水平地震作用下多層冷彎薄壁組合結(jié)構(gòu)的整體模型分析

趙　靜，樊　江

（1.大理大學(xué)工程學(xué)院，云南大理　671003；2.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，昆明　650224）

水平地震作用下多層冷彎薄壁組合結(jié)構(gòu)的整體模型分析

趙靜1，樊江2

（1.大理大學(xué)工程學(xué)院，云南大理671003；2.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，昆明650224）

介紹美國(guó)多層輕鋼住宅結(jié)構(gòu)體系，通過(guò)對(duì)一個(gè)工程實(shí)例按多層冷彎薄壁和熱軋型鋼組合結(jié)構(gòu)體系的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置，建立整體結(jié)構(gòu)模型，輸入實(shí)際的荷載和地震作用，采用ETABS分析軟件進(jìn)行分析研究。

多層冷彎薄壁組合結(jié)構(gòu)；整體結(jié)構(gòu)；模型分析

［DOI］10. 3969 / j. issn. 2096-2266. 2016. 06. 009

傳統(tǒng)的冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)一般用于1～4層的低層建筑，然而對(duì)于4層以上的建筑，傳統(tǒng)的冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系存在著底層柱豎向承載力和水平抗側(cè)剛度不足的問(wèn)題。通過(guò)借鑒美國(guó)多層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)布置體系，提出了多層冷彎薄壁與熱軋型鋼組合結(jié)構(gòu)，采用了ETABS分析軟件對(duì)實(shí)際的6層住宅項(xiàng)目，按多層冷彎薄壁型鋼組合結(jié)構(gòu)形式布置，對(duì)其進(jìn)行整體分析，以期望能對(duì)其受力性能有所了解。

1　按美國(guó)多層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行的結(jié)構(gòu)布置

此工程位于云南省開(kāi)遠(yuǎn)市，為一棟6層住宅樓，磚混結(jié)構(gòu)，層高3 m，無(wú)地下室。建筑安全等級(jí)為二級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為丙級(jí)，建筑場(chǎng)地類別為二類，建筑設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15 g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，特征周期為0.45 s〔1〕。用于小震作用下的截面抗震驗(yàn)算和抗震變形的水平地震影響系數(shù)為0.12，用于大震作用下結(jié)構(gòu)薄弱層彈塑性變形驗(yàn)算的水平地震影響系數(shù)為0.72，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，基本風(fēng)壓0.35 KN/m2，基本雪壓為0.3 KN/m2，地面粗糙程度為B類。

如圖1所示，此建筑平面布置合理，戶型實(shí)用并且面積利用率高，結(jié)構(gòu)體型簡(jiǎn)單合理，在目前我國(guó)多層住宅中具有一定的代表性，特別是中小城鎮(zhèn)應(yīng)用較多。采用這種住宅形式進(jìn)行多層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系布置，也是基于它在我國(guó)絕大部分地區(qū)的適應(yīng)性和廣泛性。

多層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)主要的受力系統(tǒng)是由樓蓋系統(tǒng)、豎向墻體系統(tǒng)組成，豎向墻體有輕鋼剪力墻或采用帶十字交叉支撐的普鋼框架結(jié)構(gòu)。地震區(qū)多采用帶有普鋼框架結(jié)構(gòu)的形式?？紤]到我國(guó)也是個(gè)地震多發(fā)國(guó)家，擬采用帶有普鋼框架加強(qiáng)的冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)形式。

1.1構(gòu)件截面尺寸參數(shù)如圖2所示，根據(jù)住宅標(biāo)準(zhǔn)層的平面布置，綜合考慮建筑受力和使用的要求，在1、6、11、16、21、B、E、G軸處布置型鋼框架。C形墻柱間距按《低層輕型鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅技術(shù)要求》要求以400～600 mm為宜。若間距過(guò)大，板對(duì)柱約束作用降低，C形柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)增大，承載能力降低，間距控制在600 mm以內(nèi)，可以有效地發(fā)揮它的受壓性能。在一些無(wú)法布置C形墻柱的洞口，均布置了薄壁方鋼管。

