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装配式支吊架的结构设计解读

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019/12/17     浏览次数:    
装配式支吊架可以被认为是“无需焊接的轻型钢结构”:既有钢结构的高强度、轻重量、高可靠度、抗震性能好的诸多特点,又有无需焊接的装配式建筑所具有的高精度、可替换、灵活可控的优势。
装配式支吊架的主要功能之一,就是把机电设备及附属管线所承受的荷载传递到建筑结构构件上,也兼有控制位移、隔振减震的功效。

在完成了支吊架初步选型布置后,支吊架设计非常重要的环节就是支吊架的结构设计:根据支吊架所受荷载的类型、大小,可相应进行支吊架的结构验算和设计,以保证支吊架结构系统的承载能力和正常使用。

荷载作用

根据各专业相关设计规范以及设备、管线的实际情况和技术参数,装配式支吊架系统可能承受的荷载会包括但不限于如下类型:
■ 永久荷载——例如管线自身的重力作用;
■ 可变荷载——例如室内支吊架的施工荷载,室外支吊架还可能会承受的雪雨风荷载等;
■ 管线作用——例如管线热胀冷缩导致的支座摩擦力、沉降缝两侧的不均匀沉降、防震缝两侧的相对位移以及振动等;
■ 地震作用等。

设计使用年限及极限状态

装配式支吊架的杆件(如槽钢、方钢等)、杆件连接件(如直角连接件、抗震连接件等)、管部件(如管卡)、以及与结构主体连接的锚固件(如锚栓、预埋槽等)和钢结构连接件(如梁夹、抱箍等)承受上述荷载作用时,在极限状态下可能失效。

根据现行规范《GB 50068 建筑结构可靠度设计统一标准》,我国的结构设计的目的是 “设计符合技术先进、经济合理、安全适用、确保质量的要求”,在规定的设计使用年限中不发生极限状态失效。

现阶段在不同的项目中,支吊架不发生极限状态失效的时间段也可能由于项目种类及自身的设计需求不同。以一般的民用建筑为例,装配式支吊架的设计使用年限可以考虑设备管线的设计使用年限,同时《GB 50068》中规定的“易更换的结构构件”的设计使用年限为25年,考虑到装配式支吊架为非结构构件,则一般民用建筑中的装配式支吊架设计使用年限多为25年或更短。

结构设计中,极限状态失效的种类如下

A 承载能力极限状失效:例如构件或连接的强度破坏、脆性断裂,结构或构件丧失稳定性,几何不变体系变为机动体系、或不适于继续承载的过度变形等;
B 正常使用极限状态失效:例如影响结构构件、非结构构件正常使用或外观的变形、振动,影响正常使用或耐久性能的局部损坏等;

以可靠度规范《GB 50068-2018》为原则,支吊架结构应采用以概率理论为基础的极限状态设计法,以可靠指标度量结构构件的可靠度,采用分项系数的设计表达式进行设计。具体的荷载分项系数应以建筑结构可靠度设计统一标准为基础,综合各建筑、构筑物的荷载规范、以及机电暖通专业的设计规范。在需要进行抗震设计时,还应考虑《GB 50981 建筑机电工程抗震设计规范》;具体的材料、构件、及连接的安全系数,应基于现行《GB 50017 钢结构设计规范》和《GB/T 50018冷弯薄壁型钢技术规程》,以及产品规范,综合厂家产品特性,同样以概率理论为基础衡量装配式支吊架零件及组件的可靠度得出相应安全系数。

结构分析

从现在市面上常见的装配式支吊架构件来看,大部分构件为冷弯薄壁型钢构件,从安全及设计便捷角度考虑,采用一阶或二阶弹性分析方法是比较合理的。而支吊架的型式相对而言较为复杂,可采用杆系模型对支吊架结构进行有限元分析,以便得到各单元比较准确的受力;同时,由于连接件的受力表现形式比较复杂,传力性质不一定是完全的刚接或铰接,支吊架结构分析可多考虑杆件连接节点为铰接,以确保安全。这也符合我国现行《GB 50017 钢结构设计规范》和《GB/T 50018冷弯薄壁型钢技术规程》的分析方法。

杆件及连接件设计

对于支吊架结构的杆件:比如说单管式支吊架的吊杆、门式支吊架的横梁和立柱、或者抗震支吊架的斜撑等,应根据杆件钢材材质及杆件截面特性,参考我国现行中受弯、受压、受拉以及复合受力如拉弯、压弯的杆件设计方法,进行强度和稳定性设计。

然而,支吊架杆件与杆件、管部件与管线、管部件与杆件的连接形式有别于传统钢结构构件连接的方式,因此,在上述两本钢结构规范中并无依据。

实践是检验真理的唯一标准,支吊架的连接节点承载力和刚度由基于概率分布理论的试验及数据处理方式确认,这种思路也与我国可靠度标准一致。

在上文所提到的现有两本产品标准《GB/T 38053-2019装配式支吊架通用技术要求》《GB/T 37267-2018建筑抗震支吊架通用技术条件》中给出了部分连接或系统的承载力的测试和取值方法,例如:对于角连接件位于门式支吊架槽钢上部和下部的情况,其承载力性能应通过如下图所示的试验进行测试。 
图源:《GB 38053-2019 装配式支吊架通用技术要求》

而角连接件位于槽钢上部及下部承载力的设计值,是分别通过相应的实验结果,进行基于概率理论的分析来的标准值,再除以规范规定的安全系数得出。

支吊架与结构主体连接的设计分为两大类:混凝土结构的连接和钢结构的连接。对于和混凝土结构的连接,现在最常用的连接方式是锚栓连接,可参考《JGJ 145-2013 混凝土结构后锚固技术规程》;对于钢结构的连接件承载力,也应参考相应连接件实际的连接形式和试验数据处理结果。


小  结


支吊架的结构设计,应该综合考虑管线及设备对支吊架产生的荷载作用,对支吊架进行结构分析,再依据相关设计规范及产品规范对杆件和连接件进行承载能力极限状态及正常使用极限状态的验算。如果发生极限状态失效,则采用承载力更高,或刚度更大的构件替换,来避免在支吊架的设计使用年限内发生极限状态失效。

以这种方式来进行支吊架系统的结构设计,是符合结构设计经济合理、安全适用、确保质量的要求的。
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