不同填充墻鋼框架結構地震作用下的非線性分析

李 科，馬霄航（南陽師范學院土木建筑工程學院，河南南陽473061）

不同填充墻鋼框架結構地震作用下的非線性分析

李 科，馬霄航
（南陽師范學院土木建筑工程學院，河南南陽473061）

摘要：一鋼框架結構分別以普通砌塊和泡沫混凝土為填充墻材料，據此建立有限元模型來研究其對結構抗震性能的影響。根據數據分析，砌塊填充墻和泡沫混凝土填充墻對結構的動力特性有不同程度的影響，結構的位移反應也有不同的表現。

關鍵詞：鋼框架；抗震性能；動力特性；位移反應

D01：10.19329/j.cnki.1673-2928.2016.04.016

鋼結構住宅以其建設速度快、建筑形式靈活等優點在建筑市場發展迅速。鋼結構住宅的推廣應用很大程度上會受到與其配套的墻體材料的限制。鋼結構內填填充墻后，結構的各項性能如結構的抗側力、抗震性能等都會有所改變，墻體作為鋼結構住宅的圍護構件，其自身及連接節點也應該具有較好的抗震性能，此外，墻體對整個結構的剛度貢獻明顯，會影響結構的抗震性能。

泡沫混凝土輕質墻板具有隔熱性能好、輕質高強的特點，可以將它作為鋼結構住宅的一種墻體材料來用。本文以此種材料為研究對象，設計有限元模型，對比分析其與傳統墻體材料在抗震性能上的表現。

1有限元模型

本文利用SAP2000有限元分析軟件對結構進行建模，共建立三個模型，分別為：純鋼框架結構、砌體填充墻鋼框架結構、泡沫混凝土鋼框架結構，具體模型如圖1。

圖1　結構有限元模型

設計該框架結構層高3.0m，未設計地下室，橫向共有三跨15m，邊跨6.0m，中間跨3.0m，縱向設計8跨，柱間距6.0m，共計36m.鋼框架結構中梁柱采用Q345的鋼材制作，樓板采用現澆混凝土板，厚度100mm，混凝土強度等級C30，填充墻采用輕質混凝土砌塊，抗壓強度6.0MPa，輕質泡沫混凝土4.0 MPa，樓面恒載取2.5KN/ m2，樓面可變荷載取2.0 KN/ m2，所用鋼材尺寸、墻體厚度見表1。

表1　結構構件尺寸

某地區抗震設防烈度為8度，建筑場地類別為II類，設計地震分組為第一組，場地特征周期為0.35g，設計基本地震加速度0.20g。

2結構動力特性

根據軟件所建立的有限元模型，模擬結構在地震中的表現，從而得到純鋼框架結構、砌塊填充墻鋼框架結構、泡沫混凝土鋼框架結構的自振周期、自振頻率和振型，進行動力分析。

根據表1的數據來看，在受到地震影響時，未設置隔墻的純鋼框架結構的自振周期相對較大，采用傳統加氣混凝土砌塊制成的填充墻鋼框架結構自振周期有明顯的下降，而采用新型泡沫混凝土制成的填充墻鋼框架結構自振周期介于兩者之間。由此可見，由于填充墻的存在，結構的剛度會有所提高，傳統的加氣混凝土砌塊填充墻由于自重大、強度相對較高，對結構的剛度提升比較明顯，采用新型泡沫混凝土制作的填充墻自重較小、強度較低，對結構的剛度提升有限。

表2　結構自振周期

3位移反應

為了得到結構在多遇地震作用下的非線性時程分析結果，本文選取II類場地土的地震波——蘭州波，從結構的底部進行X、Y兩個不同的方進行輸入，其中X、Y兩個方向的加速度峰值的輸入比例為1：0.85。由于在X方向的變化值比較小，所以只列出了Y向的時程分析結果（見圖2）。

圖2　結構在多遇地震作用下Y向的頂點位移時程曲線

在建立模型時，墻板與結構之間采用無剛性連接，結合圖2以及相關計算數據分析，可以看出，在多遇地震作用下，考慮到填充墻對結構的剛度貢獻，不同形式的鋼框架結構的頂點位移會有明顯的不同，其中由于純框架結構剛度較小，在地震作用下，頂點位移較大，而砌塊混過凝土填充墻結構和泡沫混凝土填充墻結構的布置增大了結構的剛度，在地震作用下結構的位移有很大程度的降低。

4層間位移角

根據軟件SAP2000所建立的有限元模型，在輸入蘭州波時所得到的有限元動力時程分析結果，可以得到各層層間位移與層高之比δ/ h，具體結果見表3。

根據GB50011-2010抗震設計規范中對于多高層鋼結構在地震作用下的層間位移角的具體限制要求，其中規定在小震作用下結構的層間位移角不得超過1/250，從上表的結果來看，以上三種結構形式都是滿足此項規定的。由于純鋼框架結構剛度較小，層間位移角較大，但是設置填充墻以后，結構的剛度產生了變化，層間位移角明顯變小。

表3　各層層間位移與層高之比δ h

5結論

通過在鋼框架結構設置不同材料制作的填充墻，并根據所得到的分析數據進行總結，我們可以得到以下結論：

1.通過對比分析結構自振周期可以看出，結構中布置的填充墻提高了結構的剛度，從而影響到了結構的自振周期。純鋼框架結構剛度較小，自振周期較大，采用砌塊混凝土填充墻的鋼框架結構剛度大，自振周期較小，由輕型泡沫混凝土作為填充墻的鋼框架結構剛度適中，自振周期介于兩者之間。

2.根據時程分析結果來看，在多遇地震下，由于填充墻提高了結構的剛度，帶填充墻的鋼框架結構的頂點位移有所降低，結構的層間位移角也都在規范的要求范圍之內。

由此可以看出，鋼結構建筑中采用輕型泡沫混凝土作為填充墻，具有較好的抗震性能，再加上泡沫混凝土自身優勢，可以在鋼結構領域得到較好的應用。

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（責任編輯：周小露）

中圖分類號：TU352.1

文獻標志碼：A

文章編號：1673-2928（2016）04-0052-03

收稿日期：2015-10-22

基金項目：南陽師范學院青年項目（15026）；南陽師范學院課程建設項目；高等學校重點科研項目（16B560006）。

作者簡介：李科（1983-），男，河南南陽人，講師，碩士，主要從事工程事故分析與處理研究工作。

Nonlinear analysis of steel frame structures under seismic action

LI Ke，MA Xiaohang
（School of Civil Engineering and Architecture，Nanyang Normal University，Nanyang 473061，China）

Abstract:A steel frame structures were ordinary blocks and foam concrete wall is filled with material，thus the finite element model to study its impact on the seismic performance of structures.According to the data analysis，and foam concrete block filler wall infilled with varying degrees of impact on the dynamic characteristics of the structure，the displacement response of the structure is also different performance.

Key words:steel frame；seismic performance；dynamic characteristics；displacement reaction