孫海粟 邢永輝 王新武 陳易飛 布 欣

(1.洛陽(yáng)理工學(xué)院土木工程學(xué)院,河南洛陽(yáng) 471023;2.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶 400045;3.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京 100124)

冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)作為裝配式建筑的一種,在世界各地得到了廣泛應(yīng)用,尤其是在北美、歐洲和澳大利亞等地。該結(jié)構(gòu)在構(gòu)造形式上與輕型木結(jié)構(gòu)框架體系類似,主要用于中低層建筑中,它具有結(jié)構(gòu)自重輕、生產(chǎn)周期短、有利于住宅產(chǎn)業(yè)化、取材方便、住宅面積利用率高等優(yōu)點(diǎn)。為了便于工程中的應(yīng)用,各國(guó)也相繼頒布了相關(guān)的規(guī)范,如AISI發(fā)布的北美冷彎鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范AISI S100-12[1],澳大利亞和新西蘭使用的 AS/NZS 4600∶2005[2]及歐洲規(guī)范 Eurocode 3[3]中的1.3部分等。同時(shí),我國(guó)也頒布了JGJ 227—2011《低層冷彎薄壁型鋼房屋建筑技術(shù)規(guī)程》[4],以推動(dòng)該結(jié)構(gòu)體系在國(guó)內(nèi)的發(fā)展。

國(guó)外一些學(xué)者對(duì)冷彎薄壁型鋼構(gòu)件的屈曲性能[5-6]、不同截面形式的受力性能[7-8]、墻體覆各種面板后的抗震性能等進(jìn)行了大量研究[9-11]。國(guó)內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了大量試驗(yàn)及理論分析,研究重點(diǎn)集中在組合墻體抗震性能[12]、自攻螺釘連接性能等因素對(duì)墻體抗剪承載力的影響[13-15]。還有學(xué)者研究在冷彎型鋼墻體中填充新型材料后的抗震性能,如吳函恒等[16]研究在冷彎型鋼組合墻體中填充輕質(zhì)脫硫石膏改性材料后墻體的破壞機(jī)理、承載力、抗側(cè)剛度和滯回性能等。但對(duì)冷彎薄壁型鋼整體房屋抗震性能研究較少,如沈祖炎等[17-18]對(duì)一棟兩層高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),通過對(duì)結(jié)構(gòu)在多遇和罕遇地震作用下的抗震分析方法進(jìn)行對(duì)比,得出多遇地震作用下結(jié)構(gòu)的彈性分析可采用底部剪力法、反應(yīng)譜法和彈性時(shí)程分析法;罕遇地震作用下可采用靜力非線性分析和非線性時(shí)程分析法。管宇等[19]采用有限元分析,研究了三層冷彎型鋼房屋的抗震性能。

