CN114046382A - 一种新型拉索式风管抗震支吊架 - Google Patents

一种新型拉索式风管抗震支吊架 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型拉索式风管抗震支吊架，包括竖向C型钢、丝杆、上C型钢、下C型钢，所述丝杆设置两根且顶部与主体结构相连，所述上C型钢和所述下C型钢的两端分别与所述丝杆相连形成矩形空间用于固定风管，所述竖向C型钢设置两根且分别套设在矩形空间上部的两根丝杆上，还包括两根第一钢索，两根第一钢索的一端与所述主体结构相连，另一端与所述上C型钢相连，且两根所述第一钢索呈X形。本发明解决了传统抗震支吊架斜撑受安装空间限制及抗震铰链易破坏等问题，并可降低用钢量和施工难度，节约安装成本；同时对于自重较大的风管，采用本发明所述的新型拉索式风管抗震支吊架可进一步提高抗震能力。

Description

一种新型拉索式风管抗震支吊架
技术领域
本发明涉及建筑抗震技术领域，特别涉及一种新型拉索式风管抗震支吊架。
背景技术
中国是世界范围内陆地强震次数最多的国家，地震的破坏使国内抗震理念和技术得到快速发展，人们除了对地震作用下主体结构的破坏保持原有的关注外，建筑机电结构等非主体结构的破坏也慢慢进入视野，随着《建筑机电工程抗震设计规范》(GB50981-2014)等规范条文的正式实施，抗震支吊架也得到长足发展。
传统的抗震支吊架主要由锚固体、加固吊杆、抗震连接构件及抗震斜撑组成，其工作原理主要是通过斜撑结构抵抗水平地震力，实现传递荷载、减少振动和限制位移的作用。具体应用时具有下列缺点：
1、现有的抗震连接件结构较为复杂，会导致加工成本偏高，并且相关学者分析指出：抗震连接件在地震作用下容易出现弯曲变形或拉脱现象，从而导致整体结构破坏；
2、安装时经常由于抗震斜撑占据额外空间而导致支吊架结构在狭窄区域难以安装，或由于相邻其他建筑附属机电设备的阻挡，导致抗震斜撑角度小于规范要求的30°等问题；
3、传统风管抗震支吊架结构存在明显的不对称性，导致其处于正反向加载情况下的受力性能存在一定差异：在正向加载时，竖向支撑主要受拉、抗震斜撑主要受压；在反向加载时，竖向支撑主要受压、抗震斜撑主要受拉；由此导致在正向加载时，底部抗震连接件会发生一定的转动，承载力受到削弱。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种新型拉索式风管抗震支吊架。
本发明的技术方案如下：
一种新型拉索式风管抗震支吊架，包括竖向C型钢、丝杆、上C型钢、下C型钢，所述丝杆设置两根且顶部与主体结构相连，所述上C型钢和所述下C型钢的两端分别与所述丝杆相连形成矩形空间用于固定风管，所述竖向C型钢设置两根且分别套设在矩形空间上部的两根丝杆上，还包括两根第一钢索，两根第一钢索的一端与所述主体结构相连，另一端与所述上C型钢相连，且两根所述第一钢索呈X形。
作为优选，两根所述第一钢索穿过所述上C型钢与所述下C型钢相连。
作为优选，还包括两根第二钢索，两根所述第二钢索的一端与所述上C型钢相连，另一端与所述下C型钢相连，且其中一根第二钢索设置在所述矩形空间的内左侧，另一根第二钢索设置在所述矩形空间的内右侧。
作为优选，还包括两根第三钢索，两根所述第三钢索的一端与所述上C型钢相连，另一端与所述下C型钢相连，且两根所述第三钢索分别与所述矩形空间内存在的两根钢索呈X形设置。
作为优选，所述第一钢索的底部通过钢索套与横杆连接件相连，所述横杆连接件设置在所述上C型钢上，所述横杆连接件包括U型部件、两个支耳、连接杆，所述U型部件包裹设置在所述上C型钢上，且U型部件的水平面板上设有用于丝杆穿过的通孔，两个所述支耳分别设置在所述U型部件的左右两端且向背离U型部件凹槽的方向延伸，所述连接杆的两端分别与两个所述支耳的内表面相连，所述钢索套套设在所述连接杆上。
作为优选，所述下C型钢上连接的钢索通过限位紧固件进行连接和限位。
