冷彎薄壁結(jié)構(gòu)在地震高烈度地區(qū)的應(yīng)用

何樹(shù)凱

（重慶建工集團(tuán)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(xiàng)目為涼山州教育基礎(chǔ)設(shè)施扶貧項(xiàng)目，工程遍布涼山州17個(gè)縣市的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)，擬建450所幼兒園，總建筑面積409740m2。整個(gè)項(xiàng)目廣泛分布于西昌市、德昌縣、喜德縣等17縣市的418個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，由于項(xiàng)目所在地基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對(duì)落后，交通、水電、地質(zhì)問(wèn)題突出，加之傳統(tǒng)的施工條件受限，施工組織極為困難。

1 項(xiàng)目重難點(diǎn)

（1）項(xiàng)目選址基本位于偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，多數(shù)無(wú)路通行，大型機(jī)具設(shè)備難以到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)。

（2）當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)設(shè)施建設(shè)落后，部分地區(qū)水電不通，達(dá)不到傳統(tǒng)施工技術(shù)條件。

（3）項(xiàng)目位于地震多發(fā)區(qū)，抗震設(shè)防7～9度，幼兒園屬于重點(diǎn)類設(shè)防建筑，按照規(guī)范必須提高抗震設(shè)防措施，若按照傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，含鋼量將提高，造價(jià)增加。

2 解決方案

項(xiàng)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(xiàn)場(chǎng)條件要求項(xiàng)目結(jié)構(gòu)應(yīng)具有標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、工業(yè)化、裝配化及輕型化的特點(diǎn)。據(jù)可行性分析，冷彎薄壁輕鋼結(jié)構(gòu)體系能很好地滿足上述特點(diǎn)[1]，其高度裝配化的特點(diǎn)符合國(guó)家的裝配式建筑推廣政策，也符合當(dāng)?shù)卮罅Πl(fā)展鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)基地的精神。其特點(diǎn)如下：

（1）工業(yè)化程度高、結(jié)構(gòu)耐久性好；

（2）用鋼量低、自重輕、墻體薄、綜合經(jīng)濟(jì)性好；

（3）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、整體性好、安全性更高；

（4）板肋結(jié)構(gòu)、加筋設(shè)計(jì)、抗震性能更好；

（5）回收率高、綠色環(huán)保；

（6）安裝簡(jiǎn)單、制約性少、工期短。

3 冷彎薄壁構(gòu)造

項(xiàng)目為3層建筑，建筑總高為11.7m，平面長(zhǎng)、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(xì)石混凝土現(xiàn)澆層。

3.1 樓蓋構(gòu)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(jié)構(gòu)板為18mm厚OSB板，通過(guò)自攻螺釘連接至樓蓋梁。組合樓蓋構(gòu)造詳見(jiàn)圖1。

圖1 組合樓蓋構(gòu)造圖

3.2 墻體構(gòu)造

墻體由冷彎薄壁型鋼構(gòu)件和墻面板經(jīng)自攻螺釘連接而成（詳細(xì)構(gòu)造見(jiàn)圖2），是住宅的主要承重構(gòu)件之一，不僅承受豎向荷載，同時(shí)也承受風(fēng)載和地震作用[2]。

圖2 墻體基本構(gòu)造圖

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

剪力墻性能對(duì)結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，為提高結(jié)構(gòu)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(duì)兩種結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明前者地震抗剪極限承載力為后者的1.27倍，試驗(yàn)加載裝置如圖3、圖4所示。

圖3 板肋式龍骨體系

圖4 格構(gòu)式龍骨體系

5 結(jié)構(gòu)分析

該項(xiàng)目選用有限元軟件ABAQUS對(duì)結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力行為進(jìn)行模擬。主要分兩步，首先進(jìn)行模態(tài)分析，得到各階模態(tài)下結(jié)構(gòu)的自振頻率和各階振型，然后根據(jù)工況進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，并施加地震波，得到在特定地震波作用下結(jié)構(gòu)各層位移反應(yīng)。