綜上所述,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)冷彎薄壁型鋼的研究多集中于構(gòu)件和帶面板墻體。帶面板但不帶斜撐的墻體承載能力全靠面板承擔(dān),而斜撐的存在可明顯提高墻體的承載能力,但目前對(duì)帶斜撐墻體抗震性能的研究?jī)H停留在單片墻體,盡管有少數(shù)學(xué)者進(jìn)行了整體房屋方面的試驗(yàn),但房屋試驗(yàn)中多采用帶面板但不帶斜撐的墻體[18]。因此,為揭示帶有全斜撐墻體的冷彎型鋼結(jié)構(gòu)體系在地震下的整體響應(yīng)及破壞模式,本文對(duì)一棟一層冷彎薄壁型鋼房屋骨架進(jìn)行擬動(dòng)力試驗(yàn),分析水平地震作用下房屋的位移響應(yīng)、骨架破壞模式、剛度退化及延性性能等,且引入了對(duì)骨架破壞程度評(píng)估方法,為冷彎型鋼房屋破壞程度評(píng)估提供了參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)試件為一棟足尺的冷彎薄壁型鋼房屋骨架。房屋平面尺寸為5.2 m×4.3 m,層高為3 m;房屋由加載平面內(nèi)3片墻體(Q2、Q4和Q5)和平面外的2片墻體組成(Q1和Q3);墻體采用K型斜向支撐;房屋分為兩室,Q1與Q5為帶門墻體骨架,Q2與Q4為帶窗墻體骨架,平面布置見圖1所示。Q1和Q5墻體開門的尺寸為0.9 m×2.1 m;Q1墻體開窗尺寸為0.9 m×1.2 m;Q2和Q4墻體開窗尺寸為1.2 m×1.2 m。屋頂?shù)乳g距布置11根長(zhǎng)為5.2 m的C形鋼梁用于承受屋頂重量,鋼梁沿著與Q4墻垂直的方向布置,以便載荷均勻傳遞至3片受力平面內(nèi)墻體上,梁與墻體骨架采用自攻釘連接,基礎(chǔ)平面與梁布置見圖2所示。樓板采用波紋鋼板布置在梁上部,平面尺寸為5.2 m×4.3 m,波高為50 mm,波距為180 mm,板厚為0.9 mm。房屋骨架基礎(chǔ)由槽鋼組成,槽鋼與地基通過螺桿連接,墻體與槽鋼通過螺栓連接。為了加載時(shí)能將力均勻地分配至結(jié)構(gòu)上,在結(jié)構(gòu)頂部前后分別設(shè)置一個(gè)分配梁,結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖3所示。

a—房屋平面布局;b—Q2(Q4)墻體細(xì)節(jié)參數(shù);c—Q5墻體細(xì)節(jié)參數(shù)。圖1 冷彎薄壁型鋼房屋試件主要構(gòu)件參數(shù)墻體平面 mmFig.1 Details of main members of the cold-forrned thin-walled steel house

a—基礎(chǔ)平面;b—梁平面布置;c—梁-墻連接。圖2 基礎(chǔ)平面與梁布置 mmFig.2 Foundation plan and beam arrangement

a—整體模型;b—房屋配重。圖3 結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)布置Fig.3 Site layout of the structure

結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用截面厚度為1 mm、腹板寬度為89 mm、翼緣寬度為41.3 mm、卷邊寬度為10 mm的C型鋼;基礎(chǔ)導(dǎo)軌采用厚度為3 mm、寬度為100 mm、高度為72 mm的U型鋼;梁采用厚度3 mm、腹板寬度200 mm、翼緣寬度55 mm、卷邊寬度為20 mm的C型鋼,以上構(gòu)件截面形狀及尺寸如圖4所示?？v橫桿件交接處,橫桿腹板設(shè)置尺寸為60 mm×89 mm的開口,以方便豎桿從中穿過。房屋中每個(gè)桿件交接處采用一個(gè)ST5.5和兩個(gè)ST4.8自攻螺釘連接?；A(chǔ)槽鋼與墻體采用M30螺栓連接。

a—構(gòu)件截面;b—基礎(chǔ)槽鋼截面;c—梁截面。圖4 截面類型及尺寸 mmFig.4 Section types and sizes

1.2 材料力學(xué)性能

從同批次、同厚度C型鋼的腹板位置選取8個(gè)試件,翼緣部位選取7個(gè)試件,根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》[20]確定材性試驗(yàn)方法,進(jìn)行單軸拉伸得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線及鋼材的材性參數(shù)。得到的材性參數(shù)為：屈服強(qiáng)度(Rp0.2)、抗拉強(qiáng)度(Rm)、截面收縮率(A)、彈性模量(E)等,具體數(shù)據(jù)見表1所示。

