水平之间的定量关系。黄宝锋等(2009)基于汶川地震震害资料,总结了室内管道系统的震害反应特征,并研究了采用拟合楼层包络谱对室内管道进行抗震计算的可行性。支撑于多层楼板上的立管由于存在多个不同的动力输入,需要考虑多点激励的影响,此时第一代楼面谱不再适用,目前可以分析这种影响的计算方法主要包括Asfura等(1984)提出的互楼板谱法以及Asfura等(1986)提出的互-互楼板谱法(CCFS)和Saudy等(1992)提出的改进互-互楼板谱法,改进的CCFS方法不仅可以考虑不同支撑点激励的相互关系和主附结构振型模态的相互影响,而且考虑了振子间的相互关系(每个支撑点对应1个振子)。秦权等(1997)也提出了类似于改进的CCFS的方法,并开发了相应的应用程序FSAP用以计算楼面反应谱。

室内管道系统的质量相比于主体结构而言均很小,一般而言不须考虑管道对主体结构动力特性的影响。Singh等(1974)建议:当附属结构质量小于主体结构质量的1%时,可忽略二者之间的相互作用;Toro等(1989)同样指出:在频率调谐时,即使附属结构与建筑物主体结构的质量比小于1%,二者之间的相互作用仍不可忽略,此时需对主附结构进行耦合动力分析。Oropeza等(2010)研究了主次结构的自振频率、滞回曲线和强度折减系数对放大系数和共振系数的影响,其中放大系数主要考虑了主体结构非线性变形对二次结构地震响应的影响,共振系数主要考虑了当主体结构的自振频率密集且高阶响应不可忽略时,主次结构发生频率调谐时对二次结构反应的影响。

综上所述,近年来国内外学者采用数值模拟进行室内管道抗震研究时主要集中在管道与主体结构的支撑系统,主附结构的动力耦合以及楼面谱上。管道的支撑部分在很大程度上决定了管道的抗震能力,虽然近年来在该方面的研究取得了一定成果,管道与主体结构的连接仍是未来研究的重点之一;管道与主体结构一旦发生调谐现象,将极大地放大管道系统受到的地震作用,因此在抗震设计时应使所选管道的自振频率远离主体结构的自振频率;楼面谱体现了楼层对地震波的再次放大作用,传统的试验方法均使用加载框架来模拟室内管道系统的边界条件,若将楼面谱直接作为激励输入到管道系统上,则可以省略边界模拟装置,大大简化试验设备。

4 结论

试验研究与数值模拟是进行室内管道抗震研究时相辅相成的2种手段,总结上述试验和理论研究发现,影响室内管道系统抗震性能的主要因素包括管材、管径、管道的接头形式、管道的支撑系统以及主体结构的变形等,室内管道系统破坏的主要原因是管道与主体结构的连接锚固问题,在进行抗震设计和施工时要保证主体结构与室内管道之间具有可靠连接。

最后,对未来室内管道的抗震研究建议如下:

(1)目前关于柔性连接的研究多集中在穿越隔震建筑的管道,而对穿越楼板和墙体的管道柔性连接方式研究较少,未来应着重研究。

(2)室内管道系统的损伤状态尚没有明确的破坏指标,可以将韧性概念引入到室内管道系统中,建立室内管道的韧性评价体系。

(3)楼面谱的计算方法过于复杂,今后应继续简化楼面谱的计算方法,以便将楼面谱应用在工程上。

(4)目前关于室内管道的研究多集中在钢管与铸铁管上,随着塑料管材与复合管材应用范围的扩大,未来应加大对塑料管材和复合管材抗震性能的研究力度。

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