史三元,邵莎莎,陳 林,李尚飛

(河北工程大學土木工程學院,河北邯鄲056038)

冷彎薄壁型鋼結構以其抗震性能好、施工速度快和環(huán)保等優(yōu)點而著稱,近年來定型化、產(chǎn)業(yè)化的冷彎薄壁型鋼結構住宅體系在我國發(fā)展迅速。目前對于冷彎薄壁型鋼結構的研究大多集中于構件試驗方面,Gad[1]通過對單片無罩面墻架和單間房屋模型的振動臺試驗,研究了不同冷彎薄壁型鋼龍骨連接類型和非結構構件對結構抗震性能的影響;Dan Dubina[2]對一棟建造中的冷彎薄壁型鋼結構進行了抗震性能研究,分析表明覆面板材對結構耗能減震起到了有力作用;沈祖炎等[3]對屈服強度550MPa高強冷彎薄壁型鋼結構的二層住宅進行了足尺模型振動臺試驗研究,證實覆面采用石膏板加波紋板構造形式的復合墻體結構符合國內(nèi)設防烈度9度及以下地區(qū)的抗震設防要求。

對于冷彎薄壁型鋼結構整體抗震性能方面的研究目前尚不多見,劉晶波等[4]曾利用有限元方法建立了典型低層冷彎薄壁型鋼結構住宅的整體模型,通過計算分析得到了結構的模態(tài),并獲得了風荷載和地震荷載作用下結構的內(nèi)力、變形和墻體剪力。本文應用有限元方法對多層冷彎薄壁型鋼結構住宅體系整體抗震性能進行建模分析,對比不同抗震烈度下2～6層結構的抗震性能的變化規(guī)律,為多層冷彎薄壁型鋼結構住宅體系工程的設計提供了一些參考。

1 計算原理[5-6]

多層冷彎薄壁型鋼結構可以簡化為一個多質(zhì)點體系,其運動微分方程可以表示為

式中[M] —結構的質(zhì)量矩陣;[C] —結構的阻尼矩陣;[K] —結構的剛度矩陣;{x(t)}—結構各質(zhì)點在t時刻的位移;{(t)}—結構各質(zhì)點在 t時刻的速度(t)}—結構各質(zhì)點在 t時刻的加速度;(t)}—結構在時刻的動荷載。

假設t=0時刻的狀態(tài)向量(位移、速度、加速度)已知,將時間求解域進行離散,將t=分別代入式(1)計算相應時刻的狀態(tài)向量,直至t=T時刻終止,便可得到動力響應的全過程。

2 結構體系的構建

冷彎薄壁型鋼結構住宅,結構平面布置圖如圖1所示。層數(shù)2～6層,層高均為3m?？蚣芰哼x用2U160mm×60mm×2mm型鋼組合,外墻邊梁選用鋼管梁160mm×120mm×2mm×2mm,樓蓋梁選用冷彎薄壁型鋼梁C180mm×70mm×20mm×2mm和C80mm×40mm×15mm×2mm,樓面板選用18mmOSB板;墻架柱選用C140mm×50mm×20mm×2mm,墻支撐選用 C140mm×40mm×12mm×2mm,角柱和墻體交錯處的墻架柱采用鋼管柱140mm×140mm×3mm,內(nèi)墻選用 12mmOSB板,分戶墻選用1.0mm鋼板+12mmOSB板做剪力墻。墻體構件的材料參數(shù)見表1。

2.1 有限元模型的建立

模型中的墻龍骨和梁、柱等桿件采用梁單元來模擬,截面根據(jù)實際情況定義;墻板、樓板和屋面板采用殼單元來模擬;梁單元與殼單元之間采用有限元耦合連接,不考慮墻板等板單元與龍骨柱等梁單元之間的滑移;樓層處加設隔板限制即作為剛性樓板處理,地震形成的水平荷載通過樓板傳遞到樓層各處,可大大簡化模型自由度。

結構布置中,所有次梁與主梁的連接均設為鉸接,框架梁與柱剛接,鋼管柱與基礎剛接,其余龍骨柱與基礎鉸接,墻柱與地、天梁的連接也為鉸接,墻支撐與柱鉸接,布置桿件時進行端部釋放,放松對抗彎、抗扭的約束。

