李　科，馬宵航

(南陽師范學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，河南 南陽　473061)

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采用泡沫混凝土填充墻的鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析

李科，馬宵航

(南陽師范學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，河南 南陽473061)

摘要：一鋼框架結(jié)構(gòu)，采用泡沫混凝土作為結(jié)構(gòu)的墻體材料，利用有限元軟件來分析其抗震性能。通過有限元模擬，分析了結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力特性、位移變化、基底剪力，結(jié)構(gòu)的抗震性能表現(xiàn)較好。

關(guān)鍵詞：鋼框架；抗震性能；動力特性；基底剪力

鋼結(jié)構(gòu)房屋現(xiàn)在已成為住宅市場的一支新生力量，其具有單位體積承載力高、生產(chǎn)安裝方便、施工周期短、抗震性能好的特點，是人與自然和諧可持續(xù)發(fā)展的“綠色產(chǎn)業(yè)”。但影響結(jié)構(gòu)住宅推廣應(yīng)用的一個關(guān)鍵問題就是與其配套的墻體材料的選用[1-2]。

泡沫混凝土砌塊具有輕質(zhì)高強、耐水防潮、隔音隔熱、居住舒適等特點，是利廢節(jié)能建材新產(chǎn)品，泡沫混凝土砌塊的生產(chǎn)成本價比普通混凝土砌塊相同甚至更低。因此由它作為墻體具有很好的應(yīng)用前景。本文就以此作為鋼框架結(jié)構(gòu)的填充墻材料，來分析鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。

1模型的建立

設(shè)計該框架結(jié)構(gòu)層高3.0 m,未設(shè)計地下室，橫向共有三跨15 m，邊跨6.0 m,中間跨3.0 m，縱向設(shè)計6跨，柱間距6.0 m,共計36 m。鋼框架結(jié)構(gòu)中梁柱采用Q345的鋼材制作，樓板采用現(xiàn)澆混凝土板，厚度100 mm，混凝土強度等級C30，填充墻采用輕質(zhì)泡沫混凝土4.0 MPa，樓面恒載取2.5 kN/m2，樓面可變荷載取2.0 kN/m2，所用鋼材尺寸、墻體厚度見表1。

表1　結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸　mm

某地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度，建筑場地類別為II類，設(shè)計地震分組為第一組，場地特征周期為0.35 t，設(shè)計基本地震加速度0.20g。

根據(jù)以上資料，本文利用SAP2000有限元分析軟件對結(jié)構(gòu)進行建模，具體模型見圖1所示。

圖1　有限元模型

2結(jié)構(gòu)動力特性

根據(jù)軟件所建立的有限元模型，首先對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，獲得了結(jié)構(gòu)的自振周期、自振頻率(表2)和振型[3-6]。

表2　結(jié)構(gòu)自振周期和自振頻率

根據(jù)所得到的自振周期、自振頻率以及結(jié)構(gòu)前四振型，可以看出，以泡沫混凝土作為鋼框架結(jié)構(gòu)的填充墻體，結(jié)構(gòu)的自振周期并不是很大，自振頻率也較低，表明結(jié)構(gòu)的動力特性表現(xiàn)較好。從所得到的結(jié)構(gòu)前四振型來看，結(jié)構(gòu)的前兩振型主要表現(xiàn)為平動，第三振型之后開始出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)(圖2)。

圖2　結(jié)構(gòu)的前四振型

3水平地震作用下結(jié)構(gòu)的時程分析

在進行有限元分析時，把結(jié)構(gòu)看成是一個彈性或者彈塑性體系[7-8]，在結(jié)構(gòu)模型中輸入地震波——蘭州波，經(jīng)軟件分析得出結(jié)構(gòu)相關(guān)的時程曲線，從而分析結(jié)構(gòu)隨時間變化在地震作用下的表現(xiàn)。

3.1基底剪力時程分析

根據(jù)SAP2000軟件的有限元動力時程分析，可以得到結(jié)構(gòu)在地震波下基底剪力時程曲線[7-8](圖3、圖4)。

圖3　結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下X向的基底剪力時程曲線

圖4　結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下Y向基底剪力時程曲線

根據(jù)所得到的基底剪力時程曲線可以看出，在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)在x向最大基底剪力為627 kN，Y向最大基底剪力為641 kN，而且基底剪力的的峰值主要集中出現(xiàn)在地震作用的前期，如果在設(shè)計中可以合理控制填充墻的數(shù)量及位置，可以有效控制基底剪力峰值出現(xiàn)的時間和增幅的大小。

3.2結(jié)構(gòu)的層間位移角

根據(jù)結(jié)構(gòu)的時程分析結(jié)果，可以得到結(jié)構(gòu)的各層層間位移及各層層間位移與層高之比，結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/867。按照文獻[9]對于多高層鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下的層間位移角所做的規(guī)定，在小震作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角不得超過1/250[10-11]，由此可見結(jié)構(gòu)的變形是符合規(guī)范要求的。

4結(jié)論

(1) 鋼框架結(jié)構(gòu)采用泡沫混凝土作為結(jié)構(gòu)的墻體材料之后，結(jié)構(gòu)的動力特性表現(xiàn)較好，有利于結(jié)構(gòu)發(fā)揮較好的耗能能力。

(2) 根據(jù)時程分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)的基底剪力峰值主要出現(xiàn)在地震前期，峰值不大，同時在后期設(shè)計中可以調(diào)整填充墻的位置、數(shù)量，來進一步降低基底剪力峰值。

(3) 在地震作用中，結(jié)構(gòu)的變形在規(guī)范的要求范圍之內(nèi)。

(4) 泡沫混凝土具有較好的抗震能力，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)建筑材料作為鋼框架結(jié)構(gòu)的墻體材料，泡沫混凝土在建筑領(lǐng)域有著很好的發(fā)展前景。

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收稿日期：2016-02-26；修改日期：2016-03-29

基金項目：南陽師范學(xué)院青年項目(15026)；河南省高等學(xué)校重點科研項目(16B560006)

作者簡介：李科(1983- )，男，河南南陽人，碩士，南陽師范學(xué)院講師．

中圖分類號：TU528.2；TU972.8

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0196-02