多層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅抗震性能分析

史三元,邵莎莎,陳 林,李尚飛

(河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院,河北邯鄲056038)

冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)以其抗震性能好、施工速度快和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而著稱,近年來定型化、產(chǎn)業(yè)化的冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系在我國(guó)發(fā)展迅速。目前對(duì)于冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的研究大多集中于構(gòu)件試驗(yàn)方面,Gad[1]通過對(duì)單片無罩面墻架和單間房屋模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),研究了不同冷彎薄壁型鋼龍骨連接類型和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響;Dan Dubina[2]對(duì)一棟建造中的冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震性能研究,分析表明覆面板材對(duì)結(jié)構(gòu)耗能減震起到了有力作用;沈祖炎等[3]對(duì)屈服強(qiáng)度550MPa高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的二層住宅進(jìn)行了足尺模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究,證實(shí)覆面采用石膏板加波紋板構(gòu)造形式的復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)符合國(guó)內(nèi)設(shè)防烈度9度及以下地區(qū)的抗震設(shè)防要求。

對(duì)于冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)整體抗震性能方面的研究目前尚不多見,劉晶波等[4]曾利用有限元方法建立了典型低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅的整體模型,通過計(jì)算分析得到了結(jié)構(gòu)的模態(tài),并獲得了風(fēng)荷載和地震荷載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形和墻體剪力。本文應(yīng)用有限元方法對(duì)多層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系整體抗震性能進(jìn)行建模分析,對(duì)比不同抗震烈度下2～6層結(jié)構(gòu)的抗震性能的變化規(guī)律,為多層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系工程的設(shè)計(jì)提供了一些參考。

1 計(jì)算原理[5-6]

多層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為一個(gè)多質(zhì)點(diǎn)體系,其運(yùn)動(dòng)微分方程可以表示為

式中[M] —結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣;[C] —結(jié)構(gòu)的阻尼矩陣;[K] —結(jié)構(gòu)的剛度矩陣;{x(t)}—結(jié)構(gòu)各質(zhì)點(diǎn)在t時(shí)刻的位移;{(t)}—結(jié)構(gòu)各質(zhì)點(diǎn)在 t時(shí)刻的速度(t)}—結(jié)構(gòu)各質(zhì)點(diǎn)在 t時(shí)刻的加速度;(t)}—結(jié)構(gòu)在時(shí)刻的動(dòng)荷載。

假設(shè)t=0時(shí)刻的狀態(tài)向量(位移、速度、加速度)已知,將時(shí)間求解域進(jìn)行離散,將t=分別代入式(1)計(jì)算相應(yīng)時(shí)刻的狀態(tài)向量,直至t=T時(shí)刻終止,便可得到動(dòng)力響應(yīng)的全過程。

2 結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)建

冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅,結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖1所示。層數(shù)2～6層,層高均為3m。框架梁選用2U160mm×60mm×2mm型鋼組合,外墻邊梁選用鋼管梁160mm×120mm×2mm×2mm,樓蓋梁選用冷彎薄壁型鋼梁C180mm×70mm×20mm×2mm和C80mm×40mm×15mm×2mm,樓面板選用18mmOSB板;墻架柱選用C140mm×50mm×20mm×2mm,墻支撐選用 C140mm×40mm×12mm×2mm,角柱和墻體交錯(cuò)處的墻架柱采用鋼管柱140mm×140mm×3mm,內(nèi)墻選用 12mmOSB板,分戶墻選用1.0mm鋼板+12mmOSB板做剪力墻。墻體構(gòu)件的材料參數(shù)見表1。

2.1 有限元模型的建立

模型中的墻龍骨和梁、柱等桿件采用梁?jiǎn)卧獊砟M,截面根據(jù)實(shí)際情況定義;墻板、樓板和屋面板采用殼單元來模擬;梁?jiǎn)卧c殼單元之間采用有限元耦合連接,不考慮墻板等板單元與龍骨柱等梁?jiǎn)卧g的滑移;樓層處加設(shè)隔板限制即作為剛性樓板處理,地震形成的水平荷載通過樓板傳遞到樓層各處,可大大簡(jiǎn)化模型自由度。