表1 材性參數(shù)Table 1 Material property parameters

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

在模型南側(cè)頂部中間位置設(shè)置一個(gè)針狀位移計(jì)D1,用于測(cè)量加載過程中結(jié)構(gòu)中間位置的水平位移;在模型北側(cè)的頂部左右兩側(cè)水平方向各設(shè)置一個(gè)針狀位移計(jì)D2和D3,以此分析加載過程中模型是否出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形。墻體Q5的門洞位置布置一個(gè)拉線位移計(jì)L1;墻體Q2和Q4的窗戶洞口分別布置一個(gè)拉線位移計(jì)L2和L3,用來量測(cè)門窗洞口的變形。圖5對(duì)加載方向平面內(nèi)墻體的部分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了編號(hào),編號(hào)位置即為應(yīng)變片布置位置,每個(gè)編號(hào)的節(jié)點(diǎn)處橫桿和斜桿各布置1個(gè)應(yīng)變片,位移計(jì)與應(yīng)變片布置如圖5所示。

a—位移計(jì)布置;b—應(yīng)變片布置。圖5 位移計(jì)與應(yīng)變片布置Fig.5 Arrangements of displacement meters and strain gauges

1.4 加載方案

根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[21],按照“1.0恒載+0.5活載”將7 000 kg的配重塊對(duì)稱布置在模型頂部。由于梁為東西方向布置,故頂部荷載全部由平面內(nèi)三面墻體承擔(dān)。為確保安全,在結(jié)構(gòu)兩側(cè)設(shè)置4個(gè)限位架,限位架與結(jié)構(gòu)通過軸承接觸,以防止試驗(yàn)過程中結(jié)構(gòu)出現(xiàn)倒塌。水平方向使用電液伺服加載系統(tǒng)控制,用量程為±250 mm 的液壓千斤頂將載荷施加在模型頂部。試驗(yàn)選取El Centro和Northridge兩條地震波進(jìn)行加載,每條波選取含峰值的時(shí)長(zhǎng)為10 s的地震波進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[22]對(duì)6度多遇、7度多遇、8度多遇和7度罕遇地震波峰值進(jìn)行調(diào)整,試驗(yàn)按照J(rèn)GJ/T 101—2015《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》[23]對(duì)結(jié)構(gòu)分別施加El Centro波的峰值加速度為18,35,70,220 cm/s2的4種工況,施加Northridge波的峰值加速度為18,35,70 cm/s2的3種工況。為了得到結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處發(fā)生斷裂時(shí)的破壞形態(tài),在220 cm/s2工況后對(duì)結(jié)構(gòu)單調(diào)正向加載100 mm。兩種波的各工況進(jìn)行交替加載。模型加載形式如圖6所示,擬動(dòng)力試驗(yàn)加載制度如表2所示。

表2 試驗(yàn)加載制度Table 2 Test loading systems

圖6 模型加載形式Fig.6 Model loading form

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)共進(jìn)行了8個(gè)工況,如表2所列。El Centro波和Northridge波作用時(shí),18 cm/s2和35 cm/s2工況下位移較小,結(jié)構(gòu)仍處于彈性狀態(tài);70 cm/s2工況下,在加載峰值附近結(jié)構(gòu)開始發(fā)出聲響,由于Q5墻的剛度大于Q2和Q4墻,Q5墻的節(jié)點(diǎn)JD1-JD5橫桿與斜桿交接位置開孔處首先出現(xiàn)了輕微變形,而墻體其他節(jié)點(diǎn)橫桿并未開孔,未出現(xiàn)明顯局部屈曲現(xiàn)象。圖7為El Centro波220 cm/s2工況下的結(jié)構(gòu)變形?？芍?隨著加速度的不斷增加,加載方向各墻體中間一排節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)較大的屈曲變形,并有自攻螺釘發(fā)生翹起,由于Q5墻體門洞口豎桿抗側(cè)剛度較小,節(jié)點(diǎn)Q5-JD5和Q5-JD8位置豎桿出現(xiàn)了明顯屈曲變形。