作为优选，所述限位紧固件包括L型部件、螺栓、连接块，所述L型部件设置在所述下C型钢的上表面，所述L型部件的水平面板上设有长度大于所述螺栓的外径、宽度小于所述连接块宽度的开口，所述螺栓穿过所述开口与设置在所述下C型钢内部的连接块相连，所述下C型钢上连接的钢索设置在所述连接块上。
作为优选，所述上C型钢下表面的左右两端也设有所述限位紧固件。
本发明的有益效果是：
本发明利用钢索替换传统C型钢斜撑，可有效降低抗震支吊架用钢量和施工难度，节约整体成本，提高经济效益，且与传统风管抗震支吊架的外部C型钢斜撑相比，本发明采用斜拉索式抗震体系并将其内置，降低了空间占有量，同时，解决了由于其它建筑附属机电设备的阻挡而导致部分抗震斜撑的角度达不到规范要求的问题；另外，两根交叉呈X形的钢索使整体变为对称结构，解决了传统抗震支吊架在水平地震作用下抗震支吊架的整体承载能力被削弱的问题，同时对于自重较大的风管，采取本发明所述的新型拉索式风管抗震支吊架可进一步提高抗震能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明新型拉索式风管抗震支吊架的一个具体实施例结构示意图；
图2-图4为图1所示具体实施例的局部剖面结构示意图；
图5为本发明新型拉索式风管抗震支吊架的丝杆与竖向C型钢的连接结构示意图；
图6为本发明新型拉索式风管抗震支吊架的竖向C型螺栓结构示意图；
图7为本发明新型拉索式风管抗震支吊架的另一个具体实施例结构示意图；
图8为本发明新型拉索式风管抗震支吊架的另一个具体实施例结构示意图；
图9-图11为图8所示具体实施例的局部剖面结构示意图；
图12为FM1950力加载制度示意图；
图13为一个具体实施例中传统抗震支吊架的结构示意图；
图14为一个具体实施例中传统抗震支吊架的抗震连接件结构示意图；
图15为一个具体实施例中传统抗震支吊架的滞回曲线示意图；
图16为一个具体实施例中本发明抗震支吊架一的滞回曲线示意图；
图17为一个具体实施例中本发明抗震支吊架二的滞回曲线示意图；
图18为一个具体实施例中三类抗震支吊架的骨架曲线对比结果示意图；
图19为另一个具体实施例中三类抗震支吊架在不同参数条件下的承载能力对比示意图；
图20为另一个具体实施例中三类抗震支吊架在不同参数条件下的用钢量对比示意图；
图21为另一个具体实施例中本发明支吊架相比传统支吊架用钢量同比减少结果示意图。
图中标号：1-第一钢索、2-膨胀螺栓、3-竖向C型钢、301-螺栓部件、302-连接块部件、303-C型丝杆套、4-丝杆、5-上C型钢、6-下C型钢、7-风管、8-主体结构、9-钢索套、10-横杆连接件、11-普通U型连接件、12-螺母、13-限位紧固件、14-螺栓、15-连接块、16-套筒、17-垫板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本发明公开使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语；使用的术语中“上”、“下”、“左”、“右”等通常是针对附图所示的方向而言，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言；同样地，为便于理解和描述，“内”、“外”等是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。但上述方位词并不用于限制本发明。
如图1-11所示，本发明提供一种新型拉索式风管抗震支吊架，包括竖向C型钢3、丝杆4、上C型钢5、下C型钢6，所述丝杆4设置两根且顶部与主体结构8相连，所述上C型钢5和所述下C型钢6的两端分别与所述丝杆4相连形成矩形空间用于固定风管7，所述竖向C型钢3设置两根且分别套设在矩形空间上部的两根丝杆4上，还包括两根第一钢索1，两根第一钢索1的一端与所述主体结构8相连，另一端与所述上C型钢5相连，且两根所述第一钢索1呈X形。
