胡 倩, 肖亞明

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

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低層無比鋼結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能分析

胡 倩, 肖亞明

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

基于有限元方法建立無比鋼輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)有限元分析模型，對有限元模型進行靜力和時程分析，研究墻板對結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能的影響，為該類結(jié)構(gòu)體系在工程設(shè)計和實際應(yīng)用中提供依據(jù)。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)水平荷載主要考慮地震作用的影響；不考慮墻板作用時，無比鋼純鋼骨架的整體剛度不足、側(cè)移過大；墻板的蒙皮效應(yīng)顯著增強結(jié)構(gòu)整體剛度，減少結(jié)構(gòu)側(cè)移，有效提高結(jié)構(gòu)的承載力和抗震性能；OSB 板作為墻面板時，具有更好的力學(xué)性能和抗震性能。

無比鋼輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)；整體力學(xué)性能；蒙皮效應(yīng)；承載力；側(cè)移；時程分析

0 引 言

無比鋼輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)體系是一種新型的冷彎薄壁型小桁架結(jié)構(gòu)體系,薄壁方鋼管通過V型連接件組成單片柱、四方柱以及桁架梁。主要承重結(jié)構(gòu)是由單片柱、四方柱、拉條、槽鋼和OSB板(或石膏板)通過自攻螺釘連接形成的組合墻體,以及桁架梁與混凝土組合樓板(或OSB板)形成的組合樓蓋。推廣應(yīng)用無比鋼結(jié)構(gòu)建筑符合我國轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)住宅生產(chǎn)方式,大力推廣綠色、環(huán)保、節(jié)能及住宅裝配化方針策略,在四川災(zāi)后重建、上海世博會、北京奧北別墅區(qū)等項目的應(yīng)用中已經(jīng)顯現(xiàn)出其優(yōu)越性。

隨著冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅的廣泛推廣和應(yīng)用,國內(nèi)外對C型和Z型組成的冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)進行了大量理論和試驗研究[1-4],并頒布相應(yīng)的規(guī)范和規(guī)程[5-6]。目前,國內(nèi)外對無比輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)體系的試驗及設(shè)計方法研究較少,且對無比鋼結(jié)構(gòu)的研究重點還主要集中在單根柱子、有限長度梁和單片墻體性能方面[7-12]。

本文采用有限元軟件對某無比鋼結(jié)構(gòu)房屋進行建模分析,評估結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能。

1 工程實例

本模型為 2 層建筑,結(jié)構(gòu)長為12 m,寬為10.8 m,高為6 m,層高均為3 m。墻體立柱(單片柱及四方柱)中薄壁方鋼管選用40 mm×40 mm×1.2 mm型號,薄壁方鋼管中心間距為150 mm,立柱間距取600 mm,在墻端部、墻拐角處及門窗開洞處布置四方柱。墻面板采用石膏板或OSB板,墻板厚度為9 mm。桁架梁上、下弦桿選用型號為40 mm×40 mm×1.5 mm的薄壁方鋼管,梁高為240 mm,桁架梁間距為600 mm,且布置在立柱上,屋面板及樓板采用100 mm厚的混凝土組合樓板,混凝土選用C35混凝土。門窗開洞處的過梁上、下弦桿分別選用型號40 mm×80 mm×1.5 mm、40 mm×60 mm×1.5 mm的薄壁矩形鋼管,梁高為240 mm。C型導(dǎo)軌取190 mm×50 mm×1.5 mm,立柱和桁架梁中的V型連接件選用C型36 mm×12 mm×1.5 mm。

SAP2000自動計算結(jié)構(gòu)自重,屋面均布恒荷載為2.5 kN/m2,均布活荷載為0.5 kN/m2;樓面均布恒荷載為1.5 kN/m2,均布活荷載為2.0 kN/m2;風(fēng)荷載基本風(fēng)壓值為0.4 kN/m2,雪荷載基本雪壓值為0.6 kN/m2;工程抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計基本地震加速度為0.1g,設(shè)計分組第1組,Ⅱ類場地,抗震等級為二級,場地特征周期為0.35 s。

為研究無比鋼結(jié)構(gòu)體系中墻面板的蒙皮效應(yīng)對結(jié)構(gòu)整體受力性能的貢獻,參考文獻[6]和國外的一些規(guī)范理論建立3種有限元模型進行分析計算。模型1不考慮墻板貢獻,忽略蒙皮效應(yīng);模型2、模型3考慮墻板的蒙皮效應(yīng),但采用不同的墻板材料,模型2采用雙面石膏板,模型3采用雙面OSB板。結(jié)構(gòu)有限元分析鋼骨架如圖1所示。

圖1 鋼骨架圖

2 計算分析

2.1 模態(tài)分析

運用有限元方法對3個模型進行模態(tài)分析,分別得到各個模型的振型和自振周期。模型1的第1階振型為Y方向整體平動,第2階振型為整體扭轉(zhuǎn),第3階振型為X方向整體平動;模型2、模型3的第1階振型為X方向整體平動,第2階振型為Y方向整體平動,第3階振型為整體扭轉(zhuǎn)。3個模型前3階自振周期見表1所列。

表1 結(jié)構(gòu)自振周期 s

依據(jù)文獻[6]中計算公式計算無比鋼結(jié)構(gòu)的自振周期,該結(jié)構(gòu)建筑高度H為6 m,第1階自振周期T=(0.02～0.03)H=(0.12 ～0.18)s。表明忽略墻體蒙皮作用,結(jié)構(gòu)自振周期太大,整體剛度不夠,無法滿足規(guī)范要求;考慮墻體的蒙皮作用,模型比較合理,且結(jié)構(gòu)整體性較好。雙面OSB板對結(jié)構(gòu)整體的約束力大于雙面石膏板,故模型3的整體剛度大于模型2的整體剛度。因此,在無比鋼結(jié)構(gòu)體系中,必須考慮墻面板的蒙皮效應(yīng)。

