脈動(dòng)風(fēng)下冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)分析

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

一、概述

冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)由于輕質(zhì)高強(qiáng)且易于施工等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代結(jié)構(gòu)建筑，隨著這種結(jié)構(gòu)體系的大量應(yīng)用，各國(guó)學(xué)者紛紛開(kāi)始對(duì)該類(lèi)型結(jié)構(gòu)(尤其是風(fēng)荷載)在使用過(guò)程中的研究。如聶少鋒[1]對(duì)不同屋面形式的低層冷彎薄壁型鋼房屋模型進(jìn)行了風(fēng)載特性試驗(yàn)研究并提出各模型表面風(fēng)載體型系數(shù)。Simiu[2]根據(jù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)了脈動(dòng)風(fēng)譜隨高度變化而變化的特性。Kaimal[3]根據(jù)大量的經(jīng)驗(yàn)積累推出了順風(fēng)向的脈動(dòng)風(fēng)速譜經(jīng)驗(yàn)公式。Scanlan[4]提出了采用頻域理論分析紊流響應(yīng)的計(jì)算方法。國(guó)內(nèi)對(duì)冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)房屋風(fēng)致響應(yīng)研究主要集中在低層結(jié)構(gòu)，對(duì)多層結(jié)構(gòu)研究較少，所以有必要對(duì)多層冷彎薄壁型結(jié)構(gòu)進(jìn)行脈動(dòng)風(fēng)荷載響應(yīng)進(jìn)行研究。

二、結(jié)構(gòu)建模及結(jié)構(gòu)特性

(一)結(jié)構(gòu)建模

本文有限元模型采用文獻(xiàn)[5]中的冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)房屋模型。結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)18400mm，寬10800mm，層高3000mm。結(jié)構(gòu)構(gòu)件鋼材為Q345，剪力墻墻面板材采用1mmQ235厚度的鋼板和12mm厚度的OSB板，內(nèi)墻板材采用雙層12mm厚度的OSB板，樓面板采用18mm厚度的OSB板。角柱選用3根C140×41.3×12.7×0.9組合，外墻鋼龍骨采用單根C140×40×12×1.73，樓面梁采用C305×40×14×1.73。SAP2000建模時(shí)梁和柱采用梁?jiǎn)卧M，樓面板和墻面板采用殼-薄殼(Shell-layered)單元模擬，結(jié)構(gòu)材料有限元參數(shù)見(jiàn)表1。樓面恒荷載取值1.45kN/m2，屋面均布活荷載取值0.5kN/m2，外墻自重取值1.05kN/m2活荷載取值2.2kN/m2，內(nèi)墻自重取值0.5kN/m2，結(jié)構(gòu)自重荷載等效為樓板自重。對(duì)冷彎薄壁型鋼房屋結(jié)構(gòu)建模分析時(shí)，日本相關(guān)規(guī)范規(guī)[5]定了三種墻體結(jié)構(gòu)的等效分析計(jì)算方法：(1)墻體的等代拉桿置換法：將墻體等效為拉壓桿件結(jié)構(gòu)，將桿件結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)相互鉸接；(2)框架剪力墻模型法：將結(jié)構(gòu)墻體等效為剪力墻，墻體間采用等間距龍骨分布；(3)懸臂梁法：將墻體等效為懸臂剛架結(jié)構(gòu)。建模時(shí)采用日本相關(guān)規(guī)范規(guī)[5]中的剪力墻法，墻體模型見(jiàn)圖2。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖2 框架剪力墻模型

(二)結(jié)構(gòu)的自振周期與頻率

在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行脈動(dòng)風(fēng)致響應(yīng)分析前，應(yīng)先對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行分析，通過(guò)SAP2000模態(tài)求解器求解得到結(jié)構(gòu)的前三階周期和頻率。

日本：T=0.03H

(1)

美國(guó)：T=0.05H3/4，H為建筑物高度。

(2)

4層、5層和6層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)建筑高度分別為12m，15m和18m，按公式(1)和(2)計(jì)算得到結(jié)構(gòu)不同樓層特征周期，4層為0.36s和0.32s；5層為0.45s和0.38s；6層為0.54s和0.44s。模型周期與日本、美國(guó)推薦公式計(jì)算的特征周期較為接近，表明采用剪力墻法建立的多層冷彎薄壁型鋼房屋模型是合理的。4層結(jié)構(gòu)前3階模態(tài)型見(jiàn)圖3。