圖8為單調(diào)加載時(shí)的結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)。當(dāng)位移單調(diào)加載至100 mm時(shí),加載方向各平面內(nèi)墻體中間一排節(jié)點(diǎn)均發(fā)生較大形變,部分墻體節(jié)點(diǎn)橫桿受到斜桿傳來的較大壓力后而發(fā)生斷裂。節(jié)點(diǎn)斷裂位置發(fā)生在橫桿開孔處的翼緣,主要由于此區(qū)域橫桿腹板開孔后,桿件腹板與翼緣相互約束的整體性喪失,受到斜桿傳來的較大壓力后開孔處翼緣發(fā)生失穩(wěn),而沒有斷裂的節(jié)點(diǎn)在受到壓力后出現(xiàn)較大彎曲扭轉(zhuǎn),隨后螺釘被拔出,墻體骨架節(jié)點(diǎn)最終破壞形式表現(xiàn)為彎扭破壞。尤其是Q5墻體節(jié)點(diǎn)JD3處的斜桿彎曲方向與其他節(jié)點(diǎn)不同,主要是由于該節(jié)點(diǎn)發(fā)生較大屈曲變形,致使此位置的橫桿開口處翼緣發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

a—Q5-JD1;b—Q2-JD2;c—Q5-JD5;d—Q5-JD8。圖8 單調(diào)加載結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)Fig.8 Failure states of the structure under monotonic loading

綜上所述,房屋骨架的承載能力主要與墻體節(jié)點(diǎn)的承載能力相關(guān),而節(jié)點(diǎn)位置橫桿腹板的開孔處受到斜桿傳來的力后會(huì)加速破壞,因此應(yīng)避免將斜桿與節(jié)點(diǎn)處橫桿相連接或者利用加固件提高節(jié)點(diǎn)開孔處橫桿翼緣的整體性。

2.2 位移曲線

圖9為各工況下位移計(jì)D1的時(shí)程曲線。其中,圖9a～圖9d為El Centro波位移時(shí)程曲線,圖9e～圖9g為Northridge波位移時(shí)程曲線。可知：兩種地震波在18 cm/s2工況下加速度較小,結(jié)構(gòu)連接之間存在縫隙,致使7～10 s區(qū)間內(nèi)結(jié)構(gòu)反饋的位移曲線未回至零位;Northridge波下結(jié)構(gòu)水平位移響應(yīng)明顯比El Centro波下的要大,且位移最值出現(xiàn)的時(shí)刻不同;地震波以El Centro波輸入時(shí),隨著地震加速度的增大,結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)也隨之增大,位移最大值出現(xiàn)的時(shí)刻由4.86 s提前至2.20 s;Northridge波輸入下位移最大值出現(xiàn)在4.34 s處,而這兩個(gè)波的加速度峰值分別處于2.14 s和4.28 s,結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)的最大值和輸入地震波加速度最大值沒發(fā)生在同一時(shí)刻,位移峰值略滯后于加載峰值。

a—18 cm/s2(El Centro波);b—35 cm/s2(El Centro波);c—70 cm/s2(El Centro波);d—220 cm/s2(El Centro波);e—18 cm/s2(Northridge波);f—35 cm/s2(Northridge波);g—70 cm/s2(Northridge波)。圖9 各工況下結(jié)構(gòu)時(shí)程位移曲線Fig.9 Time-history displacement curves of the structure under various working conditions

兩種波的前三個(gè)工況下,由于結(jié)構(gòu)輸入加速度的擴(kuò)大倍數(shù)與相應(yīng)位移峰值擴(kuò)大倍數(shù)基本相同,表明在結(jié)構(gòu)處于彈性階段時(shí),輸入的峰值加速度與結(jié)構(gòu)反應(yīng)的最大位移成線性關(guān)系。220 cm/s2工況下,位移反應(yīng)時(shí)程曲線變得逐漸稀疏,位移時(shí)程反應(yīng)周期也不斷加大,表明結(jié)構(gòu)剛度在不斷地退化。

