劉 飛，李元齊 (同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海 200092)

張繼承 (長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院, 湖北 荊州 434023)

低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)抗震性能分析

劉 飛，李元齊 (同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海 200092)

張繼承 (長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院, 湖北 荊州 434023)

四川汶川大地震后，大量的災(zāi)區(qū)房屋急需要重建，低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系是一種理想的選擇。以某鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)捐獻(xiàn)給災(zāi)區(qū)的兩層冷彎薄壁型鋼小學(xué)試點(diǎn)房為研究對象，按照現(xiàn)行的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，基于單片墻體的抗剪能力，采用底部剪力法進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)的抗震性能分析。結(jié)果表明，該建筑所采用的組合墻體構(gòu)造能滿足我國規(guī)范的抗震設(shè)防要求，此類結(jié)構(gòu)體系適合建造于災(zāi)區(qū)。

高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼；組合墻體；抗震性能；抗剪強(qiáng)度；底部剪力法

冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系從20世紀(jì)60年代開始發(fā)展至今，以美國、加拿大以及日本和澳大利亞等國為主，其具有環(huán)保和抗震性能好、施工速度快等顯著優(yōu)點(diǎn)。四川汶川大地震后，大量的災(zāi)區(qū)房屋急需要重建，低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系是一種理想的選擇。某鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)捐獻(xiàn)給災(zāi)區(qū)的試點(diǎn)房為2層的鋼結(jié)構(gòu)小學(xué)建筑，其采用高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼構(gòu)件，密柱龍骨結(jié)構(gòu)體系，豎向荷載由立柱承擔(dān)，水平荷載由組合墻體承擔(dān)。鋼構(gòu)件采用澳洲標(biāo)準(zhǔn)[1]的高強(qiáng)G550鋼材，屈服強(qiáng)度550MPa，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值440MPa。筆者對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體抗震性能的分析評估，驗(yàn)證了其滿足中國規(guī)范的抗震設(shè)防要求，可建造于災(zāi)區(qū)。

1 計(jì)算原理和方法

關(guān)于冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)整體的抗震性能分析方法，同濟(jì)大學(xué)在國內(nèi)首次進(jìn)行了屈服強(qiáng)度550MPa的高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼二層住宅足尺模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，并基于單片墻體的抗剪能力，采用底部剪力法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的抗震性能評估，驗(yàn)證了該法的合理性。為此，筆者采用底部剪力法來評估試點(diǎn)房結(jié)構(gòu)的抗震性能。

底部剪力法的原理是擬靜力法，即根據(jù)地震反應(yīng)譜理論[2]，以工程結(jié)構(gòu)底部的總地震剪力與等效單質(zhì)點(diǎn)的水平地震作用相等的原則，來確定結(jié)構(gòu)總地震作用的方法。其基本思想是在靜力計(jì)算的基礎(chǔ)上，將地震作用簡化為一個(gè)慣性力系附加在研究對象上。筆者首先計(jì)算了結(jié)構(gòu)的自振周期，然后根據(jù)規(guī)范中的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線[3]，計(jì)算地震作用力，依照按面積分配法[4]計(jì)算了各片墻體承受的水平剪力，并與標(biāo)準(zhǔn)墻體抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[4，5]進(jìn)行計(jì)較。

2 結(jié)構(gòu)的地震荷載計(jì)算

2.1結(jié)構(gòu)的自振周期

采用底部剪力法計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震作用時(shí)，首先要確定其第一自振周期，筆者進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析。結(jié)構(gòu)模型的平面圖如圖1所示，長度為38000mm，寬度為8400mm，高度為8360mm，2層的層高均為3200mm，屋架的高度為1960mm。由于是教學(xué)樓建筑，所以墻體開洞(門、窗)率很大，如圖2(a)所示，開洞對于龍骨式組合墻體的抗震性能有很大的影響。

采用通用結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000建立了整體結(jié)構(gòu)的空間模型，對于冷彎薄壁型鋼龍骨體系，外蒙皮板對結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度和剛度有很大的貢獻(xiàn)作用，所以在模型中建立了墻板殼單元。筆者計(jì)算了結(jié)構(gòu)的前20階自振周期和振型，表1給出前3階模態(tài)計(jì)算結(jié)果。

圖1 結(jié)構(gòu)模型平面圖(mm)

