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        低層無比鋼結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能分析

        2016-12-09 06:19:03肖亞明
        工程與建設(shè) 2016年3期
        關(guān)鍵詞:鋼結(jié)構(gòu)承載力結(jié)構(gòu)

        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。

        [1] 周緒紅,石 宇,周天華,等.低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報,2005,22(2):1~14.

        [2] 史艷莉,王文達,靳 垚.考慮墻體作用的低層冷彎薄壁型鋼輕型房屋住宅體系彈塑性動力分析[J].工程力學(xué),2012,29(12):186~195.

        [3] 周緒紅,李 喆,王瑞成,等.冷彎薄壁型鋼梁——OSB板組合樓蓋的受彎承載力研究[J].土木工程學(xué)報,2013,46(9):1~11.

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        [6] JGJ 227-2011,低層冷彎薄壁型鋼房屋建筑技術(shù)規(guī)程[S].

        [7] 呂國玉,蔣滄如,桑 謙.無比輕鋼龍骨復(fù)合墻體受壓承載力分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2010,32(11):41~44.

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        [12] 戚超龍.輕鋼龍骨組合墻體的豎向承載力研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2007.

        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

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