輕鋼住宅結構體系的動力特性研究

摘 要：通過輕鋼結構的動力特性的研究，為今后輕鋼住宅的結構設計提供參考。運用ANSYS有限元計算軟件對多層（6層）和小高層（10層）國家標準AAA級住宅進行建模分析，在模型設計中分別采用純框架結構、框架-支撐結構和框架-核心筒結構，通過模態分析、8度區多遇地震下的反應譜分析和8度區多遇、罕遇地震下的時程分析，得到三種結構體系的自振周期、各層質心位移、層間位移角、多遇和罕遇地震下節點位移時程曲線，經過比較分析，總結三種結構形式的動力特性。分析結果表明，純框架結構適用于低多層和中低烈度的輕鋼住宅。

關鍵詞：輕鋼住宅；框架結構；框架-支撐結構；框架-核心筒結構；動力特性

中圖分類號：TU392.5文獻標識碼：A文章編號：1672-1098(2012)01-0029-06

收稿日期：2011-11-26

作者簡介：劉菁華(1987-)，女，江蘇南通人，在讀碩士，研究方向：輕鋼結構抗震性能研究。

輕鋼結構一般指承受相對較小的外加荷載，采用較小的構件截面尺寸，結構自重較輕的鋼結構。它是以經濟型材構件，包括冷彎薄壁型鋼、熱軋或焊接H型鋼、T型鋼、焊接或無縫鋼管及其組合構件作為結構的承重骨架，以壓型鋼板及其組合板材、PC板、ALC板及稻草板等質量輕、保溫防火隔熱性能好、防水效果佳的輕質材料作為圍護結構的一種新型建筑結構體系［1］。

相對于傳統建筑，輕鋼結構具有安全可靠、節能環保、建筑表現力強、經濟適用等優勢，有廣闊的市場前景。輕鋼住宅的結構體系主要有：純鋼框架體系，鋼框架-支撐體系，鋼框架-剪力墻體系，交錯桁架體系，鋼框架-核心筒體系等［2］。目前，輕鋼框架結構多用于低層，對它在靜力荷載下的受力和變形性能以及抗震性能已有了一定的研究［3-6］。據統計，多層住宅占城鎮住宅總數的80％，隨著城市用地的緊張，小高層住宅在市場中占的比重也越來越大，所以對多層和小高層輕鋼住宅動力特性的研究具有重要的理論和現實意義。本文運用有限元軟件ANSYS分別對多層(6層)和小高層(10層)的純框架結構、框架-支撐結構和框架-核心筒結構的動力性能進行比較分析，為今后輕鋼住宅的結構設計提供了參考。

1 計算模型

根據文獻［7］的評定方法，在AAA級住宅套型(三室兩廳兩衛)的基礎上稍作修改，使模型更規則，更利于梁柱的布置(見圖1)。軸線長23m，寬10.2m，結構層高2.8m，樓面恒載取3.5kN/m2，樓面活載取2.0kN/m2，屋面恒、活載取0.5kN/m2，現澆鋼筋混凝土樓板，墻體為ALC板。基本風壓取0.45kN/m2，地面粗糙程度為B類，8度近震，Ⅲ類場地，設計地震分組為第一組，結構在多遇地震下的阻尼比取3.5%，罕遇地震下的阻尼比取5%。梁柱剛接，框架柱和基礎剛接。框架柱采用方鋼管，鋼梁采用熱軋H型鋼。

圖1 住宅結構平面圖6層結構模型的梁、柱鋼材型號為Q235，隨著樓層的增加，豎向荷載增大，梁、柱構件的截面和強度都需加大，所以10層結構模型的梁、柱構件需使用Q345號鋼材。6層和10層純框架體系、框架-支撐體系、框架-混凝土筒體體系。