2.3 滯回曲線

圖10 為不同工況地震作用下試件的頂層水平荷載-水平位移滯回曲線。其中,圖10a～圖10d為El Centro波位移時(shí)程,圖10e～圖10g為Northridge波位移時(shí)程曲線?？芍篍l Centro地震波輸入時(shí),18,35 cm/s2工況下,滯回曲線卸載后都回至零點(diǎn),未出現(xiàn)明顯殘余變形,表明結(jié)構(gòu)仍處于彈性狀態(tài);70 cm/s2工況下滯回曲線成弓形,出現(xiàn)了“捏縮”效應(yīng),這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)處自攻螺釘存在一定的滑移,但結(jié)構(gòu)仍具有較大的剛度;220 cm/s2工況下滯回曲線由弓形轉(zhuǎn)變?yōu)閆形,加載方向各墻體中間一排節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)較大塑性變形,滯回環(huán)包絡(luò)面積增大,表明結(jié)構(gòu)耗能增加,曲線的斜率隨地震持時(shí)的增加而減小,隨結(jié)構(gòu)殘余變形的增大而增大;Northridge地震波輸入時(shí),70 cm/s2工況下結(jié)構(gòu)滯回曲線形狀呈現(xiàn)反S形,因?yàn)榇说卣鸩ㄏ陆Y(jié)構(gòu)響應(yīng)比El Centro波相同幅值下要大,且前幾個(gè)工況輸入后存在一定的損傷累積,剛度有所下降。在相同加速度幅值、不同地震動(dòng)的情況下,滯回曲線也有很大的不同,說明結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)明顯依賴于加載地震動(dòng)的頻譜特性。

a—18 cm/s2(El Centro波);b—35 cm/s2(El Centro波);c—70 cm/s2(El Centro波);d—220 cm/s2(El Centro波);e—18 cm/s2(Northridge波);f—35 cm/s2(Northridge波);g—70 cm/s2(Northridge波)。圖10 各工況下結(jié)構(gòu)滯回曲線Fig.10 Hysteretic curves of the structure under various working conditions

在地震作用下,塑性變形主要發(fā)生在墻體中間橫桿一排節(jié)點(diǎn)處,結(jié)構(gòu)的耗能能力與節(jié)點(diǎn)處鋼材的屈曲變形和損傷程度有密切關(guān)系。

2.4 剛度退化分析

試驗(yàn)過程中,隨著房屋骨架剛度不斷退化,結(jié)構(gòu)開始進(jìn)入塑性狀態(tài)并最終出現(xiàn)部分節(jié)點(diǎn)的斷裂。本文以割線剛度來表征結(jié)構(gòu)加載過程中的剛度退化,計(jì)算公式為式(1),計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results

(1)

式中：Fi為第i次加載的峰點(diǎn)荷載值;Xi為第i次加載時(shí)D1位移計(jì)的峰點(diǎn)位移值。

El Centro地震波下,隨著加速度峰值的增大,結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)部位出現(xiàn)損傷、開裂,剛度不斷衰減,35,70,220 cm/s2工況下相對(duì)于18 cm/s2工況下的結(jié)構(gòu)剛度分別退化了13.43%、30%和74.78%。由于220 cm/s2工況下各平面內(nèi)墻體節(jié)點(diǎn)處發(fā)生較大彎曲變形,自攻螺釘滑移量增加,致使此工況比前一個(gè)工況的剛度退化程度顯著增加。圖11為結(jié)構(gòu)骨架曲線?？芍?結(jié)構(gòu)骨架曲線正負(fù)方向加載的曲線斜率相近,表明結(jié)構(gòu)的推拉抗側(cè)剛度基本相同,但結(jié)構(gòu)正向位移反應(yīng)最大值普遍比負(fù)向的要大,這與波的加速度峰值方向有密切關(guān)系。由于這兩個(gè)地震波是交替輸入的,由表3可知：18,35 cm/s2工況下,并未對(duì)結(jié)構(gòu)剛度造成損傷;70 cm/s2工況下造成剛度削弱了3.01%;220 cm/s2工況下,正向加載時(shí)節(jié)點(diǎn)發(fā)生較大屈曲變形,負(fù)向加載時(shí)節(jié)點(diǎn)變形又可恢復(fù),且并未產(chǎn)生裂縫,結(jié)構(gòu)延性系數(shù)達(dá)到7.43,表明此類結(jié)構(gòu)體系具有較好的延性性能。

a—El Centro波;b—Northridge波。圖11 結(jié)構(gòu)骨架曲線Fig.11 Skeleton curves of the structure