2.2 地震動的輸入

選用具有代表性的EL-Centro波(1940年),地震波的持續(xù)時間取5s,時間步長取0.02 s。將地震加速度時程曲線的加速度峰值分別調(diào)整為35cm/s2(7度多遇)、220cm/s2(7度罕遇)、70cm/s2(8度多遇)、400cm/s2(8度罕遇),以計算多層冷彎薄壁型鋼結構住宅的抗震性能。

3 結果與分析

3.1 動力特性分析

建立2～6層冷彎薄壁型鋼結構住宅有限元模型并進行模態(tài)分析。以6層冷彎薄壁型鋼結構住宅為例,前3階振型變形如圖2所示。結構前3階自振周期分別為 0.542s、0.386s、0.377s,模態(tài)分別對應著y方向整體平動、x方向整體平動和整體扭轉。文獻[7] 中指出冷彎薄壁型鋼結構住宅體系的自振周期T=0.03H,該建筑物的高度H=18m,則特征周期為0.54s,這一結果驗證了模型的合理性。結構的前3階振型均為整體振型,結構的整體性較好。

表1 墻體構件的材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of wall components

3.2 地震響應分析

在EL-Centro波作用下,2～6層的冷彎薄壁型鋼結構住宅在7、8度多遇、罕遇地震作用下結構樓層位移包絡圖見圖3、圖4。層間位移角包絡圖見圖5、圖6。

由圖3、圖4可以看出,隨著地震波加速度的增大,結構樓層的位移相應地增加。以6層冷彎薄壁型鋼結構住宅為例,在7度多遇、8度多遇、7度罕遇、8度罕遇地震作用下結構的樓層位移分別為10.78mm、21.57mm、63.5mm、115.5mm。隨著樓層高度的增加,結構的樓層位移也相應增大。以7度多遇地震作用下結構的第2層樓層位移為例,2～6層冷彎薄壁型鋼結構住宅的第2層樓層位移分別為0.79mm、1.64mm、2.12mm 、2.98mm 、4.04mm 。

從圖5、圖6可以看出,隨著地震波加速度的增大,結構的層間位移角相應的增加;隨著樓層高度增加,層間位移角卻并沒有隨樓層數(shù)的增加而增加。2～6層的冷彎薄壁型鋼結構住宅在7、8度多遇、罕遇地震作用下結構最大層間位移角均發(fā)生在第2層,而從薄弱層開始向上和向下樓層的層間位移角逐漸變小,因此加強結構薄弱層的剛度,可以有效的降低結構的地震反應。

在7度、8度抗震設防區(qū)多遇地震作用下,隨著樓層層數(shù)增加薄弱層層間位移角增加,當住宅層數(shù)達到6層時,薄弱層層間位移角峰值分別為1/132 5、1/769,符合多層冷彎薄壁型鋼結構住宅在多遇地震作用下的彈性層間位移角限值為1/750的規(guī)定[8]。在7度、8度抗震設防區(qū)罕遇地震作用下,隨著樓層層數(shù)增加薄弱層層間位移角增加,當住宅層數(shù)達到6層時,薄弱層層間位移角峰值分別為1/225、1/124,符合多層冷彎薄壁型鋼結構住宅在罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角限值為1/100的規(guī)定[8]。

4 結論

1)多層冷彎薄壁型鋼結構體系整體性較好,具有良好的抗震性能。

2)在8度及其以下抗震設防地區(qū),所構建的冷彎薄壁型鋼結構住宅體系最多可以建到6層,限制高度為18m。

[1] GAD E F,CHANDLER A M,DUFFIELD C F.Lateral behavior of plasterboard-clad residential steel frames[J] .Journal of Structural Engineering 1999,125(1):32-39.

[2] DUBINA D.Behavior and performance of cold-formed steel-framed houses under seismic action[J] .Journal of Constructional Steel Research,2008(64):896-913.

[3] 沈祖炎,李元齊.高強冷彎薄壁型鋼住宅結構抗震性能研究報告[R] .上海,2008.

[4] 劉晶波.低層冷彎薄壁型鋼結構住宅整體性能分析[J] .建筑科學與工程學報,2008,25(4):6-12.

[5] 彭俊生,羅永坤,彭 地.結構動力學、抗震計算[M] .成都:西南交通大學出版社,2006.

[6] 史三元,景曉昆.冷彎薄壁型鋼軸心受壓構件局部屈曲后強度分析[J] .河北工程大學學報(自然科學版),2008,25(3):1-3.

[7] 殷惠光,張躍峰.《低層冷彎薄壁型鋼建筑技術規(guī)程》編制背景[J] .工程建設與設計,2004(7):24-26.

[8] 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.