5.1 有限元模型的建立

結(jié)構(gòu)中立柱、導(dǎo)軌、橫連、斜撐、腹桿、弦桿等使用的冷彎薄壁型鋼的構(gòu)件采用三維線性梁?jiǎn)卧＃瑯敲姘濉⑽菝姘寮皟?nèi)外墻面板采用四節(jié)點(diǎn)殼單元建模[4]。構(gòu)件之間連接主要采用綁定約束[5]，通過(guò)設(shè)置豎向重力加速度來(lái)模擬結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的有限元模型見(jiàn)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(jù)國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》及《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》的規(guī)定，地震動(dòng)與地震波主要參數(shù)詳見(jiàn)表1、表2，建筑的重力荷載代表值GE取結(jié)構(gòu)和構(gòu)配件自重標(biāo)準(zhǔn)值、各可變荷載組合值之和。

表1 地震動(dòng)參數(shù)

表2 地震波主要參數(shù)

5.3 分析結(jié)果

（1） 模態(tài)分析

對(duì)有限元模型進(jìn)行模態(tài)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(jié)構(gòu)前3階振型，結(jié)構(gòu)模型1階模態(tài)的自振頻率4.217，滿足規(guī)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(yīng)分析

不同抗震設(shè)防烈度作用下，各層參考點(diǎn)在水平方向的最大相對(duì)位移與層間位移角見(jiàn)表4。

表4 有限元模型各樓層水平向最大相對(duì)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(jié)構(gòu)試驗(yàn)

6.1 試驗(yàn)計(jì)劃

由于組合墻體的開(kāi)洞口尺寸、覆面情況、格構(gòu)設(shè)置差異會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生影響[6]，對(duì)冷彎薄壁型鋼組合墻體進(jìn)行一系列試驗(yàn)研究，共制作了6個(gè)試件，測(cè)試不同墻體開(kāi)洞、覆面類型、柱間設(shè)計(jì)、螺釘間距等因素在低周反復(fù)荷載作用下的影響。

圖8 墻體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)圖

6.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在輕鋼集成技術(shù)專項(xiàng)試驗(yàn)室進(jìn)行，采用液壓伺服作動(dòng)器加載，試驗(yàn)全過(guò)程由伺服加載控制器管理[7]，組合墻體構(gòu)造及試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖8。

6.3 試驗(yàn)結(jié)果

在水平低周反復(fù)荷載作用下，試件經(jīng)歷了彈性、彈塑性和破壞三個(gè)階段，主要發(fā)生剪切滑移破壞。試件最后破壞時(shí)，端部墻架柱發(fā)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(yàn)中未發(fā)現(xiàn)墻面板的整體脫落現(xiàn)象。

（1）格構(gòu)體系對(duì)墻體抗震性能的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，增設(shè)格構(gòu)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(cè)剛度均有所提高，由于支撐對(duì)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(kāi)洞對(duì)墻體抗震性能的影響

開(kāi)洞口組合墻體與不開(kāi)洞口組合墻體相比，屈服荷載、峰值荷載有所降低，但抗側(cè)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(cè)剛度顯著提高，延性也有所提高。

（4）豎向荷載對(duì)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(cè)剛度、延性提高。

綜合試驗(yàn)結(jié)果，項(xiàng)目最終選用雙面覆板格構(gòu)組合墻體，嚴(yán)格控制開(kāi)洞尺寸與位置，并對(duì)局部連接進(jìn)行加密處理。

7 結(jié)語(yǔ)

目前冷彎薄壁輕鋼幼兒園已建成并投入使用，為加快推進(jìn)涼山州基礎(chǔ)教育發(fā)展、改變當(dāng)?shù)貙W(xué)前教育落后現(xiàn)狀奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。其建筑結(jié)構(gòu)具有標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、工業(yè)化、裝配化及輕型化的特點(diǎn)，符合國(guó)家大力推廣裝配式建筑的趨勢(shì)。由于構(gòu)件短而輕，基本不受道路運(yùn)輸條件制約，在大型設(shè)備難以抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的條件下也可以輕易安裝，成本更為經(jīng)濟(jì)，也更適合建造于各種條件地基之上，結(jié)構(gòu)整體性好，安全性高，抗震性能滿足當(dāng)?shù)馗吡叶仍O(shè)防要求。