2.5 節(jié)點(diǎn)區(qū)域應(yīng)變分析

圖12為Q2、Q4和Q5墻體中間一排節(jié)點(diǎn)在El Centro波下的最大應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)。由于墻體節(jié)點(diǎn)處橫桿受到的力主要是由斜桿傳遞得來的,且在墻體各節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞前,斜桿上的應(yīng)變較橫桿上的大,更能反映節(jié)點(diǎn)處的受力變化狀況,故僅取節(jié)點(diǎn)處斜桿上的應(yīng)變進(jìn)行分析。需要說明的是,在每個(gè)工況加載前先對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行歸零,以保證采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)是地震作用下引起的構(gòu)件應(yīng)變,而非實(shí)際的應(yīng)變?？芍?Q2和Q4墻體類型相同,而斜撐的開口方向不同,但應(yīng)變均是在JD2處最先達(dá)到屈服值(屈服值為2 600×10-6),在單向加載100 mm后,這兩面墻體的JD2區(qū)域節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象,破壞最為嚴(yán)重,說明墻體骨架斜撐開口方向?qū)Y(jié)構(gòu)內(nèi)力分布具有較大影響。房屋結(jié)構(gòu)在受地震往復(fù)作用時(shí),加載方向平面內(nèi)各墻體的斜撐主要以承受拉、壓軸力為主,故斜撐端部應(yīng)變的大小反映了其承受軸力的大小,可知,前3個(gè)工況下結(jié)構(gòu)處于彈性階段時(shí),同一面墻體不同節(jié)點(diǎn)處斜撐的應(yīng)變有明顯不同,說明同一片墻體中各斜撐承受的軸力有較大差異,導(dǎo)致了各節(jié)點(diǎn)破壞程度也有很大不同。

a—Q2墻應(yīng)變;b—Q4墻應(yīng)變;c—Q5墻應(yīng)變。圖12 El Centro波下的最大應(yīng)變分布Fig.12 Maximum strain distribution under El Centro wave

220 cm/s2工況時(shí)(70 cm/s2工況下,墻體各節(jié)點(diǎn)應(yīng)變均未達(dá)到屈服),Q5墻體中節(jié)點(diǎn)先達(dá)到屈服應(yīng)變的順序?yàn)镴D5

圖13 開口方向及斷裂點(diǎn)位置Fig.13 Opening directions and fracture locations

2.6 墻體水平剪力及剛度分配

房屋骨架各墻體抗剪能力可通過底層剪力法計(jì)算,由于墻體抗側(cè)能力主要由平面內(nèi)墻體承擔(dān),則各墻體剪力可按照J(rèn)GJ 227—2011[4]給出的公式進(jìn)行計(jì)算：

(2a)

α=γ/(3-2γ)

(2b)

(2c)

式中：Vj為第j面抗剪墻體承擔(dān)的水平剪力;V為多遇地震下X或Y方向的水平總剪力;Kj為第j面抗剪墻體單位長(zhǎng)度的抗剪剛度,取各墻體單位抗剪剛度相同;αj為第j面抗剪墻體門窗洞口折減系數(shù);Lj為第j面抗剪墻體的長(zhǎng)度,Q5墻由于洞口在墻體邊緣,且洞口高度大,可取扣除洞口長(zhǎng)度后L=4.3～0.9 m段的剩余長(zhǎng)度作為計(jì)算長(zhǎng)度;n為X或Y方向的抗剪墻數(shù);A0為洞口總面積;H為墻體高度。

