冷彎薄壁結構在地震高烈度地區的應用

何樹凱

（重慶建工集團股份有限公司，重慶 401122）

0 引言

四川省涼山彝族自治州幼兒園項目為涼山州教育基礎設施扶貧項目，工程遍布涼山州17個縣市的各鄉鎮，擬建450所幼兒園，總建筑面積409740m2。整個項目廣泛分布于西昌市、德昌縣、喜德縣等17縣市的418個鄉鎮，由于項目所在地基礎設施建設相對落后，交通、水電、地質問題突出，加之傳統的施工條件受限，施工組織極為困難。

1 項目重難點

（1）項目選址基本位于偏遠鄉鎮，多數無路通行，大型機具設備難以到達施工現場。

（2）當地基礎設施建設落后，部分地區水電不通，達不到傳統施工技術條件。

（3）項目位于地震多發區，抗震設防7～9度，幼兒園屬于重點類設防建筑，按照規范必須提高抗震設防措施，若按照傳統的結構形式，含鋼量將提高，造價增加。

2 解決方案

項目因地制宜可選擇鋼筋混凝土、鋼框架、冷彎薄壁三種方案，但客觀的現場條件要求項目結構應具有標準化、模塊化、工業化、裝配化及輕型化的特點。據可行性分析，冷彎薄壁輕鋼結構體系能很好地滿足上述特點[1]，其高度裝配化的特點符合國家的裝配式建筑推廣政策，也符合當地大力發展鋼結構產業基地的精神。其特點如下：

（1）工業化程度高、結構耐久性好；

（2）用鋼量低、自重輕、墻體薄、綜合經濟性好；

（3）結構強度高、整體性好、安全性更高；

（4）板肋結構、加筋設計、抗震性能更好；

（5）回收率高、綠色環保；

（6）安裝簡單、制約性少、工期短。

3 冷彎薄壁構造

項目為3層建筑，建筑總高為11.7m，平面長、寬尺寸約為48m×16.3m。承重墻采用冷彎薄壁型鋼立柱+定向刨花板+建筑板材，非承重墻采用冷彎薄壁型鋼立柱+建筑板材，樓蓋采用冷彎薄壁型鋼鋼梁+定向刨花板+40mm厚細石混凝土現澆層。

3.1 樓蓋構造

樓蓋梁與邊梁均采用冷彎薄壁輕鋼，自攻螺釘連接，樓面結構板為18mm厚OSB板，通過自攻螺釘連接至樓蓋梁。組合樓蓋構造詳見圖1。

圖1 組合樓蓋構造圖

3.2 墻體構造

墻體由冷彎薄壁型鋼構件和墻面板經自攻螺釘連接而成（詳細構造見圖2），是住宅的主要承重構件之一，不僅承受豎向荷載，同時也承受風載和地震作用[2]。

圖2 墻體基本構造圖

4 結構優化

剪力墻性能對結構至關重要，為提高結構整體抗震性能，在龍骨中附加水平和斜向支撐以形成桁架骨架，性能較板肋式有較大提升[3]，更適用于大洞口墻體。針對兩種結構類型進行了對比試驗，試驗結果表明前者地震抗剪極限承載力為后者的1.27倍，試驗加載裝置如圖3、圖4所示。

圖3 板肋式龍骨體系

圖4 格構式龍骨體系

5 結構分析

該項目選用有限元軟件ABAQUS對結構在地震作用下的受力行為進行模擬。主要分兩步，首先進行模態分析，得到各階模態下結構的自振頻率和各階振型，然后根據工況進行動力時程分析，并施加地震波，得到在特定地震波作用下結構各層位移反應。

5.1 有限元模型的建立

結構中立柱、導軌、橫連、斜撐、腹桿、弦桿等使用的冷彎薄壁型鋼的構件采用三維線性梁單元建模，樓面板、屋面板及內外墻面板采用四節點殼單元建模[4]。構件之間連接主要采用綁定約束[5]，通過設置豎向重力加速度來模擬結構物自身的重量，樓、屋面荷載則采用施加均布荷載和線荷載的方式處理，整體結構的有限元模型見圖5、圖6。

