自承重式墻體與鋼框架復合體系在變電站結構中的抗震性能研究

劉 超， 張慧潔, 王靜峰, 王 燦, 張 榮

(1.國網安徽省電力有限公司經濟技術研究院，安徽 合肥 230071；2.合肥工業大學，安徽 合肥 230009)

0 引 言

近年來，基于環境友好和資源節約理念，國家電網公司積極推進裝配式變電站模塊化建設。其中安徽公司主要致力于自承重式墻體在變電站結構中的應用研究，以鋼框架為骨架、以輕質高強、節能環保、便于安裝的自承重式墻體為圍護體系構建輕型裝配式的“兩型一化”變電站[1-3]。

這種自承重式墻體與鋼框架復合體系具有施工便捷、建設周期短、現場濕作業少、材料可以回收利用、整體性好等優點。然而變電站跨度較大，梁端彎矩過大，自承重式墻體抵抗彎矩難以滿足承載力要求，目前鋼框架和自承重式墻體二者協同工作性能尚未可知，其抗震性能也缺乏研究，因此將這種體系應用于變電站中仍存在諸多局限性。

為研究自承重式墻體與鋼框架復合體系協同抗震性能，本文利用等代拉桿法對自承重式墻體進行了非線性簡化分析，同時利用SAP2000有限元分析軟件對此復合體系進行了彈性時程分析，研究該體系在7度多遇地震作用下的變形和應力變化規律。

1 體系介紹

1.1 門式剛架

作為一種傳統結構體系，門式剛架輕型房屋具有受力簡單、傳力路徑明確、施工安裝便捷、構件可實現工廠預制化等優點，目前已廣泛應用于安徽省裝配式變電站。本文所研究的自承重式墻體與鋼框架復合體系中，門式剛架可采用等截面或者變截面實腹結構，屋面采用輕型屋面，外墻為輕型外墻,如圖1所示。門式剛架主體由鋼結構相關廠家以組裝部件的形式在工廠完成部件生產，部件運輸到施工現場后以吊裝方式通過螺栓連接完成組裝，施工過程不涉及動火作業和濕作業。各剛架構件之間通過節點進行連接。

圖1 門式剛架輕型房屋簡圖

1.2 自承重式墻體

自承重式墻體是由冷彎薄壁型鋼骨架、輕聚合物填料(水泥基或石膏基)、鋼絲網片、面板等組成， 通過模具(平模或立模)在骨架內填筑輕聚合物，然后在工廠內適宜條件下養護完成，形成的一種新型預制“整體式”組合墻板，如圖2所示。這種自承重式墻體構造簡單、施工方便、連接可靠，且內部填充的輕聚合物保溫隔熱性能較好，能提高門窗縫隙的密封性，改善室內環境，并可實現工廠預制化，進一步推動變電站結構裝配化、綠色化和工業化。

圖2 自承重式墻體簡圖

2 自承重式墻體非線性簡化分析

2.1 基本假定

參考日本規范[4]，利用等代拉桿法將自承重式墻體等效為桿件體系，各個桿件之間相互鉸接，推導墻體抗側剛度時遵循以下基本假定：

(1)假定為立柱和豎龍骨與上下導軌鉸接；

(2)內填輕聚合物等效為斜向的拉壓桿，等效拉壓剛度為EAG；

(3)頂部集中力P的作用下等效前側移與等效后側移相等；

(4)墻體頂部側移遠大于墻體構件軸向變形，軸向變形忽略不計；

(5)等代拉壓桿的剛度EAG遠小于墻體各鋼構件的剛度EA，根據此假定，忽略墻體其他鋼構件的拉伸和壓縮變形引起的彎曲變形。

2.2 簡化模型

墻體試件高2 755 mm，寬3 000 mm，厚129 mm，上下導軌、立柱均采用規格為C89×41×11×0.9(腹板×翼緣×卷邊×截面，單位：mm)的冷彎薄壁C型鋼，輕質填料為石膏基。遵循上述假定，建立自承重式墻體抗側剛度簡化計算模型，簡化模型如圖3所示。

圖3 自承重式墻體簡化計算模型

簡化后自承重式墻體的填料等代為斜桿，模型中各桿件之間連接均采用鉸接，立柱和豎龍骨下端單元節點采用剛接，約束6個自由度以模擬地梁和試驗中抗剪螺栓和抗拔件的約束作用，而立柱和豎龍骨上端只對立柱和導軌平面外平動自由度U2、轉動自由度R2進行約束，以保證墻體不發生平面外平動和轉動。

2.3 模型分析

2.3.1 骨架曲線對比

骨架曲線是每次循環加載達到的水平力最大峰值的軌跡，反映了構件受力與變形的各個不同階段及特性。將試驗得到的墻體試件骨架曲線與有限元模擬得到的模型骨架曲線進行對比，如圖4所示。

圖4 試驗與模擬骨架曲線對比圖

從圖4可以看出：有限元模擬和試驗得到的骨架曲線基本吻合，基本能反映出試件的初始剛度和承載能力。

2.3.2 荷載和位移特征值對比

根據《建筑抗震試驗方法規程》(JGJ 101-2015)[5]相關條文規定，對墻體試驗和有限元模擬所得到的荷載和位移特征值進行計算，計算結果見表1。

表1 試件荷載和位移特征值與有限元結果對比

誤差=(有限元結果-試驗結果)÷試驗結果

通過表中數據可知，試驗與有限元的荷載特征值計算結果基本一致，誤差均在10%以內；試件的位移特征值誤差在15%以內，延性系數誤差在1%以內。計算結果與試驗結果相差較小，在一定程度上能反映試件的性能。