由于底層剪力法適用于結(jié)構(gòu)處于彈性階段時(shí),故選取El Centro下的前三個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算。表4為各墻體剪力分配,由于房屋在試驗(yàn)中并未發(fā)生扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象,故可視平面內(nèi)三面墻體在各工況下的位移相同?？芍篞2、Q4墻體骨架各分擔(dān)總剪力的32.74%,Q5墻體骨架分配總剪力的34.52%,說明Q5墻體骨架剛度略大于兩側(cè)墻體骨架,但平面內(nèi)墻體剪力分配基本均勻,且試驗(yàn)表明結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)整體扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。通過表3中的墻體正負(fù)方向平均位移和表4中的墻體剪力計(jì)算各墻體剛度,見表5。可知,在6度、7度和8度多遇地震作用下,Q5墻體的抗側(cè)剛度比Q2和Q4墻體分別大了5.5%、6%和5.6%,表明帶門的墻體比帶窗的墻體抗側(cè)剛度略好。

表5 各墻體剛度分配Table 5 Stiffness distribution of each wall

3 結(jié)構(gòu)破壞程度評(píng)估

JGJ 227—2011[4]并沒有給出冷彎型鋼房屋破壞程度評(píng)估方法,而GB 50011—2010[22]中給出了結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件(柱子)對(duì)應(yīng)于不同破壞狀態(tài)的最大層間位移角參考控制目標(biāo),將破壞狀態(tài)分為四個(gè)等級(jí),對(duì)于鋼結(jié)構(gòu),層間位移角θ<1/300時(shí)為完好,θ在1/300～1/200時(shí)為輕微損傷,θ在1/200～1/100時(shí)為中等破壞,θ>1/55時(shí)為不嚴(yán)重破壞。本文將GB 50011—2010對(duì)鋼結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的破壞程度評(píng)估方法引入冷彎型鋼體系來評(píng)估其破壞程度,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

由于房屋抵抗水平載荷能力全靠加載方向平面內(nèi)墻體承擔(dān),且頂層樓板剛度較大,則可以將樓板視為剛度無窮大的構(gòu)件。將三片平面內(nèi)墻體簡(jiǎn)化為三個(gè)豎向柱子共同抵抗頂層水平力F(E1表示Q2和Q4彈性模量,E2表示Q5彈性模量),結(jié)構(gòu)等效簡(jiǎn)化如圖14所示。表6給出了各工況下結(jié)構(gòu)頂層最大層間位移角和破壞程度判別?？芍篍l Centro波和Northridge波輸入時(shí),18,35,70 cm/s2工況下,結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)分別為完好、完好和輕微損傷;220 cm/s2工況下為中等破壞,按照GB 50011—2010給出的最大層間位移角參考控制值對(duì)房屋結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分的破壞狀態(tài)與試驗(yàn)破壞現(xiàn)象相符合,表明GB 50011—2010給出的對(duì)鋼結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件破壞狀態(tài)的劃分方法同樣適用于冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系。

表6 最大層間位移角及破壞程度評(píng)估Table 6 Maximum inter-layer displacement angles and failure degree evaluation

圖14 房屋結(jié)構(gòu)等效簡(jiǎn)化 mmFig.14 Equivalent simplified house structure

在各地震波作用下,結(jié)構(gòu)最大層間位移角未超過GB 50011—2010規(guī)定的要求,滿足“小震不壞,中震可修,大震不倒”的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié) 論

1)加載方向平面內(nèi)墻體節(jié)點(diǎn)破壞模式多為彎扭破壞,且斜撐布置方式對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布具有較大影響,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予考慮。

2)墻體中間一排節(jié)點(diǎn)和門窗洞口處是結(jié)構(gòu)最薄弱的位置,建議利用加固件提升節(jié)點(diǎn)開孔處橫桿翼緣的整體性或者改變斜撐布置方式等方法提高節(jié)點(diǎn)的承載能力。

3)本文將GB 50011—2010對(duì)鋼結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的破壞程度評(píng)估方法引入冷彎型鋼體系,發(fā)現(xiàn)GB 50011—2010給出的對(duì)鋼結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件破壞狀態(tài)的劃分方法同樣適用于冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系。

4)各地震波作用下,結(jié)構(gòu)最大層間位移角未超過GB 50011—2010規(guī)定的要求,滿足“小震不壞,中震可修,大震不倒”的設(shè)計(jì)目標(biāo)。