其樓蓋由有卷邊的C型冷彎薄壁型鋼擱柵與鋪于擱柵上的薄板組成。擱柵一般跨度為3.6～4.8 m，擱柵間距為600 mm，選用方鋼管：160 mm×160 mm× 2 mm，帶卷邊的C型冷彎薄壁型鋼截面：160 mm×70 mm×20 mm×3 mm，C型冷彎薄壁型槽鋼截面：160 mm×160 mm×3 mm，熱軋H型鋼截面：160 mm× 160 mm×10 mm×10 mm×10 mm。

圖1　建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

圖2　組合結(jié)構(gòu)布置圖

1.2連接類型熱軋H鋼柱和鋼梁的連接采用剛接，次梁與主梁之間的連接采用鉸接，冷彎薄壁型鋼墻架柱與頂梁、底梁的連接通過(guò)自攻螺釘連接，這種連接方式實(shí)際上既做不到完全剛接也不是完全鉸接，它允許有一定轉(zhuǎn)角，是介于剛接和鉸接之間的一種連接方式。在建模中，通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)的指定和連接屬性的定義來(lái)使得冷彎薄壁型鋼墻架柱與梁的連接具有一定的轉(zhuǎn)角變形能力。

1.3荷載統(tǒng)計(jì)及材料屬性荷載統(tǒng)計(jì)〔2〕如表1所示。墻面板在分析中均簡(jiǎn)化為各向同性材料，材料參數(shù)見(jiàn)下表2。

表1 荷載統(tǒng)計(jì)表

表2　墻體構(gòu)件的材料特性

2　水平地震荷載作用下的整體模型分析

采用三維有限元軟件ETABS進(jìn)行整體建模分析，對(duì)此框架結(jié)構(gòu)采用層剪切型模型，由于樓板有開(kāi)洞情況，不宜采用平面內(nèi)剛性隔板假定來(lái)減少其平面內(nèi)自由度〔3〕，故建模過(guò)程中采用殼單元（shell）來(lái)模擬樓板，這樣能真實(shí)反應(yīng)結(jié)構(gòu)的性能，全部梁柱間節(jié)點(diǎn)采用剛性連接假設(shè)，屋面板采用殼單元（shell）模擬。經(jīng)模態(tài)分析得到其前9階周期和頻率。

如表3所示，從結(jié)構(gòu)的平面布置圖可以看到，X方向尺寸大并且X方向普鋼框架不連續(xù)，所以X向剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Y向剛度。故結(jié)構(gòu)的第一主振型為X向平動(dòng)，這與計(jì)算結(jié)果一致，而結(jié)構(gòu)的第二振型Y向平動(dòng)，與第一振型的周期值相差很大，主要是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向的剛度相差很大所致?？紤]到框架結(jié)構(gòu)有0.6～0.8的周期折減系數(shù)〔4〕，故該結(jié)構(gòu)的有效周期：

T=1.13334×0.65=0.736 67 s。

從表3可以看出，結(jié)構(gòu)的第一扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)在第三振型，此時(shí)周期Tt=0.351 05 s。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》4.3.5的要求，對(duì)于A級(jí)高度的高層建筑，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比不應(yīng)大于0.9〔5〕。

表3　振型周期頻率表

如表4及表5所示，在QX作用下，X向?qū)娱g等效剛度在2層出現(xiàn)局部突變，剛度減小。如表6和表7所示，Y向的等效剛度在QY作用下，并未出現(xiàn)局部剛度的變化。從表8及表9的數(shù)據(jù)分析可知，在雙向水平力作用下，布置大量普鋼框架的Y方向，整體剛度提高。雖然結(jié)構(gòu)有部分面積的樓板開(kāi)洞現(xiàn)象，在一定程度上削弱了結(jié)構(gòu)的剛度。由于頂部幾層的剛度較小，容易產(chǎn)生較大的位移，這一點(diǎn)在對(duì)位移控制時(shí)也需要關(guān)注。