在本实施例中，本发明所述的新型拉索式风管抗震支吊架工作原理主要是通过丝杆和下C型钢承受竖向自重荷载(风管放置在下C型钢上，下C型钢承受风管的自重，同时将荷载传递至丝杆)；两根呈“X”形的第一钢索，在遭遇水平荷载时承受水平地震荷载；竖向C型钢套设在丝杠的外表面能够加强丝杆刚度，避免其弯曲折段；风管设置在矩形空间内，上C型钢与下C型钢与风管7紧密贴合，限制其竖向位移。
在一个具体的实施例中，所述第一钢索1的顶部穿过垫板17利用膨胀螺栓2打入主体结构8内部，所述丝杠4的顶部穿过套筒16与所述垫板17并利用膨胀螺栓2固定于主体结构8内部。
所述丝杆4的中部和底部通过普通U型连接件11和螺母12分别与所述上C型钢5和所述下C型钢6相连；所述竖向C型钢3通过竖向C型螺栓套设在所述丝杆4上，所述竖向C型螺栓包括螺栓部件301、套设在所述螺栓部件301上的连接块部件302、以及位于所述螺栓部件301底部的C型丝杆套303。使用时，通过拧紧螺栓部件301调整连接块部件302实现丝杆4与竖向C型钢3的紧密贴合，同时竖向C型钢3为丝杆4提供一个较大的侧向刚度，当丝杆4悬吊较长时，可以采用更厚的竖向C型钢3以避免丝杆在水平地震作用下弯折。
在一个具体的实施例1中，两根所述第一钢索1穿过所述上C型钢5与所述下C型钢6相连。
在一个具体的实施例2中，与上述实施例1不同的是，矩形空间内的两根钢索单独设置，不与上部呈X形的两根钢索相连，具体的：所述新型拉索式风管抗震支吊架还包括两根第二钢索，两根所述第二钢索的一端与所述上C型钢5相连，另一端与所述下C型钢6相连，且其中一根第二钢索设置在所述矩形空间的内左侧，另一根第二钢索设置在所述矩形空间的内右侧。
在一个具体的实施例3中，在上述实施例1或实施例2的基础上设置另外两根钢索，使其与所述矩形空间内本来存在着的两根钢索分别呈X形，具体的：所述新型拉索式风管抗震支吊架还包括两根第三钢索，两根所述第三钢索的一端与所述上C型钢5相连，另一端与所述下C型钢6相连，且两根所述第三钢索分别与所述矩形空间内存在的两根钢索呈X形设置。在本实施例中，在矩形空间内设置两组X形钢索能够增强下部抗侧能力，进一步提升本发明所述新型拉索式风管抗震支吊架的抗震能力。
在上述各实施例中，为了使抗震支吊架整体结构更为简单、受力更为合理、安装更为方便，利用横杆连接件10使钢索与C型钢相连，具体的：所述第一钢索1的底部通过钢索套9与横杆连接件10相连，所述横杆连接件10设置在所述上C型钢5上，所述横杆连接件10包括U型部件、两个支耳、连接杆，所述U型部件包裹设置在所述上C型钢5上，且U型部件的水平面板上设有用于丝杆4穿过的通孔，两个所述支耳分别设置在所述U型部件的左右两端且向背离U型部件凹槽的方向延伸，所述连接杆的两端分别与两个所述支耳的内表面相连，所述钢索套9套设在所述连接杆上。可选地，所述钢索套9与所述连接杆之间略有间隙，所述钢索套9可在所述连接杆上滑动，从而微调钢索位置。
需要说明的是，除了上C型钢5上表面连接的钢索采用所述横杆连接件10进行连接外，所述上C型钢5下表面以及所述下C型钢6上表面连接的钢索也可通过所述横杆连接件10进行连接。
在上述各实施例中，为了防止风管出现侧向位移，可选地，在所述上C型钢5的下表面和/或所述下C型钢6的上表面设置限位紧固件13进行限位。在一个具体的实施例中，所述下C型钢6上连接的钢索通过限位紧固件13进行连接和限位，所述限位紧固件13包括L型部件、螺栓14、连接块15，所述L型部件设置在所述下C型钢6的上表面，所述L型部件的水平面板上设有长度大于所述螺栓14的外径、宽度小于所述连接块15宽度的开口，所述螺栓14穿过所述开口与设置在所述下C型钢6内部的连接块15相连，所述下C型钢6上连接的钢索设置在所述连接块15上。
在一个具体的实施例中，根据《通风管道技术规程》(JGJ/T 141-2017)中常用规格及《建筑机电工程抗震设计规范》(GB50981-2014)中抗震支吊架的最大间距，设计本发明所述新型拉索式风管抗震支吊架的几何条件，具体的：案例选定截面宽为0.63m、高为0.4m，总跨9m的风管工况进行模拟；选取直径为0.012m的丝杆，其上端长度为0.7m；钢索直径为0.008m，长度根据丝杆长度、安装角度等计算确定；C型钢厚度为0.002m，长度根据丝杆长度、安装角度等计算确定。