3 計算方法和計算結果比較

在建模過程中，模型的梁、柱采用Beam188單元，樓板采用Shell63單元，支撐采用Link10單元，框架-支撐結構分別在山墻、分戶墻和樓梯間處布置交叉支撐，6層框架-核心筒結構的筒體布置在樓梯間處。小高層住宅需要增設電梯，所以10層框架-核心筒結構的筒體布置在樓梯間和電梯井處。建模完成后，運用ANSYS有限元軟件對結構分別進行模態分析、反應譜分析和時程分析。

3.1 模態分析

模態分析用來確定結構的固有頻率和振型，本文所用的模態方法為子空間迭代法，即假設結構一定數目的特征向量N，通過迭代修正求出結構的近似前N階向量，這個N維空間就是結構真實空間的子空間。將ANSYS模態分析算得的三種結構的自振頻率換算成自振周期。

10層輕鋼結構的自振周期明顯大于6層輕鋼結構，純框架結構的整體剛度小，自振周期偏長， 框架-核心筒結構的整體剛度最大，自振周期最短，而框架-支撐結構的自振周期位于兩者之間。 由于純框架結構的橫向剛度較低，整個結構沒有形成較好的抗扭能力， 所以扭轉出現在第二振型。 框架-支撐結構在橫向布置的支撐較多，結構的橫向剛度和抗扭剛度較框架結構都有了提高， 所以扭轉退到了第三振型。 10層框架-核心筒結構的扭轉出現在第二振型， 這與筒體布置的位置有關， 因此在設計上還需改進。 總的來說，模態分析可以初步判斷模型建立的準確性和有效性，也可以清楚地觀察出三種結構的基本振型狀況。

3.2 反應譜分析

在模態分析的基礎上接著進行譜分析， 它是一種將模態分析結果與一個已知的譜聯系起來，然后計算模型的位移和應力的分析方法［8］。本文采用SPRS法進行譜分析，即對基底各節點分別沿X、Y、Z方向輸入地震加速度反應譜曲線來計算結構的地震響應。

將模態分析得到的結構自振周期T帶入式（1）計算地震響應系數值，并得到地震加速度反應譜曲線（見圖2），在結構的X、Y向輸入地震加速度反應譜曲線，然后進行求解。通過譜分析得到結構沿X、Y向的最大層位移和層間位移角。

對6層結構進行反應譜分析得到，純框架結構在地震作用下Y向的最大層間位移角為1/333，小于文獻［9］規定的1/300，但富余不大；框架-支撐X向最大層間位移角1/521遠遠小于文獻［9］規定的1/300；框架-核心筒結構是一種混合結構體系，它介于混凝土框架-核心筒結構和鋼結構之間，所以它的層間側移角限值不能簡單地照搬有關規范對混凝土結構或者鋼結構的規定，以剪力墻開裂為判別條件，混合結構在地震荷載下層間側移角限值可以取1/500［10］，由表3看出，框筒結構的層間位移角遠大于限值。對10層結構進行反應譜分析可知，純框架結構在水平地震作用下Y向的最大層間位移角1/289大于文獻［9］規定的1/300，說明純框架結構不適用于小高層輕鋼住宅，框架-支撐結構和框架-核心筒結構的層間位移角均滿足文獻［9］的要求。

根據反應譜分析得出的結構層間位移角值，繪出6層和10層計算模型X、Y向層間位移角隨高度變化的曲線。

1. 純框架結構；2. 框架-支撐結構； 3. 框架-核心筒結構

6層和10層輕鋼結構在8度多遇地震下層間位移角隨樓層的變化趨勢基本相同。輕鋼純框架結構在X、Y向的最大層間位移角均發生在結構的底部，符合框架結構剪切型變形模式的情況，由于支撐的加入，框架-支撐結構的層間側移角明顯減小，且Y向的側移角減少得更為厲害，所以對于Y向榀數較少的輕鋼住宅，僅依靠鋼框架來抵抗Y方向的側移，效果不佳，為了滿足設計的要求，可增設支撐、剪力墻等抗側力的結構形式。框架-核心筒結構的層間側移角最小，X向的最大層間側移角只有框架結構的20％，Y向只有框架結構的7％，說明筒體大大提高了結構的抗側剛度。