表4　QX工況作用下X向?qū)娱g計(jì)算結(jié)果

表5　QX工況作用下Y向?qū)娱g計(jì)算結(jié)果

表6　QY工況作用下X向?qū)娱g計(jì)算結(jié)果

表7　QY工況作用下Y向?qū)娱g計(jì)算結(jié)果

表8　雙向工況作用下X向?qū)娱g計(jì)算結(jié)果

表9　雙向工況作用下Y向?qū)娱g計(jì)算結(jié)果

在進(jìn)行振型分解反應(yīng)譜法求解中，對(duì)結(jié)構(gòu)各層樓板節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合，一方面符合規(guī)范中平面無(wú)窮剛的假定，另一方面消除了局部誤差，易求平均值，并且與實(shí)際相符。

采用底部剪力法和結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜分析雙向地震作用下的層間側(cè)移角。層間剪力等于層間剪切剛度與層間位移的乘積，所以層間位移的大小能反應(yīng)側(cè)向力引起的層間剪力的大小，層間剪力大的樓層的構(gòu)件內(nèi)力越大，從而可以知道結(jié)構(gòu)在彈性范圍內(nèi)的薄弱樓層的位置，從圖3可以看出，在雙向地震作用下，最大位移均出現(xiàn)在頂層，如圖4、圖5所示X向?qū)娱g位移角最大值為1/473，出現(xiàn)在第2層；Y向?qū)娱g位移最大值為1/590，出現(xiàn)在第7層，均小于抗震規(guī)范規(guī)定的彈性層間位移角極限制1/300，在Y向地震作用下，第7層出現(xiàn)位移突然加大，原因在于第7層是突出屋面的樓梯間，因?yàn)楸奚倚?yīng)的作用，地震力會(huì)被放大，Y向的尺寸比X向的尺寸大的多，所以位移會(huì)突然增大。由此可知，結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)在第2、7層。這樣可以預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下進(jìn)入塑性狀態(tài)工作后，極有可能在第4層首先出現(xiàn)塑性鉸，出現(xiàn)卸載和內(nèi)力重分布的情況。

圖3　雙向地震力作用下每層最大位移

圖4　X向最大層間位移角

圖5　Y向最大層間位移角

3　結(jié)論

采用ETABS對(duì)帶有普鋼框架的多層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系在水平地震作用下的整體性能進(jìn)行了分析。

1）借鑒了美國(guó)多層輕鋼結(jié)構(gòu)體系，按多層冷彎薄壁和熱軋型鋼組合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行布置，在X向與Y向都布置了熱軋型鋼框架，因Tt/T1= 0.351 05/1.133 34=0.31≤0.9，所以完全符合規(guī)范要求。X向?qū)娱g位移角出現(xiàn)在第2層；Y向?qū)娱g位移最大值出現(xiàn)在第7層，均小于抗震規(guī)范規(guī)定的彈性層間位移角極限制1/300。

2）根據(jù)整體性能分析，普鋼框架的使用，使X方向和Y方向的層間剛度提高，從而提高了冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下的整體抗側(cè)剛度。

〔1〕GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范〔S〕.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

〔2〕GB 50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范〔S〕.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

〔3〕北京金土木軟件技術(shù)有限公司.ETABS中文版使用指南〔M〕.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006：10-46.

〔4〕GB 50011-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程〔S〕.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

〔Abstract〕The multiple-story light-weight steel structure of America is introduced and analyzed through the structural arrangement of the multi-layer cold-formed thin-walled and hot rolled steel composite structure system，establishment of the whole structure model，the enter the actual load and seismic action，and ETABS analysis software.

〔Key words〕the multilayer cold-formed steel composite structure；whole structure model；model analysis

（責(zé)任編輯袁霞）

Integral Analysis of the Multilayer Cold-formed Steel Composite Structure under Horizontal Earthquake

Zhao Jing1，F(xiàn)an Jiang2
（1.College of Engineering，Dali University，Dali，Yunnan 671003，China；2.College of Construction Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650224，China）

TU39

A

2096-2266（2016）06-0033-05

2016-03-11

2016-04-25

趙靜，助教，主要從事建筑結(jié)構(gòu)研究.