水平地震作用下多層冷彎薄壁組合結構的整體模型分析

趙　靜，樊　江

（1.大理大學工程學院，云南大理　671003；2.昆明理工大學建筑工程學院，昆明　650224）

水平地震作用下多層冷彎薄壁組合結構的整體模型分析

趙靜1，樊江2

（1.大理大學工程學院，云南大理671003；2.昆明理工大學建筑工程學院，昆明650224）

介紹美國多層輕鋼住宅結構體系，通過對一個工程實例按多層冷彎薄壁和熱軋型鋼組合結構體系的方式進行結構布置，建立整體結構模型，輸入實際的荷載和地震作用，采用ETABS分析軟件進行分析研究。

多層冷彎薄壁組合結構；整體結構；模型分析

［DOI］10. 3969 / j. issn. 2096-2266. 2016. 06. 009

傳統的冷彎薄壁型鋼結構一般用于1～4層的低層建筑，然而對于4層以上的建筑，傳統的冷彎薄壁型鋼結構體系存在著底層柱豎向承載力和水平抗側剛度不足的問題。通過借鑒美國多層冷彎薄壁型鋼結構布置體系，提出了多層冷彎薄壁與熱軋型鋼組合結構，采用了ETABS分析軟件對實際的6層住宅項目，按多層冷彎薄壁型鋼組合結構形式布置，對其進行整體分析，以期望能對其受力性能有所了解。

1　按美國多層冷彎薄壁型鋼結構形式進行的結構布置

此工程位于云南省開遠市，為一棟6層住宅樓，磚混結構，層高3 m，無地下室。建筑安全等級為二級，地基基礎設計等級為丙級，建筑場地類別為二類，建筑設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.15 g，設計地震分組為第三組，特征周期為0.45 s〔1〕。用于小震作用下的截面抗震驗算和抗震變形的水平地震影響系數為0.12，用于大震作用下結構薄弱層彈塑性變形驗算的水平地震影響系數為0.72，結構設計使用年限為50年，基本風壓0.35 KN/m2，基本雪壓為0.3 KN/m2，地面粗糙程度為B類。

如圖1所示，此建筑平面布置合理，戶型實用并且面積利用率高，結構體型簡單合理，在目前我國多層住宅中具有一定的代表性，特別是中小城鎮應用較多。采用這種住宅形式進行多層冷彎薄壁型鋼結構體系布置，也是基于它在我國絕大部分地區的適應性和廣泛性。

多層冷彎薄壁型鋼結構主要的受力系統是由樓蓋系統、豎向墻體系統組成，豎向墻體有輕鋼剪力墻或采用帶十字交叉支撐的普鋼框架結構。地震區多采用帶有普鋼框架結構的形式。考慮到我國也是個地震多發國家，擬采用帶有普鋼框架加強的冷彎薄壁型鋼結構形式。

1.1構件截面尺寸參數如圖2所示，根據住宅標準層的平面布置，綜合考慮建筑受力和使用的要求，在1、6、11、16、21、B、E、G軸處布置型鋼框架。C形墻柱間距按《低層輕型鋼結構裝配式住宅技術要求》要求以400～600 mm為宜。若間距過大，板對柱約束作用降低，C形柱計算長度系數增大，承載能力降低，間距控制在600 mm以內，可以有效地發揮它的受壓性能。在一些無法布置C形墻柱的洞口，均布置了薄壁方鋼管。

其樓蓋由有卷邊的C型冷彎薄壁型鋼擱柵與鋪于擱柵上的薄板組成。擱柵一般跨度為3.6～4.8 m，擱柵間距為600 mm，選用方鋼管：160 mm×160 mm× 2 mm，帶卷邊的C型冷彎薄壁型鋼截面：160 mm×70 mm×20 mm×3 mm，C型冷彎薄壁型槽鋼截面：160 mm×160 mm×3 mm，熱軋H型鋼截面：160 mm× 160 mm×10 mm×10 mm×10 mm。

圖1　建筑標準層平面圖

圖2　組合結構布置圖

1.2連接類型熱軋H鋼柱和鋼梁的連接采用剛接，次梁與主梁之間的連接采用鉸接，冷彎薄壁型鋼墻架柱與頂梁、底梁的連接通過自攻螺釘連接，這種連接方式實際上既做不到完全剛接也不是完全鉸接，它允許有一定轉角，是介于剛接和鉸接之間的一種連接方式。在建模中，通過對節點區的指定和連接屬性的定義來使得冷彎薄壁型鋼墻架柱與梁的連接具有一定的轉角變形能力。

1.3荷載統計及材料屬性荷載統計〔2〕如表1所示。墻面板在分析中均簡化為各向同性材料，材料參數見下表2。

表1 荷載統計表

表2　墻體構件的材料特性

2　水平地震荷載作用下的整體模型分析

采用三維有限元軟件ETABS進行整體建模分析，對此框架結構采用層剪切型模型，由于樓板有開洞情況，不宜采用平面內剛性隔板假定來減少其平面內自由度〔3〕，故建模過程中采用殼單元（shell）來模擬樓板，這樣能真實反應結構的性能，全部梁柱間節點采用剛性連接假設，屋面板采用殼單元（shell）模擬。經模態分析得到其前9階周期和頻率。

