維護板對輕鋼框架結構體系抗震性能影響分析

楊國棟

(山西中條山工程設計研究有限公司銅城設計院，山西垣曲 043700)

0 引言

近年來多層輕鋼框架結構應用越來越廣泛，它具有工業化程度高、施工周期短、重量輕、造價易控制、施工不受季節限制等優點，同時因其取材對環境影響小，有利于社會資源的保護和材料的回收再利用，被譽為“可持續發展的生態建筑體系”［1］。但是結構中的維護板僅被作為圍護結構，設計中往往忽視其對輕鋼框架的作用，沒有考慮其參與輕鋼框架抗震的作用。實踐證明，若連接可靠，維護板能與輕鋼框架結構體系共同工作，并提高輕鋼框架結構的整體剛度和強度?？紤]維護板對輕鋼框架結構抗側能力的貢獻可以使輕鋼框架結構設計更加符合實際的受力狀態，同時也能降低造價，節約成本［2］。因此，分析和研究水平荷載作用下維護板與輕鋼框架結構的耦合作用具有重要的理論價值，并可以指導工程設計實踐。

1 有限元計算模型

1.1 輕鋼框架原型結構設計

本文設計的輕鋼原型結構為一輕鋼結構住宅，共6層，層高3 m，建筑總高度18 m，基本柱網15 m×24 m，結構橫向三跨，跨度分別為6 m，3 m，6 m，共15 m，縱向柱距6 m，4個柱距，共24 m。維護板布置在結構的跨中。結構的平面、三維立體圖如圖1所示。恒荷載gk=17 kN/m，活荷載qk=8 kN/m，抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.20g，場地類別為Ⅱ類，設計地震分組為第一組，場地特征周期為0.35 s。輸入的地震波分別采用Elcentro波、Taft波和蘭州波。

圖1 結構的平面、三維立體圖

1.2 材料特性

本章基礎模型結構的梁、柱均采用H型鋼，截面尺寸分別為400 mm×300 mm×10 mm×16 mm和350 mm×250 mm×9 mm×14 mm，鋼材型號為 Q235，彈性模量 E=2.06×105MPa，鋼材的各項材性數據見表1。樓板采用混凝土結構，厚100 mm，標號為C20，維護板采用輕質混凝土板。

表1 結構的前十階自振周期 s

2 模態分析

所謂模態分析就是通過計算結構的振型及其對應的自振周期來確定結構動力特性的一種分析方法。作為結構的一種固有特性，結構的振型和自振周期是反映結構動力特性的重要參數之一，它們能夠反映在動力荷載作用下結構的動態位移響應、加速度響應和速度響應，是進行結構動力分析的基礎。

本結構模態的求解采用Ritz向量分析方法。Ritz向量法考慮了動力荷載的空間分布，可以為后面時程分析提供更精確的振型依據。采用SAP2000軟件首先對結構進行了模態分析，從而得到了純輕鋼框架結構和帶維護板鋼框架結構的前十階振型及其對應的自振周期。

由表1可知，本例中純輕鋼框架結構的第一自振周期為1.480 014 s，反映了純輕鋼框架結構的整體剛度小的特點。帶維護板鋼框架結構的第一自振周期為1.328 461 s，要略小于純輕鋼框架結構，而且帶維護板的鋼框架結構的每一階自振周期均略小于純輕鋼框架結構的，說明維護板的剛度對輕鋼框架結構的抗側能力是有利的，使得結構的整體剛度有所增加。

3 時程分析

結構的地震反應的時程分析方法是一種動力計算方法，用地震地面加速度時程作為輸入，計算得到結構隨時間變化的地震反應。時程分析方法既考慮了地震動的振幅、頻率和持續時間三要素，又考慮了結構的動力特性，能比較真實的描述結構地震反應的全過程［3］。時程分析的目的是對純輕鋼框架結構和帶維護板的鋼框架結構在地震作用下的響應進行比較分析，比較兩種結構的抗震性能。