3.3 時程分析

時程分析法又稱為直接動力法，該法是根據選定的結構恢復力特性曲線和地震波，輸入結構體系的振動方程，用逐步積分的方法對振動方程直接積分，得出結構在地震過程中每一瞬間的位移、速度和加速度反應。它與反應譜法不同的是，反應譜法基于彈性假設，只能分析最大地震反應，而時程分析法綜合考慮了地震動強度、譜特性和持時三個要素，并且它考慮結構的彈塑性特性，所以時程分析法又分為彈性和彈塑性時程分析。由于時間和篇幅的限值，只對結構X向進行8度罕遇地震下的彈塑性時程分析。地震波的選取是進行時程分析的關鍵，因為選取適合所建工程場地的抗震設防烈度的地震波可以使時程分析具有較強的針對性。所以這里選取具有代表性的El-Centro波，該波的時間間隔為0.01s，場地為Ⅲ類，特征周期為0.45s，加速度峰值為341.7Gal。選好地震波后，需要根據文獻［9］的規定，對它的地震加速度持續時間和加速度幅值進行調整，其中持續時間的輸入一般不小于結構基本周期的5~10倍，這里取El-Centro波的前10s，將原始的加速度幅值按式(2)進行調整，然后在計算中輸入。

通過彈塑性時程分析得到在8度罕遇地震下結構頂層節點的位移時程曲線如圖4所示。 (a) 6層純框架結構(b) 6層框架-支撐結構 (c) 6層框架-核心筒結構 (d) 10層純框架結構 (e) 10層框架-支撐結構(f) 10層框架-核心筒結構

6層純框架結構頂層節點X向最大層間位移角為1/68，超過了文獻［11］規定的1/70，但沒有超過文獻［9］規定的1/50，說明制定符合輕鋼結構設計的規范是有必要的；10層純框架結構X向最大層間位移角為1/57，超過了文獻［11］規定的1/70，說明框架結構不適用于高烈度的輕鋼住宅。6層和10層框架-支撐結構X向最大層間位移角分別1/92和1/86，6層和10層框架-核心筒結構X向最大層間位移角分別1/196和1/164，均能滿足文獻［9］和文獻［11］的規定。

4 結論

純框架結構的抗側移能力在三種結構中是最弱的，對于小高層輕鋼框架結構，在地震作用下層間位移角超過限值。但這種結構不易受建筑布局的影響，空間布置比較靈活，在住宅產業中得房率很高，所以結合各方面的條件可知純框架結構適用于低多層(6層及6層以下)和中低烈度(8度及8度以下)的輕鋼住宅。

框架-支撐結構在多高層和中高烈度住宅中的表現鑒于其它兩者之間，由于設置了支撐，結構具有良好的耗能能力，抗側移能力也較純框架結構有所提高。支撐的布置很重要，既要考慮支撐的形式和布置位置對結構的動力性能的影響，也要考慮戶型設計的人性化。如本文的算例，在模型的樓梯間處布置了交叉支撐，而在實際生活中考慮到開戶門的設置，樓梯間處應布置偏心支撐。所以在對該結構的輕鋼住宅設計時，應首先找到經濟性和受力性最為合理的布置形式，以此來設計戶型，開發出受大家歡迎的樓盤。框架-支撐結構適合多高層和中高烈度的輕鋼住宅。

框架-核心筒結構在多高層和高烈度住宅中的抗震性能最佳，當核心筒的剪力墻高寬比大于4時才體現出一定的耗能性，所以這種結構在多層中的使用效果不如高層。從抗震性和經濟性的角度可知框架-核心筒結構更適合高層和高烈度的輕鋼住宅。

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