如表3所示，從結構的平面布置圖可以看到，X方向尺寸大并且X方向普鋼框架不連續，所以X向剛度遠遠小于Y向剛度。故結構的第一主振型為X向平動，這與計算結果一致，而結構的第二振型Y向平動，與第一振型的周期值相差很大，主要是因為結構在兩個方向的剛度相差很大所致。考慮到框架結構有0.6～0.8的周期折減系數〔4〕，故該結構的有效周期：

T=1.13334×0.65=0.736 67 s。

從表3可以看出，結構的第一扭轉振型出現在第三振型，此時周期Tt=0.351 05 s。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》4.3.5的要求，對于A級高度的高層建筑，結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比不應大于0.9〔5〕。

表3　振型周期頻率表

如表4及表5所示，在QX作用下，X向層間等效剛度在2層出現局部突變，剛度減小。如表6和表7所示，Y向的等效剛度在QY作用下，并未出現局部剛度的變化。從表8及表9的數據分析可知，在雙向水平力作用下，布置大量普鋼框架的Y方向，整體剛度提高。雖然結構有部分面積的樓板開洞現象，在一定程度上削弱了結構的剛度。由于頂部幾層的剛度較小，容易產生較大的位移，這一點在對位移控制時也需要關注。

表4　QX工況作用下X向層間計算結果

表5　QX工況作用下Y向層間計算結果

表6　QY工況作用下X向層間計算結果

表7　QY工況作用下Y向層間計算結果

表8　雙向工況作用下X向層間計算結果

表9　雙向工況作用下Y向層間計算結果

在進行振型分解反應譜法求解中，對結構各層樓板節點進行耦合，一方面符合規范中平面無窮剛的假定，另一方面消除了局部誤差，易求平均值，并且與實際相符。

采用底部剪力法和結構反應譜分析雙向地震作用下的層間側移角。層間剪力等于層間剪切剛度與層間位移的乘積，所以層間位移的大小能反應側向力引起的層間剪力的大小，層間剪力大的樓層的構件內力越大，從而可以知道結構在彈性范圍內的薄弱樓層的位置，從圖3可以看出，在雙向地震作用下，最大位移均出現在頂層，如圖4、圖5所示X向層間位移角最大值為1/473，出現在第2層；Y向層間位移最大值為1/590，出現在第7層，均小于抗震規范規定的彈性層間位移角極限制1/300，在Y向地震作用下，第7層出現位移突然加大，原因在于第7層是突出屋面的樓梯間，因為鞭梢效應的作用，地震力會被放大，Y向的尺寸比X向的尺寸大的多，所以位移會突然增大。由此可知，結構的薄弱環節在第2、7層。這樣可以預測結構在強震下進入塑性狀態工作后，極有可能在第4層首先出現塑性鉸，出現卸載和內力重分布的情況。

圖3　雙向地震力作用下每層最大位移

圖4　X向最大層間位移角

圖5　Y向最大層間位移角

3　結論

采用ETABS對帶有普鋼框架的多層冷彎薄壁型鋼結構體系在水平地震作用下的整體性能進行了分析。

1）借鑒了美國多層輕鋼結構體系，按多層冷彎薄壁和熱軋型鋼組合結構的結構形式進行布置，在X向與Y向都布置了熱軋型鋼框架，因Tt/T1= 0.351 05/1.133 34=0.31≤0.9，所以完全符合規范要求。X向層間位移角出現在第2層；Y向層間位移最大值出現在第7層，均小于抗震規范規定的彈性層間位移角極限制1/300。

2）根據整體性能分析，普鋼框架的使用，使X方向和Y方向的層間剛度提高，從而提高了冷彎薄壁型鋼結構在地震作用下的整體抗側剛度。

〔1〕GB 50011-2010，建筑抗震設計規范〔S〕.北京：中國建筑工業出版社，2010.

〔2〕GB 50009-2012，建筑結構荷載規范〔S〕.北京：中國建筑工業出版社，2012.

〔3〕北京金土木軟件技術有限公司.ETABS中文版使用指南〔M〕.北京：中國建筑工業出版社，2006：10-46.

〔4〕GB 50011-2010，高層建筑混凝土結構技術規程〔S〕.北京：中國建筑工業出版社，2010.

〔Abstract〕The multiple-story light-weight steel structure of America is introduced and analyzed through the structural arrangement of the multi-layer cold-formed thin-walled and hot rolled steel composite structure system，establishment of the whole structure model，the enter the actual load and seismic action，and ETABS analysis software.

〔Key words〕the multilayer cold-formed steel composite structure；whole structure model；model analysis

（責任編輯袁霞）

Integral Analysis of the Multilayer Cold-formed Steel Composite Structure under Horizontal Earthquake

Zhao Jing1，Fan Jiang2
（1.College of Engineering，Dali University，Dali，Yunnan 671003，China；2.College of Construction Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650224，China）

TU39

A

2096-2266（2016）06-0033-05

2016-03-11

2016-04-25

趙靜，助教，主要從事建筑結構研究.