根据风管的尺寸参数，所选取的钢板式风管自重为1981N，采用如图12所示的FM1950的力加载制度进行加载，参照《建筑机电工程抗震设计规范》(GB50981-2014)规定的等效侧力法计算得到，本实施例的抗震支吊架整体结构在八度区承载力需达到800N，九度区需达到1600N。
利用有限元建模方法，建立新型拉索式风管抗震支吊架一、新型拉索式风管抗震支吊架二、以及传统抗震支吊架的整体模型。所述整体模型中，钢索部分采用LINK10号单元，设定仅受拉选项，其余均采用SOLID185号单元，材料设定为双线性随动强化模型。
所述新型拉索式风管抗震支吊架一如图1所示，仅设置了两根所述第一钢索，且两根所述第一钢索在所述矩形空间的上部呈X形设置；所述新型拉索式风管抗震支吊架二如图7所示，在新型拉索式风管抗震支吊架一的基础上，在所述矩形空间内的左右两端分别设置一根所述第二钢索，所述第二钢索倾斜设置；所述传统抗震支吊架与本发明不同的是，未采用钢索，而是通过抗震连接件连接传统C型钢斜撑，整体结构如图13所示；所述抗震连接件如图14所示，包括抗震铰链一、抗震铰链二和连接螺栓。
为保证风管的变形条件，参考《建筑抗震支吊架通用技术条件》(GB/T 37267-2018)中对于水管抗震支吊架的测试判定，需要保证结构不发生破坏，同时当整体组件水平位移超过50mm时认为结构失效。得到传统抗震支吊架、新型拉索式风管抗震支吊架一和新型拉索式风管抗震支吊架二的滞回曲线与骨架曲线如图15-18所示。
从图15-18中可以看出，三种类型的抗震支吊架均可达到9度抗震级别，其中：新型拉索式风管抗震支吊架一的滞回曲线呈现梭形且十分饱满，反映出整个结构的塑性变形能力很强，相比传统抗震支吊架略微提高了抗震性能与耗能能力；由骨架曲线可知，该类型抗震支吊架的初始刚度较传统抗震支吊架也略有提升，结构破坏主要是结构位移超过50mm。新型拉索式风管抗震支吊架二的滞回曲线呈现反“S”形且滞回形状不饱满，综合其骨架曲线可以看出，整体结构牺牲了结构的延性和吸收地震能量的能力以换取更大的初始刚度，在地震作用下能够保证上部结构的位移更小，同时结构整体承载能力约为传统抗震支吊架的2.5倍，能够将其安装于自重更大的风管处，其破坏模式主要是结构自身破坏。
在另一个具体的实施例中，对本发明抗震支吊架和传统抗震支吊架在不同风管宽度、上部丝杆长度、风管高度及丝杆直径等参数条件进行对比，不同参数条件如表1所示：
表1抗震支吊架参数
Figure BDA0003347346810000061
Figure BDA0003347346810000071
同时，根据我国《建筑机电工程抗震设计规范》(GB50981-2014)，采用较为保守的等效侧力法作为地震等级的评判依据，所述等效侧力法公式如下所示：
F＝γ·η·ξ1·ξ2·amax·G (1)
式中：F为沿最不利方向施加于机电工程设施重心处的水平地震作用标准值；γ为非结构构件功能系数，消防系数取1.4，给排水管道、通风空调和电缆桥架取1.0；η为非结构构件类别系数，消防系数取1.0，给排水管道、通风空调和电缆桥架取0.9；ξ1为状态系数，支撑点低于机电设备质心取2.0，其余取1.0；ξ2为位置系数，建筑顶点取2.0，建筑底部取1.0，沿竖直方向线性分布；amax为地震影响系数最大值；G为非结构构件重力；
所述地震影响系数最大值取值如表2所示：
表2水平地震影响系数最大值
地震影响 6度 7度 8度 9度
多遇地震 0.04(0.08) 0.08(0.16) 0.16(0.32) 0.32
表2中括号外和括号内的数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区。
在本实施例中，公式(1)中非结构构件功能系数γ取值为1.0，非结构构件类别系数η取值为0.9，状态系数ξ1取值为1.0，位置系数ξ2取值为2.0，地震影响系数最大值amax取值为9度地震影响等级下的值。
