低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構抗震性能分析

劉 飛，李元齊 (同濟大學土木工程學院,上海 200092)

張繼承 (長江大學城市建設學院, 湖北 荊州 434023)

低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構抗震性能分析

劉 飛，李元齊 (同濟大學土木工程學院,上海 200092)

張繼承 (長江大學城市建設學院, 湖北 荊州 434023)

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

高強冷彎薄壁型鋼；組合墻體；抗震性能；抗剪強度；底部剪力法

冷彎薄壁型鋼結(jié)構住宅體系從20世紀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。四川汶川大地震后，大量的災區(qū)房屋急需要重建，低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構住宅體系是一種理想的選擇。某鋼結(jié)構企業(yè)捐獻給災區(qū)的試點房為2層的鋼結(jié)構小學建筑，其采用高強冷彎薄壁型鋼構件，密柱龍骨結(jié)構體系，豎向荷載由立柱承擔，水平荷載由組合墻體承擔。鋼構件采用澳洲標準[1]的高強G550鋼材，屈服強度550MPa，強度設計值440MPa。筆者對結(jié)構進行了整體抗震性能的分析評估，驗證了其滿足中國規(guī)范的抗震設防要求，可建造于災區(qū)。

1 計算原理和方法

關于冷彎薄壁型鋼結(jié)構整體的抗震性能分析方法，同濟大學在國內(nèi)首次進行了屈服強度550MPa的高強冷彎薄壁型鋼二層住宅足尺模型的振動臺試驗研究，并基于單片墻體的抗剪能力，采用底部剪力法進行了結(jié)構的抗震性能評估，驗證了該法的合理性。為此，筆者采用底部剪力法來評估試點房結(jié)構的抗震性能。

底部剪力法的原理是擬靜力法，即根據(jù)地震反應譜理論[2]，以工程結(jié)構底部的總地震剪力與等效單質(zhì)點的水平地震作用相等的原則，來確定結(jié)構總地震作用的方法。其基本思想是在靜力計算的基礎上，將地震作用簡化為一個慣性力系附加在研究對象上。筆者首先計算了結(jié)構的自振周期，然后根據(jù)規(guī)范中的設計反應譜曲線[3]，計算地震作用力，依照按面積分配法[4]計算了各片墻體承受的水平剪力，并與標準墻體抗剪強度設計值[4，5]進行計較。

2 結(jié)構的地震荷載計算

2.1結(jié)構的自振周期

采用底部剪力法計算結(jié)構的地震作用時，首先要確定其第一自振周期，筆者進行了整體結(jié)構的模態(tài)分析。結(jié)構模型的平面圖如圖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)構分析軟件SAP2000建立了整體結(jié)構的空間模型，對于冷彎薄壁型鋼龍骨體系，外蒙皮板對結(jié)構的抗剪強度和剛度有很大的貢獻作用，所以在模型中建立了墻板殼單元。筆者計算了結(jié)構的前20階自振周期和振型，表1給出前3階模態(tài)計算結(jié)果。

圖1 結(jié)構模型平面圖(mm)

圖2 結(jié)構振型

2.2水平地震作用計算

表1 結(jié)構的自振周期

根據(jù)建筑抗震設計規(guī)范[3]，采用底部剪力法計算地震對結(jié)構的作用，結(jié)構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)的抗震設防烈度為7°，設計基本地震加速度值為 0.15g，設計地震分組為第二組，場地土類別為II類，地震動反應特征周期值為 0.4s。

以下采用底部剪力法計算結(jié)構的水平地震荷載，把結(jié)構質(zhì)量分成3個部分，底層質(zhì)量m1、二層質(zhì)量m21和屋架質(zhì)量m22，各質(zhì)點的質(zhì)量可由軟件直接提取得到。地震動反應譜特征周期值[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)計算結(jié)構總的水平地震作用標準值FEK=134.6kN。