通過對組合墻體試件骨架曲線、荷載與位移特征值計算結果的對比分析，模擬曲線與試驗曲線較為吻合，模擬結果與試驗結果基本一致，可以發現等代拉桿簡化模型能夠較好地模擬自承重式墻體，有較高的準確性和精度，為后續自承重式墻體在彈塑性地震反應分析中的理論研究設計和研究提供了計算依據。

3 彈性時程分析

3.1 工程概況

以110 kV變電站為例，結合國網通用設計和現有案例，本變電站建筑面積在500 m2左右， 由于荷載較小，選擇質量較輕、工業化程度較高、施工周期較短的結構形式，采用輕型門式剛架結構，梁柱選用熱軋H型鋼，屋架和墻板龍骨選用冷彎薄壁C型鋼，其中柱距為8.5 m和6.1 m，跨度為11.0 m，并根據工藝要求設為單層單跨，平面布置如圖5所示。

圖5 平面布置圖

3.2 結構模型

自承重式墻體與鋼框架復合體系結構模型采用SAP2000有限元分析軟件建立有限元模型，如圖6所示。

圖6 結構計算模型

3.3 地震波選取

工程抗震設防烈度為7度，多遇地震，基本地震加速度值為0.1g，設計分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。地震影響系數曲線如圖7所示。

圖7 地震影響系數曲線

采用時程分析法，參考《建筑結構抗震設計規范》(GB50011-2010)[6]按建筑場地類別和設計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程曲線，其中選取不少于二組實際記錄和一組人工模擬的加速度時程曲線作為輸入，根據以上規定選取15 s的地震波加載時間，大于結構基本周期的5倍，且不小于15 s。選取的兩組天然波和一組人工波加速度時程曲線如圖8所示。

圖8 三組地震波加速度時程曲線

3.4 計算結果與分析

3.4.1 節點位移

結構節點位移能夠在一定程度上反映桿件的受力是否合理。結構剛度越大，位移越小。反之，結構柔度越大，位移越小，當超過國家規范規定的標準時，就難以滿足正常使用要求。提取在三組地震波作用下的鋼梁跨中、鋼柱柱柱頂、屋架弦桿、墻體龍骨等部分節點水平最大位移，整體結構在7度多遇地震下的變形云圖和X向、Y向最大水平位移如圖9和表2所示。

圖9 整體結構變形云圖

表2 特征節點水平最大位移

由表2可知：

(1)參考《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》(GB 51022-2015)[6]相關規定，單層門式剛架柱頂位移值不應大于h/60，選取的三組柱頂節點在三組地震波作用下X向水平位移平均值最大值為6.41 mm，Y向水平位移最大值為3.91 mm，均小于h/60=4 700/60≈78.33 mm，滿足規范要求。

(2)參考《鋼結構設計標準》(GB 50017-2017)[7]和《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》(GB 51022-2015)[6]相關規定，結構的鋼梁撓度容許值取跨度的1/400，屋架撓度容許值取跨度的1/250，屋面檁條撓度允許值取跨度的1/200，墻板水平撓度容許值取跨度的1/100。經過驗算可得：7.65/11 000=0.000 699<1/400，7.41/11 000=0.000 673<1/250，3.73/11 000=0.000 0339<1/100，由此可見，在7度多遇地震作用下，該結構的變形滿足規范要求，結構安全。

3.4.2 桿件應力

物體由于外因(受力、濕度變化等)而變形時，在物體內各部分之間產生相互作用的內力以抵抗這種外因的作用，并力圖使物體從變形后的位置回復到變形前的位置。在所考察的截面某一點單位面積上的內力稱為應力。應力過大可能會導致構件開裂等問題，降低結構強度和使用壽命，應力過小可能會造成材料浪費等問題，因此應當綜合考慮，在保證使用安全、可靠、發揮其功能的條件下保證應力大小合適。提取三組地震波作用下鋼柱、鋼梁、屋架弦桿和墻體龍骨等桿件的應力，結構在7度多遇地震下的應力數據見表3。

表3 特征桿件應力

參考《鋼結構設計標準》(GB 50017-2017)[7]相關規定，桿件的最大應力值不應大于鋼材的強度設計值。上表中選取的特征桿件中鋼梁鋼柱采用Q235鋼材，屋架弦桿和墻體龍骨采用G550冷彎薄壁C型鋼。鋼梁鋼柱中最大壓應力為43.30 MPa，小于Q235鋼材強度設計值215 MPa，屋架弦桿和墻體龍骨中最大壓應力為29.32 MPa，小于G550冷彎薄壁C型鋼強度設計值460 MPa。因此，該結構在7度多遇地震作用下的應力滿足規范要求，結構安全。

4 結 論

本文對自承重式墻體進行了非線性簡化分析，并對自承重式墻體和鋼框架復合體系在7度多遇地震作用下進行了彈性時程分析，得到下列結論：

(1)等代拉桿簡化模型能夠較好地模擬自承重式墻體，有較高的準確性和精度，為后續自承重式墻體在彈塑性地震反應分析中的理論研究設計和研究提供了計算依據。

(2)在7度多遇地震作用下，本文研究的自承重式墻體與鋼框架復合體系的變形和應力均能滿足規范要求，結構安全。

(3)本文的研究結論可為變電站加快裝配式模塊化建設、完善裝配式建筑配套技術提供科學依據。