圖3 4層結(jié)構(gòu)前三階陣型

結(jié)構(gòu)模型前三階模態(tài)分別為沿X軸順向變形，沿Y軸順向變形和沿Z軸扭轉(zhuǎn)變形，且與文獻(xiàn)[8]提供的4層結(jié)構(gòu)前三階模態(tài)振動(dòng)方向一致。

三、脈動(dòng)風(fēng)荷載下結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)

脈動(dòng)風(fēng)荷載模擬結(jié)構(gòu)地貌類(lèi)型為A類(lèi)，離地10m處最大風(fēng)速重現(xiàn)期為50年，重現(xiàn)期內(nèi)最大風(fēng)速為37.95m/s，基本風(fēng)壓取值為0.9kN/m2，鋼結(jié)構(gòu)阻尼比取0.01。利用AR法原理，在MATLAB中生成脈動(dòng)風(fēng)風(fēng)速時(shí)程，沿結(jié)構(gòu)高度方向上每隔3m生成一次脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程，風(fēng)速時(shí)程總長(zhǎng)取200s，模擬時(shí)間間隔0.1s,得到沿高度變化的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程及功率譜曲線，取12m高度處脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程曲線，模擬的脈動(dòng)風(fēng)速功率譜曲線與目標(biāo)譜曲線基本吻合，驗(yàn)證了模擬風(fēng)速時(shí)程的合理性。見(jiàn)圖4。

圖4 12m處脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程曲線和功率譜曲線

(一)不同樓層頂點(diǎn)位移分析

對(duì)不同樓層進(jìn)行基本風(fēng)壓為0.90.9kN/m2的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程分析并提取結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移，見(jiàn)圖5。

圖5 多層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)房屋頂點(diǎn)位移

我國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7](GB50017-2014)對(duì)風(fēng)荷載作用下多層結(jié)構(gòu)的最大層間位移限值進(jìn)行了規(guī)定，其值不得大于，本文結(jié)構(gòu)模型層間位移限值均為7.5。風(fēng)荷載作用下多層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)房屋最大層間位移均發(fā)生在底層，多層結(jié)構(gòu)最大層間位移均小于規(guī)范要求，該結(jié)構(gòu)受力性能良好。

(二)層結(jié)構(gòu)不同風(fēng)壓下位移分析

考慮重現(xiàn)期為10年，基本風(fēng)壓為0.3kN/m2、0.5kN/m2、0.7kN/m2和1.1kN/m2，地面粗糙程度為A類(lèi)，對(duì)4層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行風(fēng)荷載時(shí)程分析。提取結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線如圖5。

圖6 不同風(fēng)壓作用下4層結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移時(shí)程

由圖6可得：4層雙肢冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移隨基本風(fēng)壓的增大而增大?；撅L(fēng)壓為0.3kN/m2、0.5kN/m2、0.7kN/m2和1.1kN/m2時(shí)，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的最大位移分別為1.24mm、1.86mm、2.71mm和4.82mm。求得結(jié)構(gòu)不同風(fēng)壓下結(jié)構(gòu)最大位移和結(jié)構(gòu)高度比值分別為0.000103、0.000155、0.000226、0.000402，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比我國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7](GB50017-2014)風(fēng)荷載作用下框架結(jié)構(gòu)柱頂水平位移限值規(guī)定，結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足規(guī)范限值。

本文介紹了多層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)房屋風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析，得出結(jié)論如下：

1.采用剪力墻法在SAP2000中建立的多層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)房屋模型周期和頻率符合相關(guān)規(guī)定，且本文模型和文獻(xiàn)ANSYS模型前三階陣型基本相同，驗(yàn)證了建模的可行性。相較與ANSYS軟件，SAP2000建模不僅操作簡(jiǎn)單且計(jì)算耗時(shí)短，對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求低

2.在MATLAB中采用AR法模擬的脈動(dòng)風(fēng)風(fēng)速時(shí)程曲線與達(dá)爾波特譜整體吻合，驗(yàn)證了模擬風(fēng)速時(shí)程的正確性。

3.在基本分壓0.9kN/m2時(shí)，多層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)房屋的層位移限值滿(mǎn)足規(guī)范要求，該結(jié)構(gòu)整體性能良好。結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移隨結(jié)構(gòu)高度增大而增加；當(dāng)結(jié)構(gòu)高度不變時(shí)，結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移隨脈動(dòng)風(fēng)壓增大逐漸增大。

【參考文獻(xiàn)】

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