参照公式(1)计算得到9度地震力并结合模拟所得的各抗震支吊架极限承载力，汇总得到图19所示的不同参数下各抗震支吊架的承载能力对比图；同时计算本发明新型拉索式风管抗震支吊架一和本发明新型拉索式风管抗震支吊架二的用钢量并与传统抗震支吊架对比，获得图20所示的不同抗震支吊架用钢量图与图21所示的不同抗震支吊架用钢量同比减少图。
从图19-21可以看出：
1)本发明新型拉索式风管抗震支吊架一在保证其抗侧能力与传统风管侧向抗震支吊架相当的基础上，降低了8-16％的用钢量；
2)本发明新型拉索式风管抗震支吊架二在维持传统风管侧向抗震支吊架用钢量的基础上，结构抗侧能力平均提高了接近一倍；
3)本发明新型拉索式风管抗震支吊架一和本发明新型拉索式风管抗震支吊架二的用钢同比减少量随着垂吊长度的增加而增加；与此同时，由于上部交叉钢索极大的增加了结构刚度，吊杆长度的增加对于抗侧能力的影响并不显著；
4)对于传统抗震支吊架和本发明新型拉索式风管抗震支吊架一而言，部分风管规格较小的结构由于其所受惯性较小能够抵御9度地震；当风管尺寸增大时，结构抗侧能力仅能达到8度，此时安装本发明新型拉索式风管抗震支吊架二以保证上部机电结构的安全更为适宜。
综上所述，本发明所述的新型拉索式风管抗震支吊架空间占有量少，整体承载能力强，抗震能力优异，解决了传统抗震支吊架斜撑受安装空间限制及抗震铰链易破坏的问题，且在保证抗震能力甚至提升抗震能力的同时减少了钢用量，与现有技术相比，具有显著的进步。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种新型拉索式风管抗震支吊架，包括竖向C型钢、丝杆、上C型钢、下C型钢，所述丝杆设置两根且顶部与主体结构相连，所述上C型钢和所述下C型钢的两端分别与所述丝杆相连形成矩形空间用于固定风管，所述竖向C型钢设置两根且分别套设在矩形空间上部的两根丝杆上，其特征在于，还包括两根第一钢索，两根第一钢索的一端与所述主体结构相连，另一端与所述上C型钢相连，且两根所述第一钢索呈X形。
2.根据权利要求1所述的新型拉索式风管抗震支吊架，其特征在于，两根所述第一钢索穿过所述上C型钢与所述下C型钢相连。
3.根据权利要求1所述的新型拉索式风管抗震支吊架，其特征在于，还包括两根第二钢索，两根所述第二钢索的一端与所述上C型钢相连，另一端与所述下C型钢相连，且其中一根第二钢索设置在所述矩形空间的内左侧，另一根第二钢索设置在所述矩形空间的内右侧。
4.根据权利要求2或3所述的新型拉索式风管抗震支吊架，其特征在于，还包括两根第三钢索，两根所述第三钢索的一端与所述上C型钢相连，另一端与所述下C型钢相连，且两根所述第三钢索分别与所述矩形空间内存在的两根钢索呈X形设置。
5.根据权利要求1所述的新型拉索式风管抗震支吊架，其特征在于，所述第一钢索的底部通过钢索套与横杆连接件相连，所述横杆连接件设置在所述上C型钢上，所述横杆连接件包括U型部件、两个支耳、连接杆，所述U型部件包裹设置在所述上C型钢上，且U型部件的水平面板上设有用于丝杆穿过的通孔，两个所述支耳分别设置在所述U型部件的左右两端且向背离U型部件凹槽的方向延伸，所述连接杆的两端分别与两个所述支耳的内表面相连，所述钢索套套设在所述连接杆上。
6.根据权利要求4所述的新型拉索式风管抗震支吊架，其特征在于，所述下C型钢上连接的钢索通过限位紧固件进行连接和限位。
7.根据权利要求6所述的新型拉索式风管抗震支吊架，其特征在于，所述限位紧固件包括L型部件、螺栓、连接块，所述L型部件设置在所述下C型钢的上表面，所述L型部件的水平面板上设有长度大于所述螺栓的外径、宽度小于所述连接块宽度的开口，所述螺栓穿过所述开口与设置在所述下C型钢内部的连接块相连，所述下C型钢上连接的钢索设置在所述连接块上。
8.根据权利要求7所述的新型拉索式风管抗震支吊架，其特征在于，所述上C型钢下表面的左右两端也设有所述限位紧固件。
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