本文選擇Ⅱ類場地土的地震記錄Elcentro波、Taft波和蘭州波，對結構進行地震作用下的時程分析。

3.1 加速度時程分析

通過軟件計算可以得到兩種結構分別在三種地震波作用下的頂點加速度時程比較曲線，如圖2所示。由圖2可知，Elcentro波作用下純輕鋼框架結構和帶維護板鋼框架結構頂層的最大加速度值分別為984.6 cm/s2，677.5 cm/s2;Taft波作用下純輕鋼框架結構和帶維護板鋼框架結構頂層的最大加速度值分別為629.7 cm/s2，402.2 cm/s2;蘭州波作用下純輕鋼框架結構和帶維護板鋼框架結構頂層的最大加速度值分別為887.7 cm/s2，628.8 cm/s2。由此可以看出，在三種地震波作用下，純輕鋼框架結構的水平地震響應加速度峰值要比帶維護板鋼框架均有所增大，這是由于維護板對結構抗側能力的貢獻，使得純輕鋼框架結構的抗側能力較小。

圖2 三種地震波作用下結構頂點加速度時程比較曲線

3.2 位移時程分析

表2給出了三種不同多遇地震地震波作用下兩類結構的地震響應層間位移的最大值，從表2可以看出，在Elcentro波作用下，純輕鋼框架結構的第一層層間位移最大值為0.122 69 mm，第二層為0.104 17 mm，第三層為0.082 13 mm，符合輕鋼框架結構在水平荷載作用下層間側移沿高度方向逐漸減小的變形規律;在Taft波和蘭州波作用下，計算所得的純輕鋼框架結構層間位移最大值也符合輕鋼框架結構在水平荷載作用下層間側移沿高度方向逐漸減小的變形規律;在Elcentro波、Taft波和蘭州波作用下，計算所得的帶維護板鋼框架結構層間位移最大值均符合輕鋼框架結構在水平荷載作用下層間側移沿高度方向逐漸減小的變形規律，但層間位移的最大值比相應的純輕鋼框架結構要小。表3給出了三種不同多遇地震地震波作用下兩類結構的地震響應位移的最大值。從表3可以看出，在Elcentro波作用下，純輕鋼框架結構的第一層層間位移最大值為 0.122 69 mm，第二層為0.226 86 mm，第三層為0.308 99 mm，符合輕鋼框架結構在水平荷載作用下剪切型的變形曲線;在Taft波和蘭州波作用下，計算所得的純輕鋼框架結構層間位移最大值也符合輕鋼框架結構在水平荷載作用下剪切型的變形曲線;在Elcentro波、Taft波和蘭州波作用下，計算所得的帶維護板鋼框架結構層間位移最大值均符合輕鋼框架結構在水平荷載作用下剪切型的變形曲線，但響應位移的最大值比相應的純輕鋼框架結構要小。綜上，可以看出在多遇地震地震波作用下，帶維護板鋼框架的位移和層間位移均要小于純鋼框架結構。這是由于維護板對結構抗側剛度的貢獻，使得帶維護板鋼框架的抗側剛度較大。

表2 地震響應層間位移最大值 mm

表3 地震響應位移最大值 mm

4 結語

1)帶維護板輕鋼框架結構的自振周期較純輕鋼框架結構的要略小些，這是由于維護板的剛度對輕鋼框架結構的抗側能力是有利的，使得結構的整體剛度有所增加。

2)與純輕鋼框架結構相比，在三種不同地震波作用下帶維護板輕鋼框架結構的頂點最大加速度、位移最大值和層間位移最大值均要略小些，這說明在多遇地震作用下維護板由于平面內具有一定的剛度，能夠耗散一部分地震能量，這對輕鋼結構的抗震性能是有利的，設計計算時應予以考慮。

3)在罕遇地震作用下，維護板的剛度就可以忽略不計，但是維護板會作為抗震設防的第一道防線，首當其沖，以自身的破壞來耗散地震中產生的能量，這對輕鋼結構的抗震設計也是有利的。因此，在設計中應充分合理的考慮維護板的影響，才能使輕鋼框架的抗震設計更加合理。

［1］史三元，穆金花.SPSW對鋼框架結構體系抗震性能影響分析［J］.河北工程大學學報(自然科學版)，2011，28(4):6-9.

［2］李小娟，史三元，李慧芳.填充墻對鋼框架結構體系抗震性能影響分析［J］.四川建材，2012，38(2):50-51.

［3］方鄂華，錢稼茹.高層建筑結構設計［M］.北京:中國建筑工業出版社，2008.