結(jié)構(gòu)布置中,所有次梁與主梁的連接均設(shè)為鉸接,框架梁與柱剛接,鋼管柱與基礎(chǔ)剛接,其余龍骨柱與基礎(chǔ)鉸接,墻柱與地、天梁的連接也為鉸接,墻支撐與柱鉸接,布置桿件時(shí)進(jìn)行端部釋放,放松對(duì)抗彎、抗扭的約束。

2.2 地震動(dòng)的輸入

選用具有代表性的EL-Centro波(1940年),地震波的持續(xù)時(shí)間取5s,時(shí)間步長(zhǎng)取0.02 s。將地震加速度時(shí)程曲線的加速度峰值分別調(diào)整為35cm/s2(7度多遇)、220cm/s2(7度罕遇)、70cm/s2(8度多遇)、400cm/s2(8度罕遇),以計(jì)算多層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅的抗震性能。

3 結(jié)果與分析

3.1 動(dòng)力特性分析

建立2～6層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅有限元模型并進(jìn)行模態(tài)分析。以6層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅為例,前3階振型變形如圖2所示。結(jié)構(gòu)前3階自振周期分別為 0.542s、0.386s、0.377s,模態(tài)分別對(duì)應(yīng)著y方向整體平動(dòng)、x方向整體平動(dòng)和整體扭轉(zhuǎn)。文獻(xiàn)[7] 中指出冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的自振周期T=0.03H,該建筑物的高度H=18m,則特征周期為0.54s,這一結(jié)果驗(yàn)證了模型的合理性。結(jié)構(gòu)的前3階振型均為整體振型,結(jié)構(gòu)的整體性較好。

表1 墻體構(gòu)件的材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of wall components

3.2 地震響應(yīng)分析

在EL-Centro波作用下,2～6層的冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅在7、8度多遇、罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)樓層位移包絡(luò)圖見圖3、圖4。層間位移角包絡(luò)圖見圖5、圖6。

由圖3、圖4可以看出,隨著地震波加速度的增大,結(jié)構(gòu)樓層的位移相應(yīng)地增加。以6層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅為例,在7度多遇、8度多遇、7度罕遇、8度罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的樓層位移分別為10.78mm、21.57mm、63.5mm、115.5mm。隨著樓層高度的增加,結(jié)構(gòu)的樓層位移也相應(yīng)增大。以7度多遇地震作用下結(jié)構(gòu)的第2層樓層位移為例,2～6層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅的第2層樓層位移分別為0.79mm、1.64mm、2.12mm 、2.98mm 、4.04mm 。

從圖5、圖6可以看出,隨著地震波加速度的增大,結(jié)構(gòu)的層間位移角相應(yīng)的增加;隨著樓層高度增加,層間位移角卻并沒有隨樓層數(shù)的增加而增加。2～6層的冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅在7、8度多遇、罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移角均發(fā)生在第2層,而從薄弱層開始向上和向下樓層的層間位移角逐漸變小,因此加強(qiáng)結(jié)構(gòu)薄弱層的剛度,可以有效的降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

在7度、8度抗震設(shè)防區(qū)多遇地震作用下,隨著樓層層數(shù)增加薄弱層層間位移角增加,當(dāng)住宅層數(shù)達(dá)到6層時(shí),薄弱層層間位移角峰值分別為1/132 5、1/769,符合多層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅在多遇地震作用下的彈性層間位移角限值為1/750的規(guī)定[8]。在7度、8度抗震設(shè)防區(qū)罕遇地震作用下,隨著樓層層數(shù)增加薄弱層層間位移角增加,當(dāng)住宅層數(shù)達(dá)到6層時(shí),薄弱層層間位移角峰值分別為1/225、1/124,符合多層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅在罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角限值為1/100的規(guī)定[8]。

4 結(jié)論

1)多層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系整體性較好,具有良好的抗震性能。

2)在8度及其以下抗震設(shè)防地區(qū),所構(gòu)建的冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系最多可以建到6層,限制高度為18m。

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