脈動風下冷彎薄壁型鋼結構風致響應分析

(內蒙古科技大學土木工程學院 內蒙古 包頭 014010)

一、概述

冷彎薄壁型鋼結構由于輕質高強且易于施工等優點被廣泛應用于現代結構建筑，隨著這種結構體系的大量應用，各國學者紛紛開始對該類型結構(尤其是風荷載)在使用過程中的研究。如聶少鋒[1]對不同屋面形式的低層冷彎薄壁型鋼房屋模型進行了風載特性試驗研究并提出各模型表面風載體型系數。Simiu[2]根據計算發現了脈動風譜隨高度變化而變化的特性。Kaimal[3]根據大量的經驗積累推出了順風向的脈動風速譜經驗公式。Scanlan[4]提出了采用頻域理論分析紊流響應的計算方法。國內對冷彎薄壁型鋼結構房屋風致響應研究主要集中在低層結構，對多層結構研究較少，所以有必要對多層冷彎薄壁型結構進行脈動風荷載響應進行研究。

二、結構建模及結構特性

(一)結構建模

本文有限元模型采用文獻[5]中的冷彎薄壁型鋼結構房屋模型。結構總長18400mm，寬10800mm，層高3000mm。結構構件鋼材為Q345，剪力墻墻面板材采用1mmQ235厚度的鋼板和12mm厚度的OSB板，內墻板材采用雙層12mm厚度的OSB板，樓面板采用18mm厚度的OSB板。角柱選用3根C140×41.3×12.7×0.9組合，外墻鋼龍骨采用單根C140×40×12×1.73，樓面梁采用C305×40×14×1.73。SAP2000建模時梁和柱采用梁單元模擬，樓面板和墻面板采用殼-薄殼(Shell-layered)單元模擬，結構材料有限元參數見表1。樓面恒荷載取值1.45kN/m2，屋面均布活荷載取值0.5kN/m2，外墻自重取值1.05kN/m2活荷載取值2.2kN/m2，內墻自重取值0.5kN/m2，結構自重荷載等效為樓板自重。對冷彎薄壁型鋼房屋結構建模分析時，日本相關規范規[5]定了三種墻體結構的等效分析計算方法：(1)墻體的等代拉桿置換法：將墻體等效為拉壓桿件結構，將桿件結構與框架結構相互鉸接；(2)框架剪力墻模型法：將結構墻體等效為剪力墻，墻體間采用等間距龍骨分布；(3)懸臂梁法：將墻體等效為懸臂剛架結構。建模時采用日本相關規范規[5]中的剪力墻法，墻體模型見圖2。

圖1 結構平面布置圖

圖2 框架剪力墻模型

(二)結構的自振周期與頻率

在對結構進行脈動風致響應分析前，應先對結構的動力特性進行分析，通過SAP2000模態求解器求解得到結構的前三階周期和頻率。

日本：T=0.03H

(1)

美國：T=0.05H3/4，H為建筑物高度。

(2)

4層、5層和6層冷彎薄壁型鋼結構建筑高度分別為12m，15m和18m，按公式(1)和(2)計算得到結構不同樓層特征周期，4層為0.36s和0.32s；5層為0.45s和0.38s；6層為0.54s和0.44s。模型周期與日本、美國推薦公式計算的特征周期較為接近，表明采用剪力墻法建立的多層冷彎薄壁型鋼房屋模型是合理的。4層結構前3階模態型見圖3。

圖3 4層結構前三階陣型

結構模型前三階模態分別為沿X軸順向變形，沿Y軸順向變形和沿Z軸扭轉變形，且與文獻[8]提供的4層結構前三階模態振動方向一致。

三、脈動風荷載下結構的風致響應

脈動風荷載模擬結構地貌類型為A類，離地10m處最大風速重現期為50年，重現期內最大風速為37.95m/s，基本風壓取值為0.9kN/m2，鋼結構阻尼比取0.01。利用AR法原理，在MATLAB中生成脈動風風速時程，沿結構高度方向上每隔3m生成一次脈動風速時程，風速時程總長取200s，模擬時間間隔0.1s,得到沿高度變化的脈動風速時程及功率譜曲線，取12m高度處脈動風速時程曲線，模擬的脈動風速功率譜曲線與目標譜曲線基本吻合，驗證了模擬風速時程的合理性。見圖4。