圖2 結(jié)構(gòu)振型

2.2水平地震作用計(jì)算

表1 結(jié)構(gòu)的自振周期

根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[3]，采用底部剪力法計(jì)算地震對結(jié)構(gòu)的作用，結(jié)構(gòu)重力荷載的代表值取恒載加上0.5倍的樓面活載。該工程擬建造地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7°，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為 0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場地土類別為II類，地震動(dòng)反應(yīng)特征周期值為 0.4s。

以下采用底部剪力法計(jì)算結(jié)構(gòu)的水平地震荷載，把結(jié)構(gòu)質(zhì)量分成3個(gè)部分，底層質(zhì)量m1、二層質(zhì)量m21和屋架質(zhì)量m22，各質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量可由軟件直接提取得到。地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期值[3]為Tg=0.40s，按照多遇地震考慮αmax=0.12，結(jié)構(gòu)的阻尼比取ξ=0.05。

圖3 地震影響系數(shù)曲線

根據(jù)規(guī)范的地震影響系數(shù)曲線(圖3)計(jì)算結(jié)構(gòu)總的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值FEK=134.6kN。

采用底部剪力法時(shí)，二層樓的結(jié)構(gòu)簡化成為2個(gè)質(zhì)點(diǎn)。第1個(gè)質(zhì)點(diǎn)包括底層結(jié)構(gòu)自重和樓板的恒載及活載，質(zhì)量位置在樓板處，標(biāo)高3.2m。第2個(gè)質(zhì)點(diǎn)為二層鋼結(jié)構(gòu)和屋蓋的恒載及活載，其作用位置采用如下方法計(jì)算：

把G2首先分成2個(gè)質(zhì)點(diǎn)：G21重量包括二層鋼結(jié)構(gòu)墻體，G22重量包括屋架恒、活載，算出等效質(zhì)心的作用位置。

底部剪力法的計(jì)算簡圖和質(zhì)點(diǎn)作用位置如圖4和圖5所示。由圖4可見，H1=3.2m，H2=5.23m。2個(gè)質(zhì)點(diǎn)的重力荷載代表值為G1=1050.0kN，G2=268.6kN。

各層地震荷載作用為：

各層承受的剪力值為：

V1E=F1+F2=134.5kNV2E=F2=39.7kN

圖4 等效質(zhì)量計(jì)算簡圖 圖5 底部剪力法質(zhì)點(diǎn)作用位置

3 結(jié)構(gòu)的抗震能力評估

3.1組合墻體的抗剪承載力設(shè)計(jì)值

在低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅中，側(cè)向力抵抗體系由屋面、樓面和墻體(剪力墻)組成，即整個(gè)房屋各組合體均參與橫向荷載的傳遞。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，要分別進(jìn)行房屋橫、縱2個(gè)方向水平地震作用下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度驗(yàn)算。對于側(cè)向力抵抗體系的設(shè)計(jì)，在計(jì)算結(jié)構(gòu)單面剪力墻體分配的地震荷載時(shí)，采用了按面積分配法[4]，其假定水平隔板與剪力墻相比是相對柔性的，因此這種方法是按照從屬面積分配荷載的。

目前對于單片組合墻體的抗剪強(qiáng)度及剛度的確定還沒有成熟的設(shè)計(jì)理論及公式，相關(guān)性能參數(shù)主要由足尺模型的水平加載抗剪試驗(yàn)研究來確定。該建筑結(jié)構(gòu)中主要采用的是2種組合墻體形式，類型1為S10010@610mm鋼龍骨柱，雙面分別覆12mm厚OSB板和12mm厚石膏板；類型2為S10010@610mm鋼龍骨柱，雙面分別覆鋼拉帶SP10010和12mm厚石膏板。根據(jù)文獻(xiàn)[4，5]的試驗(yàn)研究成果，類型1標(biāo)準(zhǔn)墻體的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為11.0kN/m，類型2標(biāo)準(zhǔn)墻體的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為9.30kN/m。

關(guān)于剪力墻開洞因素的考慮，根據(jù)低層冷彎薄壁型鋼房屋建筑技術(shù)規(guī)程(送審稿)，當(dāng)洞口寬度大于400mm，高度大于600mm時(shí)，此水平長度段的洞口墻體不計(jì)入抗剪墻體。該結(jié)構(gòu)中門、窗開洞尺寸均大于該項(xiàng)值，故開洞部分的墻體不考慮該段的結(jié)構(gòu)抗剪作用。除去開洞部分，實(shí)際參予抗剪墻體的有效長度：底層縱向(長邊)，類型1墻體長度L1X=31.0m；底層橫向(短邊)，類型2墻體長度L1Y=48m；二層縱向(長邊)，類型1墻體長度L2X=31.0m；二層橫向(短邊)類型2墻體，長度L2Y=48m。