2.2 各工況作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

在承載力極限狀態(tài),分別考慮以下5種荷載組合,S1:1.2D+1.4L;S2:1.2D+1.4L+0.84Wx;S3:1.2D+1.4L+0.84Wy;S4:1.2D+0.6L+1.3Ex;S5:1.2D+0.6L+1.3Ey。其中,D為恒荷載;L為活荷載;Wx為X向水平風(fēng)荷載;Wy為Y向水平風(fēng)荷載;Ex為X向水平地震作用;Ey為Y向水平地震作用。

對3種模型進行承載能力極限狀態(tài)下各種荷載組合的內(nèi)力分析,研究無比鋼結(jié)構(gòu)體系3種模型承載力差別。3個模型在5種荷載組合下,桁架柱和桁架梁軸力的最大值見表2所列。

比較3種模型的內(nèi)力分析可以看出,模型2、模型3的墻面板約束桁架柱的彎曲和扭轉(zhuǎn),較大地提高桁架柱的承載力,故其承載力比模型1顯著提高;墻板材料對墻體立柱的承載力有一定影響,模型2比模型3的立柱軸力值略大。

表2 構(gòu)件軸力最大值及相應(yīng)應(yīng)力比 kN

2.3 各工況作用下結(jié)構(gòu)位移分析

在正常使用極限狀態(tài),分別考慮以下5種荷載組合,D1:1.0D+1.0L;D2:1.0D+1.0L+0.6Wx;D3:1.0D+1.0L+0.6Wy;D4:1.0Ex;D5:1.0Ey。

表 3所列為3種模型在5種荷載工況下結(jié)構(gòu)的側(cè)移值。

表3 結(jié)構(gòu)層間位移 mm

荷載工況D4、D5由于只考慮水平地震作用,所以結(jié)構(gòu)Z方向側(cè)移值可以忽略不計。由于無比鋼結(jié)構(gòu)體系并沒有現(xiàn)行規(guī)范,暫依據(jù)文獻[6]中對結(jié)構(gòu)彈性層間位移限值,對低層無比鋼結(jié)構(gòu)體系的彈性層間位移進行判別。3種模型中,模型1在荷載工況D5作用下彈性層間位移角為1/93,大于最大層間位移角1/300,不能滿足規(guī)范要求;模型2、模型3在荷載工況D4作用下彈性層間位移角分別為1/587、1/766,小于最大層間位移角1/300,滿足規(guī)范要求。

比較3種模型的位移分析可以看出,墻板對立柱的側(cè)向約束作用,大大降低結(jié)構(gòu)的層間位移,增大結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度;墻板材料對結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度也有一定影響,模型3比模型2的層間位移更小;無比鋼結(jié)構(gòu)體系中,相比風(fēng)荷載作用,地震作用對結(jié)構(gòu)側(cè)移的影響更為顯著。

3 時程分析

無比剛結(jié)構(gòu)體系的自重輕,結(jié)構(gòu)變形較小,故對3種模型只進行7度常遇地震作用下的動力時程分析,計算時輸入適合Ⅱ類場地特征且經(jīng)過處理的El-Centro地震波。3種模型在7度常遇地震作用下,1層、2層的動力位移反應(yīng)曲線如圖2所示。

圖2 3種模型位移反應(yīng)曲線

在水平地震作用下,模型1的最大位移出現(xiàn)在1. 7 s 處,1層最大位移為38.08 mm,2層最大位移為78.94 mm,模型1最大彈性層間位移角為1/74,不滿足規(guī)范要求;模型2的最大位移出現(xiàn)在1. 9 s 處,1層最大位移為5.32 mm,2層最大位移為10.54 mm,模型2最大彈性層間位移角為1/563,滿足規(guī)范要求;模型3的最大位移出現(xiàn)在1.8 s處,1層最大位移為3.84 mm,2層最大位移為7.92 mm,模型3最大彈性層間位移角為1/735,滿足規(guī)范要求?？梢?墻面板的蒙皮效應(yīng)使結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度增大,結(jié)構(gòu)在地震作用下的層間位移顯著降低,OSB 板比石膏板結(jié)構(gòu)的層間位移更小,抗震效果更好。

4 結(jié) 論

(1) 結(jié)構(gòu)墻面板的存在可以較大程度上提高結(jié)構(gòu)整體剛度、墻體立柱承載力、結(jié)構(gòu)抗震性能及降低結(jié)構(gòu)側(cè)移;不考慮墻面板的作用,結(jié)構(gòu)的整體性能無法滿足規(guī)范要求,在結(jié)構(gòu)設(shè)計時,必須考慮墻板的蒙皮作用對結(jié)構(gòu)的影響。

(2) 無比鋼結(jié)構(gòu)體系中,結(jié)構(gòu)的墻面板采用雙面OSB板比采用雙面石膏板具有更強的整體約束能力,在一定程度上增強結(jié)構(gòu)的承載力和抗震性能,減小結(jié)構(gòu)側(cè)移。因此,在無比鋼結(jié)構(gòu)體系中采用抗側(cè)剛度較大的墻面板,其結(jié)構(gòu)的整體性能更好。

(3) 通過計算分析,無比鋼結(jié)構(gòu)體系適合在我國住宅裝配化發(fā)展中推廣應(yīng)用。

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2016-04-11

胡 倩(1989-)，女，河南駐馬店人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生．

TU392.5

A

1673-5781(2016)03-0297-03