圖4 12m處脈動風速時程曲線和功率譜曲線

(一)不同樓層頂點位移分析

對不同樓層進行基本風壓為0.90.9kN/m2的脈動風速時程分析并提取結構頂點位移，見圖5。

圖5 多層冷彎薄壁型鋼結構房屋頂點位移

我國《鋼結構設計規范》[7](GB50017-2014)對風荷載作用下多層結構的最大層間位移限值進行了規定，其值不得大于，本文結構模型層間位移限值均為7.5。風荷載作用下多層冷彎薄壁型鋼結構房屋最大層間位移均發生在底層，多層結構最大層間位移均小于規范要求，該結構受力性能良好。

(二)層結構不同風壓下位移分析

考慮重現期為10年，基本風壓為0.3kN/m2、0.5kN/m2、0.7kN/m2和1.1kN/m2，地面粗糙程度為A類，對4層冷彎薄壁型鋼結構房屋進行風荷載時程分析。提取結構頂點位移時程曲線如圖5。

圖6 不同風壓作用下4層結構頂點位移時程

由圖6可得：4層雙肢冷彎薄壁型鋼結構頂點位移隨基本風壓的增大而增大。基本風壓為0.3kN/m2、0.5kN/m2、0.7kN/m2和1.1kN/m2時，結構頂點的最大位移分別為1.24mm、1.86mm、2.71mm和4.82mm。求得結構不同風壓下結構最大位移和結構高度比值分別為0.000103、0.000155、0.000226、0.000402，根據計算結果對比我國《鋼結構設計規范》[7](GB50017-2014)風荷載作用下框架結構柱頂水平位移限值規定，結構計算結果滿足規范限值。

本文介紹了多層冷彎薄壁型鋼結構房屋風荷載作用下結構的動力響應。并對結果進行了分析，得出結論如下：

1.采用剪力墻法在SAP2000中建立的多層冷彎薄壁型鋼結構房屋模型周期和頻率符合相關規定，且本文模型和文獻ANSYS模型前三階陣型基本相同，驗證了建模的可行性。相較與ANSYS軟件，SAP2000建模不僅操作簡單且計算耗時短，對計算機配置要求低

2.在MATLAB中采用AR法模擬的脈動風風速時程曲線與達爾波特譜整體吻合，驗證了模擬風速時程的正確性。

3.在基本分壓0.9kN/m2時，多層冷彎薄壁型鋼結構房屋的層位移限值滿足規范要求，該結構整體性能良好。結構頂點位移隨結構高度增大而增加；當結構高度不變時，結構的頂點位移隨脈動風壓增大逐漸增大。

【參考文獻】

[1]聶少鋒.低層冷彎薄壁型鋼結構住宅風洞試驗研究及數值分析[D].西安:長安大學，2009

[2]ASCE Standards.Minimum Design Loads for Buildings and other Structures[S]，1993，ASCE7-93 a revision of ANSI/ASCE 7-88

[3]鄭治真.波譜分析基礎[M].北京：地震出版社，1975

[4]Yin Zhou，Ming Gu，Hai fan Xiang.Along wind static equivalent wind loads and responses of tall building[J].Part I:Unfavorable distributions of static equivalent wind loads，J of Wind Eng and Ind.Aerodyne.1999，Vol79：135-150

[5]不同風向角下多層冷彎薄壁型鋼結構風致響應數值模擬[D].西南：西南科技大學，2015

[6]石宇.水平地震作用下多層冷彎薄壁型鋼結構住宅的抗震性能研究[D].西安:長安大學，2008

[7]GB 50017—2003，鋼結構設計規范[J]