3.2結(jié)構(gòu)的抗震性能評估

考慮地震作用的荷載組合，地震荷載的分項(xiàng)系數(shù)[6]為1.3，結(jié)構(gòu)每層墻體承受的總荷載為：

V1=1.3×V1E=174.9kNV2=1.3×V2E=51.6kN

地震荷載效應(yīng)按面積分配法，根據(jù)每面剪力墻體控制的跨度范圍，分配各自承擔(dān)的墻體剪力。對于X向的墻體來說，參予抗剪的只有2面縱向墻體，可以認(rèn)為它們平均分配剪力；對于Y向的墻體來說，參予抗剪的有8面橫向墻體，由于它們并非均勻布置，故對其編號(hào)為Ⅰ至Ⅷ，按照跨度范圍計(jì)算剪力分配系數(shù)，墻體編號(hào)示意如圖6所示，剪力分配系數(shù)如表2所示。

圖6 橫向墻體的編號(hào)

墻體編號(hào)跨度范圍/mm分配系數(shù)墻體編號(hào)跨度范圍mm分配系數(shù)Ⅰ12500033Ⅴ90000237Ⅱ25000066Ⅵ90000237Ⅲ27500072Ⅶ60000158Ⅳ60000158Ⅷ15000039

根據(jù)墻體的剪力分配系數(shù)，計(jì)算各片墻體實(shí)際承受的水平剪力，并和抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，從而評估整體結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。分析結(jié)果如表3所示，限于篇幅，對Y向抗剪墻體來說，只列舉了剪力分配系數(shù)最大的墻體V的分析結(jié)果。

表3 地震作用下組合墻體的抗震性能分析

從表3中可以看出，底層X向墻體承受的剪力設(shè)計(jì)值5.64kN/m小于其抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值11.0kN/m，底層Y向最不利位置的V號(hào)墻體承受的剪力設(shè)計(jì)值5.19kN/m小于其抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值9.30kN/m；二層X向墻體承受的剪力設(shè)計(jì)值1.66kN/m小于其抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值11.0kN/m，二層Y向最不利位置的V號(hào)墻體承受的剪力設(shè)計(jì)值1.53kN/m小于其抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值9.30kN/m。總體來說，二層結(jié)構(gòu)由于承受的水平剪力小，其墻體的抗剪安全系數(shù)更高。

綜合上述分析，該建筑結(jié)構(gòu)采用了高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼龍骨承重體系，自重輕，且抗側(cè)剛度大，整體結(jié)構(gòu)具有較好的抗震設(shè)防效果。

4 結(jié) 論

1)高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼承重體系結(jié)構(gòu)自重輕，地震作用下產(chǎn)生的水平作用力小，且其自身剛度大，采用合理的組合墻體構(gòu)造方式能達(dá)到理想的抗震效果，建議在設(shè)防烈度高的地區(qū)采用雙面覆板的構(gòu)造。

2)利用底部剪力法簡化分析模型，按面積分配法計(jì)算各片墻體承受的水平荷載，并與標(biāo)準(zhǔn)墻體抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值進(jìn)行計(jì)較，用來評估整體結(jié)構(gòu)的抗震性能是合理可行的。

3)筆者的分析方法是基于規(guī)范反應(yīng)譜的擬靜力法，進(jìn)一步的研究方向是結(jié)構(gòu)整體的非線性時(shí)程分析方法。可嘗試通過組合墻體的水平低周反復(fù)加載試驗(yàn)，由墻體的滯回曲線得到結(jié)構(gòu)的層間恢復(fù)力模型，從而進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析，并和擬靜力法的結(jié)果進(jìn)行比較研究。

[1]AS/NZS 4600，Australian/New Zealand Standard Cold-formed steel structures[S].

[2]呂西林.建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論與實(shí)例[M].第2版.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2002.

[3]GB50011-2001，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]郭鵬.冷彎型鋼骨架墻體抗剪性能試驗(yàn)與理論研究[D].西安：建筑科技大學(xué)，2007.

[5]袁耀明.高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼雙面覆板墻體抗剪性能試驗(yàn)與理論研究[J]. 西安：建筑科技大學(xué)，2008.

[6]GB50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[編輯] 易國華

TU3

A

1673-1409(2009)01-N091-04

2008-12-28

劉飛(1981-)，男， 2003年大學(xué)畢業(yè)，博士生，現(xiàn)主要從事鋼結(jié)構(gòu)與空間結(jié)構(gòu)方面的研究工作。