劉 超， 張慧潔, 王靜峰, 王 燦, 張 榮

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230071；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009)

0 引 言

近年來，基于環(huán)境友好和資源節(jié)約理念，國(guó)家電網(wǎng)公司積極推進(jìn)裝配式變電站模塊化建設(shè)。其中安徽公司主要致力于自承重式墻體在變電站結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究，以鋼框架為骨架、以輕質(zhì)高強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保、便于安裝的自承重式墻體為圍護(hù)體系構(gòu)建輕型裝配式的“兩型一化”變電站[1-3]。

這種自承重式墻體與鋼框架復(fù)合體系具有施工便捷、建設(shè)周期短、現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)少、材料可以回收利用、整體性好等優(yōu)點(diǎn)。然而變電站跨度較大，梁端彎矩過大，自承重式墻體抵抗彎矩難以滿足承載力要求，目前鋼框架和自承重式墻體二者協(xié)同工作性能尚未可知，其抗震性能也缺乏研究，因此將這種體系應(yīng)用于變電站中仍存在諸多局限性。

為研究自承重式墻體與鋼框架復(fù)合體系協(xié)同抗震性能，本文利用等代拉桿法對(duì)自承重式墻體進(jìn)行了非線性簡(jiǎn)化分析，同時(shí)利用SAP2000有限元分析軟件對(duì)此復(fù)合體系進(jìn)行了彈性時(shí)程分析，研究該體系在7度多遇地震作用下的變形和應(yīng)力變化規(guī)律。

1 體系介紹

1.1 門式剛架

作為一種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系，門式剛架輕型房屋具有受力簡(jiǎn)單、傳力路徑明確、施工安裝便捷、構(gòu)件可實(shí)現(xiàn)工廠預(yù)制化等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于安徽省裝配式變電站。本文所研究的自承重式墻體與鋼框架復(fù)合體系中，門式剛架可采用等截面或者變截面實(shí)腹結(jié)構(gòu)，屋面采用輕型屋面，外墻為輕型外墻,如圖1所示。門式剛架主體由鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)廠家以組裝部件的形式在工廠完成部件生產(chǎn)，部件運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)后以吊裝方式通過螺栓連接完成組裝，施工過程不涉及動(dòng)火作業(yè)和濕作業(yè)。各剛架構(gòu)件之間通過節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。

圖1 門式剛架輕型房屋簡(jiǎn)圖

1.2 自承重式墻體

自承重式墻體是由冷彎薄壁型鋼骨架、輕聚合物填料(水泥基或石膏基)、鋼絲網(wǎng)片、面板等組成， 通過模具(平?；蛄⒛?在骨架內(nèi)填筑輕聚合物，然后在工廠內(nèi)適宜條件下養(yǎng)護(hù)完成，形成的一種新型預(yù)制“整體式”組合墻板，如圖2所示。這種自承重式墻體構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便、連接可靠，且內(nèi)部填充的輕聚合物保溫隔熱性能較好，能提高門窗縫隙的密封性，改善室內(nèi)環(huán)境，并可實(shí)現(xiàn)工廠預(yù)制化，進(jìn)一步推動(dòng)變電站結(jié)構(gòu)裝配化、綠色化和工業(yè)化。

圖2 自承重式墻體簡(jiǎn)圖

2 自承重式墻體非線性簡(jiǎn)化分析

2.1 基本假定

參考日本規(guī)范[4]，利用等代拉桿法將自承重式墻體等效為桿件體系，各個(gè)桿件之間相互鉸接，推導(dǎo)墻體抗側(cè)剛度時(shí)遵循以下基本假定：

(1)假定為立柱和豎龍骨與上下導(dǎo)軌鉸接；

(2)內(nèi)填輕聚合物等效為斜向的拉壓桿，等效拉壓剛度為EAG；

(3)頂部集中力P的作用下等效前側(cè)移與等效后側(cè)移相等；

(4)墻體頂部側(cè)移遠(yuǎn)大于墻體構(gòu)件軸向變形，軸向變形忽略不計(jì)；

(5)等代拉壓桿的剛度EAG遠(yuǎn)小于墻體各鋼構(gòu)件的剛度EA，根據(jù)此假定，忽略墻體其他鋼構(gòu)件的拉伸和壓縮變形引起的彎曲變形。

2.2 簡(jiǎn)化模型

墻體試件高2 755 mm，寬3 000 mm，厚129 mm，上下導(dǎo)軌、立柱均采用規(guī)格為C89×41×11×0.9(腹板×翼緣×卷邊×截面，單位：mm)的冷彎薄壁C型鋼，輕質(zhì)填料為石膏基。遵循上述假定，建立自承重式墻體抗側(cè)剛度簡(jiǎn)化計(jì)算模型，簡(jiǎn)化模型如圖3所示。