采用底部剪力法時，二層樓的結(jié)構簡化成為2個質(zhì)點。第1個質(zhì)點包括底層結(jié)構自重和樓板的恒載及活載，質(zhì)量位置在樓板處，標高3.2m。第2個質(zhì)點為二層鋼結(jié)構和屋蓋的恒載及活載，其作用位置采用如下方法計算：

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

底部剪力法的計算簡圖和質(zhì)點作用位置如圖4和圖5所示。由圖4可見，H1=3.2m，H2=5.23m。2個質(zhì)點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)量計算簡圖 圖5 底部剪力法質(zhì)點作用位置

3 結(jié)構的抗震能力評估

3.1組合墻體的抗剪承載力設計值

在低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構住宅中，側(cè)向力抵抗體系由屋面、樓面和墻體(剪力墻)組成，即整個房屋各組合體均參與橫向荷載的傳遞。在實際設計中，要分別進行房屋橫、縱2個方向水平地震作用下結(jié)構的強度和剛度驗算。對于側(cè)向力抵抗體系的設計，在計算結(jié)構單面剪力墻體分配的地震荷載時，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度及剛度的確定還沒有成熟的設計理論及公式，相關性能參數(shù)主要由足尺模型的水平加載抗剪試驗研究來確定。該建筑結(jié)構中主要采用的是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[4，5]的試驗研究成果，類型1標準墻體的抗剪強度設計值為11.0kN/m，類型2標準墻體的抗剪強度設計值為9.30kN/m。

關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規(guī)程(送審稿)，當洞口寬度大于400mm，高度大于600mm時，此水平長度段的洞口墻體不計入抗剪墻體。該結(jié)構中門、窗開洞尺寸均大于該項值，故開洞部分的墻體不考慮該段的結(jié)構抗剪作用。除去開洞部分，實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，地震荷載的分項系數(shù)[6]為1.3，結(jié)構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，故對其編號為Ⅰ至Ⅷ，按照跨度范圍計算剪力分配系數(shù)，墻體編號示意如圖6所示，剪力分配系數(shù)如表2所示。

圖6 橫向墻體的編號

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

根據(jù)墻體的剪力分配系數(shù)，計算各片墻體實際承受的水平剪力，并和抗剪強度設計值進行比較，從而評估整體結(jié)構的整體抗震性能。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計值5.64kN/m小于其抗剪強度設計值11.0kN/m，底層Y向最不利位置的V號墻體承受的剪力設計值5.19kN/m小于其抗剪強度設計值9.30kN/m；二層X向墻體承受的剪力設計值1.66kN/m小于其抗剪強度設計值11.0kN/m，二層Y向最不利位置的V號墻體承受的剪力設計值1.53kN/m小于其抗剪強度設計值9.30kN/m?？傮w來說，二層結(jié)構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)構采用了高強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)構具有較好的抗震設防效果。

4 結(jié) 論

1)高強冷彎薄壁型鋼承重體系結(jié)構自重輕，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造方式能達到理想的抗震效果，建議在設防烈度高的地區(qū)采用雙面覆板的構造。

2)利用底部剪力法簡化分析模型，按面積分配法計算各片墻體承受的水平荷載，并與標準墻體抗剪強度設計值進行計較，用來評估整體結(jié)構的抗震性能是合理可行的。

3)筆者的分析方法是基于規(guī)范反應譜的擬靜力法，進一步的研究方向是結(jié)構整體的非線性時程分析方法?？蓢L試通過組合墻體的水平低周反復加載試驗，由墻體的滯回曲線得到結(jié)構的層間恢復力模型，從而進行整體結(jié)構的動力響應分析，并和擬靜力法的結(jié)果進行比較研究。

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

[2]呂西林.建筑結(jié)構抗震設計理論與實例[M].第2版.上海：同濟大學出版社，2002.

[3]GB50011-2001，建筑抗震設計規(guī)范[S].

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

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

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

[編輯] 易國華

TU3

A

1673-1409(2009)01-N091-04

2008-12-28

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