通信機房走線架懸吊桿布置方式研究

屈文俊　董浪　朱鵬

摘要：基于生命線工程的抗震設防要求，開展了通信機房走線架懸吊桿垂直布置、梯形布置和混合布置下吊掛系統的抗側性能研究；采用理論方法推導了3種布置方式下吊掛系統的抗側剛度，并采用有限元分析軟件ANSYS加以驗證；對3種布置方式下吊掛系統的抗側剛度進行比較分析。研究結果表明：懸吊桿垂直布置和梯形布置時走線架吊掛系統抗側剛度小，主要由重力剛度決定；懸吊桿混合布置時吊掛系統具有較大的初始抗側剛度；懸吊桿混合布置時吊掛系統滿足“小震不壞，大震不倒”的抗震設防要求，是一種比較合理、高效的布置方式。

關鍵詞：通信機房；走線架；吊掛系統；懸吊桿；布置方式；抗側剛度

中圖分類號：TU323文獻標志碼：A

0引言

走線架吊掛系統通過柔性懸吊桿與主體結構連接，將走線架上的荷載傳遞到主體結構上。國外走線架結構主要應用于核電系統，用來承載核電站內電纜的質量，學者對核電站電纜橋架的抗震性能進行了廣泛研究[12]。吊掛系統也被應用于建筑結構的抗震減震，理論分析和試驗研究表明該系統具有良好的抗震性能，是一種較好的抗震結構[37]。既有通信機房走線架吊掛系統作為吊掛結構的一種，符合自然傳力原理，能夠充分利用構件的力學性能，其抗側剛度小，自振周期大，能有效地避開場地的卓越周期，地震作用較小。然而吊掛系統在水平力作用下的水平位移難以得到有效控制[810]，從而危及線纜工作。因此需要對吊掛系統的抗側剛度進行控制，以保證系統的抗震性能和控制結構的側移在合理的范圍內?？梢酝ㄟ^在吊掛系統中增加斜拉桿抗側構件[11]或設置交叉斜撐改善吊掛系統的抗側性能，但這2種方式均需要設置附加桿件。本文中筆者通過理論方法推導懸吊桿垂直布置、梯形布置和混合布置下吊掛系統的抗側剛度，并建立有限元模型進行驗證。通過分析比較3種懸吊桿布置方式下吊掛系統的抗側性能，提出一種合理、高效的懸吊桿布置方式。

1懸吊桿垂直布置吊掛系統抗側性能

1.1吊掛系統抗側剛度理論分析

既有通信機房走線架懸吊桿基本上都采用垂直布置，見圖1，其中，M為懸吊桿間距范圍內走線架等效質量，g為重力加速度，H′為走線架離樓板的距離，B為走線架橋架寬度。走線架懸吊桿頂部通過適當的方式錨固于結構樓板，橋架通過較短的支撐桿連接成整體，橋架剛度遠大于吊桿剛度，可視為無窮剛性桿。懸吊桿端部約束狀態介于鉸接和剛接之間，現分別按支座鉸接和剛接計算吊掛系統的抗側剛度。

1.2吊掛系統抗側剛度數值分析

進行數值分析時，需確定走線架基本數據。假定懸吊桿為圓形截面，直徑d=0.01 m。懸吊桿材料的彈性模量E=206 GPa，H=2.0 m，B=0.6 m，吊桿間距為2 m，走線架上等效荷載為2 kN·m-1，經計算吊桿間距范圍內的走線架等效質量M=400 kg；考慮懸吊桿頂端剛接，運用ANSYS建立有限元模型，進行模態分析。懸吊桿根據實際情況建模，采用Beam188單元進行模擬。橋架建模時也采用Beam188單元模擬，但截面尺寸取值遠大于懸吊桿。為了考慮重力剛度，在進行模態分析前，打開預應力效應開關，先施加重力加速度進行靜力求解，再進行模態分析。系統自振頻率ω=2.35 rad·s-1，抗側剛度KA1=Mω2=2 209 N·m-1。