圖3 自承重式墻體簡(jiǎn)化計(jì)算模型

簡(jiǎn)化后自承重式墻體的填料等代為斜桿，模型中各桿件之間連接均采用鉸接，立柱和豎龍骨下端單元節(jié)點(diǎn)采用剛接，約束6個(gè)自由度以模擬地梁和試驗(yàn)中抗剪螺栓和抗拔件的約束作用，而立柱和豎龍骨上端只對(duì)立柱和導(dǎo)軌平面外平動(dòng)自由度U2、轉(zhuǎn)動(dòng)自由度R2進(jìn)行約束，以保證墻體不發(fā)生平面外平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.3 模型分析

2.3.1 骨架曲線對(duì)比

骨架曲線是每次循環(huán)加載達(dá)到的水平力最大峰值的軌跡，反映了構(gòu)件受力與變形的各個(gè)不同階段及特性。將試驗(yàn)得到的墻體試件骨架曲線與有限元模擬得到的模型骨架曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)與模擬骨架曲線對(duì)比圖

從圖4可以看出：有限元模擬和試驗(yàn)得到的骨架曲線基本吻合，基本能反映出試件的初始剛度和承載能力。

2.3.2 荷載和位移特征值對(duì)比

根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》(JGJ 101-2015)[5]相關(guān)條文規(guī)定，對(duì)墻體試驗(yàn)和有限元模擬所得到的荷載和位移特征值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 試件荷載和位移特征值與有限元結(jié)果對(duì)比

誤差=(有限元結(jié)果-試驗(yàn)結(jié)果)÷試驗(yàn)結(jié)果

通過表中數(shù)據(jù)可知，試驗(yàn)與有限元的荷載特征值計(jì)算結(jié)果基本一致，誤差均在10%以內(nèi)；試件的位移特征值誤差在15%以內(nèi)，延性系數(shù)誤差在1%以內(nèi)。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差較小，在一定程度上能反映試件的性能。

通過對(duì)組合墻體試件骨架曲線、荷載與位移特征值計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，模擬曲線與試驗(yàn)曲線較為吻合，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，可以發(fā)現(xiàn)等代拉桿簡(jiǎn)化模型能夠較好地模擬自承重式墻體，有較高的準(zhǔn)確性和精度，為后續(xù)自承重式墻體在彈塑性地震反應(yīng)分析中的理論研究設(shè)計(jì)和研究提供了計(jì)算依據(jù)。

3 彈性時(shí)程分析

3.1 工程概況

以110 kV變電站為例，結(jié)合國(guó)網(wǎng)通用設(shè)計(jì)和現(xiàn)有案例，本變電站建筑面積在500 m2左右， 由于荷載較小，選擇質(zhì)量較輕、工業(yè)化程度較高、施工周期較短的結(jié)構(gòu)形式，采用輕型門式剛架結(jié)構(gòu)，梁柱選用熱軋H型鋼，屋架和墻板龍骨選用冷彎薄壁C型鋼，其中柱距為8.5 m和6.1 m，跨度為11.0 m，并根據(jù)工藝要求設(shè)為單層單跨，平面布置如圖5所示。

圖5 平面布置圖

3.2 結(jié)構(gòu)模型

自承重式墻體與鋼框架復(fù)合體系結(jié)構(gòu)模型采用SAP2000有限元分析軟件建立有限元模型，如圖6所示。

圖6 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

3.3 地震波選取

工程抗震設(shè)防烈度為7度，多遇地震，基本地震加速度值為0.1g，設(shè)計(jì)分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類。地震影響系數(shù)曲線如圖7所示。

圖7 地震影響系數(shù)曲線

采用時(shí)程分析法，參考《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)[6]按建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用實(shí)際強(qiáng)震記錄和人工模擬的加速度時(shí)程曲線，其中選取不少于二組實(shí)際記錄和一組人工模擬的加速度時(shí)程曲線作為輸入，根據(jù)以上規(guī)定選取15 s的地震波加載時(shí)間，大于結(jié)構(gòu)基本周期的5倍，且不小于15 s。選取的兩組天然波和一組人工波加速度時(shí)程曲線如圖8所示。