圖5 有限元框架模型

圖6 有限元整體模型

5.2 地震作用

依據國家現行規范《建筑抗震設計規范》及《中國地震動參數區劃圖》的規定，地震動與地震波主要參數詳見表1、表2，建筑的重力荷載代表值GE取結構和構配件自重標準值、各可變荷載組合值之和。

表1 地震動參數

表2 地震波主要參數

5.3 分析結果

（1） 模態分析

對有限元模型進行模態分析，表3列出了有限元模型前3階自振頻率，圖7則為冷彎薄壁型結構前3階振型，結構模型1階模態的自振頻率4.217，滿足規程2.850～4.274的要求。

表3 前三階振型頻率表（單位：Hz）

圖7 前三振型圖

（2）位移響應分析

不同抗震設防烈度作用下，各層參考點在水平方向的最大相對位移與層間位移角見表4。

表4 有限元模型各樓層水平向最大相對位移匯總

有限元模型的最大層間位移角為0.0119，滿足要求，具備良好的抗震性能。

6 結構試驗

6.1 試驗計劃

由于組合墻體的開洞口尺寸、覆面情況、格構設置差異會對結構性能產生影響[6]，對冷彎薄壁型鋼組合墻體進行一系列試驗研究，共制作了6個試件，測試不同墻體開洞、覆面類型、柱間設計、螺釘間距等因素在低周反復荷載作用下的影響。

圖8 墻體結構試驗圖

6.2 試驗裝置

試驗在輕鋼集成技術專項試驗室進行，采用液壓伺服作動器加載，試驗全過程由伺服加載控制器管理[7]，組合墻體構造及試驗裝置見圖8。

6.3 試驗結果

在水平低周反復荷載作用下，試件經歷了彈性、彈塑性和破壞三個階段，主要發生剪切滑移破壞。試件最后破壞時，端部墻架柱發生屈曲，墻面板周邊和角部的自攻螺釘連接幾乎全部拉脫，但墻面板中部的螺釘連接損壞不大，試驗中未發現墻面板的整體脫落現象。

（1）格構體系對墻體抗震性能的影響

試驗結果表明，增設格構體系的組合墻體與普通肋板組合墻體相比，屈服荷載、峰值荷載、抗側剛度均有所提高，由于支撐對組合墻體型鋼骨架的變形起到了一定的約束作用，墻體延性有所降低[8]。

（2）墻體開洞對墻體抗震性能的影響

開洞口組合墻體與不開洞口組合墻體相比，屈服荷載、峰值荷載有所降低，但抗側剛度與延性小幅提高。

（3）單面覆板和雙面覆板組合墻體的抗震性能比較

雙面覆板與單面覆板組合墻體相比，屈服荷載、峰值荷載、抗側剛度顯著提高，延性也有所提高。

（4）豎向荷載對墻體抗震性能的影響

受豎向荷載與不施加豎向荷載的墻體相比，屈服荷載、峰值荷載略微降低，但由于豎向荷載的施加，使得抗側剛度、延性提高。

綜合試驗結果，項目最終選用雙面覆板格構組合墻體，嚴格控制開洞尺寸與位置，并對局部連接進行加密處理。

7 結語

目前冷彎薄壁輕鋼幼兒園已建成并投入使用，為加快推進涼山州基礎教育發展、改變當地學前教育落后現狀奠定了堅實的基礎。其建筑結構具有標準化、模塊化、工業化、裝配化及輕型化的特點，符合國家大力推廣裝配式建筑的趨勢。由于構件短而輕，基本不受道路運輸條件制約，在大型設備難以抵達現場的條件下也可以輕易安裝，成本更為經濟，也更適合建造于各種條件地基之上，結構整體性好，安全性高，抗震性能滿足當地高烈度設防要求。