可以在建立的ANSYS模型橋架一端施加水平荷載，計算荷載側移曲線，更直觀地觀察系統的抗側剛度。施加水平荷載前，先施加重力加速度進行靜力求解。懸吊桿垂直布置吊掛系統水平荷載側移曲線如圖3所示。荷載側移曲線并不是一條直線，這意味著系統切線抗側剛度是變化的。隨著側移增大，系統的切線抗側剛度不斷增大，且增長幅度越來越大（圖4），切線抗側剛度由圖3中相鄰數據點的割線剛度近似計算，抗側剛度側移曲線變化趨勢可從以下2方面進行解釋：①由于懸吊桿的彎曲變形，使質量點到懸吊點的距離不斷減小，由式（2）可知系統重力剛度不斷變大；②懸吊桿可視作懸臂構件，其切線抗側剛度隨著變形的增大而不斷增大。

從圖4可以看出，當側移較小時，切線抗側剛度變化較小，即荷載側移曲線在側移較小時近似為直線。模態分析時考慮小變形，且實際工程中吊掛系統不會發生過大變形，可偏小地將零點切線剛度作為系統的抗側剛度。為計算方便，將F=1 N時的割線剛度作為零點切線抗側剛度，即系統抗側剛度。當F=1 N時，側移D=4.53×10-4 m，抗側剛度KA2=F/D=2 207.5 N·m-1，與ANSYS模態分析得到的結果非常接近，僅相差0.07%。

表1為懸吊桿頂端鉸接和剛接時吊掛系統抗側剛度的計算結果。懸吊桿頂端剛接時，根據式（5）計算的抗側剛度比ANSYS分析結果大9.87%，而式（4）計算結果比ANSYS分析結果小7.88%，簡化式（4）的計算精度滿足工程要求，計算結果偏小。懸吊桿頂端鉸接時，系統抗側剛度比頂端剛接時的ANSYS計算結果小11.27%，這主要是由于通信機房走線架懸吊桿截面小，其抗彎剛度對系統抗側剛度的貢獻很小，抗側剛度主要由重力剛度決定。

實際工程中，懸吊桿頂端不能保證剛接，且吊掛支座約束狀態鉸接剛接計算依據式（2）式（4）式（5）ANSYS抗側剛度/（N·m-1）1 9602 0352 4272 209注：ANSYS分析結果取模態分析結果。

系統抗側剛度主要由重力剛度決定，懸吊桿垂直布置時吊桿系統的抗側剛度可直接按式（2）進行計算。

2懸吊桿梯形布置吊掛系統抗側性能

2.1吊掛系統抗側剛度理論分析

懸吊桿梯形布置時懸吊桿與樓板不垂直，可分為正梯形布置[圖5（a）]和倒梯形布置[圖5（b）]。圖5中，A為懸吊桿懸吊點間距。

懸吊桿懸吊點間距A=1.3 m，其余數據與第1.2節中相同，建立系統的ANSYS有限元模型，支座處采用剛接，建模方式和計算方法與第1.2節中相同。吊掛系統自振頻率ω=2.41 rad·s-1，抗側剛度KA1=Mω2=2 323.2 N·m-1。懸吊桿梯形布置吊掛系統水平荷載側移曲線如圖8所示，懸吊桿梯形布置吊掛系統切線抗側剛度側移曲線如圖9所示。荷載側移曲線和切線抗側剛度側移曲線變化趨勢與懸吊桿垂直布置時相同，且切線抗側剛度與懸吊桿垂直布置相比變化程度更大。除了第1.2節中分析的2個方面原因外，梯形布置吊掛系統在水平荷載作用下會在2個懸吊桿中分別產生拉力和壓力，阻礙系統的側向變形，從而使系統切線抗側剛度進一步增大。與第1.2節中相同，為計算方便，近似將F=1 N時的割線剛度作為零點切線抗側剛度，即系統抗側剛度。當水平荷載F=1 N時，側移D=4.27×10-4 m，計算得到抗側剛度KA2=2 341.9 N·m-1，與模態分析結構僅相差0.8%。