采用泡沫混凝土填充墻的鋼框架結構抗震性能分析

李　科，馬宵航

(南陽師范學院 土木建筑工程學院，河南 南陽　473061)

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采用泡沫混凝土填充墻的鋼框架結構抗震性能分析

李科，馬宵航

(南陽師范學院 土木建筑工程學院，河南 南陽473061)

摘要：一鋼框架結構，采用泡沫混凝土作為結構的墻體材料，利用有限元軟件來分析其抗震性能。通過有限元模擬，分析了結構在地震作用下的動力特性、位移變化、基底剪力，結構的抗震性能表現(xiàn)較好。

關鍵詞：鋼框架；抗震性能；動力特性；基底剪力

鋼結構房屋現(xiàn)在已成為住宅市場的一支新生力量，其具有單位體積承載力高、生產安裝方便、施工周期短、抗震性能好的特點，是人與自然和諧可持續(xù)發(fā)展的“綠色產業(yè)”。但影響結構住宅推廣應用的一個關鍵問題就是與其配套的墻體材料的選用[1-2]。

泡沫混凝土砌塊具有輕質高強、耐水防潮、隔音隔熱、居住舒適等特點，是利廢節(jié)能建材新產品，泡沫混凝土砌塊的生產成本價比普通混凝土砌塊相同甚至更低。因此由它作為墻體具有很好的應用前景。本文就以此作為鋼框架結構的填充墻材料，來分析鋼框架結構的抗震性能。

1模型的建立

設計該框架結構層高3.0 m,未設計地下室，橫向共有三跨15 m，邊跨6.0 m,中間跨3.0 m，縱向設計6跨，柱間距6.0 m,共計36 m。鋼框架結構中梁柱采用Q345的鋼材制作，樓板采用現(xiàn)澆混凝土板，厚度100 mm，混凝土強度等級C30，填充墻采用輕質泡沫混凝土4.0 MPa，樓面恒載取2.5 kN/m2，樓面可變荷載取2.0 kN/m2，所用鋼材尺寸、墻體厚度見表1。

表1　結構構件尺寸　mm

某地區(qū)抗震設防烈度為8度，建筑場地類別為II類，設計地震分組為第一組，場地特征周期為0.35 t，設計基本地震加速度0.20g。

根據以上資料，本文利用SAP2000有限元分析軟件對結構進行建模，具體模型見圖1所示。

圖1　有限元模型

2結構動力特性

根據軟件所建立的有限元模型，首先對結構進行模態(tài)分析，獲得了結構的自振周期、自振頻率(表2)和振型[3-6]。

表2　結構自振周期和自振頻率

根據所得到的自振周期、自振頻率以及結構前四振型，可以看出，以泡沫混凝土作為鋼框架結構的填充墻體，結構的自振周期并不是很大，自振頻率也較低，表明結構的動力特性表現(xiàn)較好。從所得到的結構前四振型來看，結構的前兩振型主要表現(xiàn)為平動，第三振型之后開始出現(xiàn)扭轉(圖2)。

圖2　結構的前四振型

3水平地震作用下結構的時程分析

在進行有限元分析時，把結構看成是一個彈性或者彈塑性體系[7-8]，在結構模型中輸入地震波——蘭州波，經軟件分析得出結構相關的時程曲線，從而分析結構隨時間變化在地震作用下的表現(xiàn)。

3.1基底剪力時程分析

根據SAP2000軟件的有限元動力時程分析，可以得到結構在地震波下基底剪力時程曲線[7-8](圖3、圖4)。

圖3　結構在多遇地震作用下X向的基底剪力時程曲線

圖4　結構在多遇地震作用下Y向基底剪力時程曲線

根據所得到的基底剪力時程曲線可以看出，在多遇地震作用下，結構在x向最大基底剪力為627 kN，Y向最大基底剪力為641 kN，而且基底剪力的的峰值主要集中出現(xiàn)在地震作用的前期，如果在設計中可以合理控制填充墻的數量及位置，可以有效控制基底剪力峰值出現(xiàn)的時間和增幅的大小。

3.2結構的層間位移角

根據結構的時程分析結果，可以得到結構的各層層間位移及各層層間位移與層高之比，結構最大層間位移角為1/867。按照文獻[9]對于多高層鋼結構在地震作用下的層間位移角所做的規(guī)定，在小震作用下結構的層間位移角不得超過1/250[10-11]，由此可見結構的變形是符合規(guī)范要求的。

4結論

(1) 鋼框架結構采用泡沫混凝土作為結構的墻體材料之后，結構的動力特性表現(xiàn)較好，有利于結構發(fā)揮較好的耗能能力。

(2) 根據時程分析結果，結構的基底剪力峰值主要出現(xiàn)在地震前期，峰值不大，同時在后期設計中可以調整填充墻的位置、數量，來進一步降低基底剪力峰值。

(3) 在地震作用中，結構的變形在規(guī)范的要求范圍之內。

(4) 泡沫混凝土具有較好的抗震能力，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)建筑材料作為鋼框架結構的墻體材料，泡沫混凝土在建筑領域有著很好的發(fā)展前景。

〔參考文獻〕

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收稿日期：2016-02-26；修改日期：2016-03-29

基金項目：南陽師范學院青年項目(15026)；河南省高等學校重點科研項目(16B560006)

作者簡介：李科(1983- )，男，河南南陽人，碩士，南陽師范學院講師．

中圖分類號：TU528.2；TU972.8

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0196-02