西北農村預制裝配式鋼框架結構地震損傷分析

杜長虹，楊帆，李靈君

（天水師范學院，甘肅 天水市 741000）

隨著人類社會的不斷發展，隨之而來的環境污染越來越受到世界各國的重視。發展中國家正處于建筑業發展的高峰期，建筑材料的綠色環保對環境的影響很關鍵。預制裝配式鋼結構，施工周期短，噪音小，現場作業污染少，材料能夠重復利用，造價與混凝土結構相當，所以預制裝配式鋼結構是我國近些年推崇的綠色建筑。農村房屋建筑大多是砌體結構，建筑材料污染環境，預制裝配式鋼結構房屋推廣到農村具有重要意義。

西北地處高烈度區，房屋抗震設計是關鍵。我國已有多位學者對鋼結構廠房的抗震問題進行了大量的研究，崇金玲，單層鋼結構廠房抗震鑒定研究；丁劍平，大型復雜鋼結構廠房的抗震性能有限元分析；張文元，大型火電廠鋼結構主廠房振動臺試驗研究等。我國也有許多學者對多高層鋼結構抗震設計進行了許多研究，師躍進，高層鋼結構構件的抗震內力計算方法研究；孫愛伏，高層鋼結構基于均勻損傷設計的整體抗震能力提高方法；劉其祥，《建筑抗震設計規范》在多高層鋼結構房屋抗側力構件連接構造規定存在的安全問題等。對于具有農村特色建筑鋼結構地震損傷研究很少，西北地區村鎮人口占主要，所以進行預制裝配式鋼框架結構地震損傷研究對向西北農村推廣預制裝配式鋼結構起重要作用。本文對適于西北農村的預制裝配式鋼框架結構房屋進行彈塑性時程分析，根據基于整體的雙參數損傷模型，判斷結構的損傷類別，分析耗散地震能量的能力，為西北農村預制裝配式鋼框架結構的抗震理論分析打下基礎。

1 模型建立

西北農村蓋房的風俗，房子講究四平八穩，房子外輪廓為長方形，樓梯、廁所不能放置在房子中心，進門是正廳，房子一般蓋兩層。根據以上要求，一般住戶的鋼結構房屋柱網平面布置圖1。

此鋼結構房屋建筑的地震損傷分析，采用ANSYS軟件。柱、梁構件采用BEAM188單元類型。BEAM188適用于分析細長的梁，是一個二節點的三維線性梁，在每個節點上有6或7個自由度，基于Timoshenko梁理論，具有扭切變形效果。板采用SHELL63單元類型。SHELL63具有彎曲能力和膜力，可以承受平面內荷載和法向荷載，每個節點6個自由度，應力剛化和大變形能力已經考慮在其中。柱、梁材料采用鋼材Q345，柱采用型方鋼，截面尺寸400×400×3.5；梁采用I型鋼，梁截面尺寸400×200×6×12。板材料采用C30混凝土，板內受力鋼筋采用HPB300。在進行結構彈塑性時程分析時，采用混凝土本構關系圖2，鋼材本構關系圖3，構件材料參數表1。

表1 預制裝配式鋼框架房屋使用材料參數

建模時，將所有梁、板、柱構件進行裝配組合合并，并將合并好的構件網格劃分。模型建立完成后，在荷載求解前對結構底部進行全部約束，地震荷載除外。接下來定義荷載，重力荷載，只需定義重力加速度就可以，因為材料已經定義了密度。對結構施加地震作用時，將地震波數據編輯成時間和加速度文檔，加在柱底部。根據房屋建筑圖，及構件材料、尺寸，建立模型如圖4。

2 地震波的選取

2層預制裝配式鋼框架住宅屬短周期結構，選取地震波要符合以下要求：地震波峰值應滿足西北地區設防烈度下多遇地震或罕遇地震的要求；地震波的卓越周期應盡可能與擬建場地的特征周期一致；地震波的震中距應盡可能與擬建場地的震中距一致；地震波的持續時間為結構基本周期的5～10倍；研究表明，輸入地震波的數量，一般取3～5條地震波可基本保證時程分析結果的合理性。

根據《建筑抗震設計規范》[1]第5.1.2條規定，采用時程分析法時，應按建筑場地類別和設計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程曲線，其中實際強震記錄的數量不應少于總數的2/3。由以上因素，選取天然波EL-Centro波圖5、Taft波圖6，人工波圖7。

3 結構地震損傷分析

損傷是一個沒有量綱的變量，目的是用來評價結構或構件在地震作用后的破壞程度。損傷這個指標可以作為性能目標來反應結構的抗震能力。在2010發布的《抗震設計規范》中損傷是需要量化的，鋼構件損傷程度表2。目前，損傷的量化計算模型分兩種類型。一種是基于構件的雙參數損傷評價模型，另一種是基于整體的雙參數損傷評價模型。

表2 構件損傷狀態綜合描述

本文中采用目前使用最多的由Y.J.Park和A.H.S.Ang提出基于構件雙參數損傷評價模型，此模型考慮了構件最大變形和構件耗能。表達式為∫dE、β分別代表結構或構件的損傷指數、最大變形、極限變形、屈服強度、累計滯回耗能和加權因子）。采用杜修力、歐進萍等[3]提出的基于整體雙參數損傷評價模型，此模型采用加權方法，突出較低樓層損傷影響，模型為：（n代表樓層總數，i代表構件所處樓層數，其余同上）。

在地震中，結構破壞的主要原因是地球的震動能量傳給結構，使結構的豎向承重構件損傷不能滿足恒荷載和活荷載的承載力要求。本文主要對預制裝配式2層鋼框架模型柱進行損傷量化評價。采用ANASYS軟件，對2層鋼結構框架模型，分別輸入天然波ELcentrol波和Taft波以及人工波，得到模型結構底層鋼柱塑性耗能、塑性應變、位移。以ELcentrol波結果為例表3。

表3 結構底層鋼柱在ELcentrol地震波作用下的彈塑性反應

由于2層鋼柱與底層鋼柱承載能力相同，但底層鋼柱比2層鋼柱所受的荷載和地震作用力大，所以在相同情況下，底層柱比2層柱損傷程度大，那么在地震作用下，只要底層柱損傷不嚴重，2層柱損傷更小。

由結果得出2層預制裝配式鋼框架結構，無論在天然波ELcentrol波和Taft波還是人工波作用下，首層鋼柱的損傷值均小于0.2。采用杜修力、歐進萍等，提出的基于整體雙參數損傷評價模型，計算得出整體結構的損傷值分別為0.06、0.05、0.058也均小于0.2[2]。

4 結語

本文在Park基于構件雙參數地震損傷評價模型和杜修平等基于整體結構雙參數地震損傷評價模型提出的基礎上，用有限元的分析方法，對西北農村民居預制裝配式鋼框架結構進行彈塑性時程分析，對整體結構做出定量的損傷評價，得出的結論有以下：

（1）采用ANSYS有限元分析軟件對結構進行彈塑性時程分析，得出結構構件的塑性耗散能力值高，地震作用下，構件的耗散能力強。

（2）依據Park和杜修平等人提出的結構地震損傷評價模型，得出結構在中震時構件和結構整體的損傷值低，屬輕微損傷。