圖8 三組地震波加速度時(shí)程曲線

3.4 計(jì)算結(jié)果與分析

3.4.1 節(jié)點(diǎn)位移

結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移能夠在一定程度上反映桿件的受力是否合理。結(jié)構(gòu)剛度越大，位移越小。反之，結(jié)構(gòu)柔度越大，位移越小，當(dāng)超過國(guó)家規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，就難以滿足正常使用要求。提取在三組地震波作用下的鋼梁跨中、鋼柱柱柱頂、屋架弦桿、墻體龍骨等部分節(jié)點(diǎn)水平最大位移，整體結(jié)構(gòu)在7度多遇地震下的變形云圖和X向、Y向最大水平位移如圖9和表2所示。

圖9 整體結(jié)構(gòu)變形云圖

表2 特征節(jié)點(diǎn)水平最大位移

由表2可知：

(1)參考《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 51022-2015)[6]相關(guān)規(guī)定，單層門式剛架柱頂位移值不應(yīng)大于h/60，選取的三組柱頂節(jié)點(diǎn)在三組地震波作用下X向水平位移平均值最大值為6.41 mm，Y向水平位移最大值為3.91 mm，均小于h/60=4 700/60≈78.33 mm，滿足規(guī)范要求。

(2)參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017-2017)[7]和《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 51022-2015)[6]相關(guān)規(guī)定，結(jié)構(gòu)的鋼梁撓度容許值取跨度的1/400，屋架撓度容許值取跨度的1/250，屋面檁條撓度允許值取跨度的1/200，墻板水平撓度容許值取跨度的1/100。經(jīng)過驗(yàn)算可得：7.65/11 000=0.000 699<1/400，7.41/11 000=0.000 673<1/250，3.73/11 000=0.000 0339<1/100，由此可見，在7度多遇地震作用下，該結(jié)構(gòu)的變形滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全。

3.4.2 桿件應(yīng)力

物體由于外因(受力、濕度變化等)而變形時(shí)，在物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力以抵抗這種外因的作用，并力圖使物體從變形后的位置回復(fù)到變形前的位置。在所考察的截面某一點(diǎn)單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。應(yīng)力過大可能會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件開裂等問題，降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命，應(yīng)力過小可能會(huì)造成材料浪費(fèi)等問題，因此應(yīng)當(dāng)綜合考慮，在保證使用安全、可靠、發(fā)揮其功能的條件下保證應(yīng)力大小合適。提取三組地震波作用下鋼柱、鋼梁、屋架弦桿和墻體龍骨等桿件的應(yīng)力，結(jié)構(gòu)在7度多遇地震下的應(yīng)力數(shù)據(jù)見表3。

表3 特征桿件應(yīng)力

參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017-2017)[7]相關(guān)規(guī)定，桿件的最大應(yīng)力值不應(yīng)大于鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。上表中選取的特征桿件中鋼梁鋼柱采用Q235鋼材，屋架弦桿和墻體龍骨采用G550冷彎薄壁C型鋼。鋼梁鋼柱中最大壓應(yīng)力為43.30 MPa，小于Q235鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215 MPa，屋架弦桿和墻體龍骨中最大壓應(yīng)力為29.32 MPa，小于G550冷彎薄壁C型鋼強(qiáng)度設(shè)計(jì)值460 MPa。因此，該結(jié)構(gòu)在7度多遇地震作用下的應(yīng)力滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié) 論

本文對(duì)自承重式墻體進(jìn)行了非線性簡(jiǎn)化分析，并對(duì)自承重式墻體和鋼框架復(fù)合體系在7度多遇地震作用下進(jìn)行了彈性時(shí)程分析，得到下列結(jié)論：

(1)等代拉桿簡(jiǎn)化模型能夠較好地模擬自承重式墻體，有較高的準(zhǔn)確性和精度，為后續(xù)自承重式墻體在彈塑性地震反應(yīng)分析中的理論研究設(shè)計(jì)和研究提供了計(jì)算依據(jù)。

(2)在7度多遇地震作用下，本文研究的自承重式墻體與鋼框架復(fù)合體系的變形和應(yīng)力均能滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全。

(3)本文的研究結(jié)論可為變電站加快裝配式模塊化建設(shè)、完善裝配式建筑配套技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。