村鎮(zhèn)裝配式低層鋼結(jié)構(gòu)抗震性能研究

文 / 趙士永 褚少輝 劉亞賢

1 引言

目前，我國(guó)農(nóng)村大量保有的住宅多為砌體結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)生地震災(zāi)害，往往會(huì)造成極為嚴(yán)重的損失，而輕鋼結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，逐漸成為了土木工程師關(guān)注的熱點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式。本文以石家莊某小區(qū)住宅樓為研究對(duì)象，采用有限元分析方法，通過(guò)譜反應(yīng)分析，得出了該結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率，從而為類似工程提供參考，避免共振破壞，希望本文的研究可以規(guī)范河北省裝配式低層鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑的建設(shè)，提高工業(yè)化設(shè)計(jì)與建造技術(shù)水平，貫徹國(guó)家“適用、經(jīng)濟(jì)、安全、綠色、美觀”的建筑方針，全面提高裝配式低層鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑建設(shè)的環(huán)境效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 工程概況

某村鎮(zhèn)住宅樓為低層裝配式鋼結(jié)構(gòu)，采用輕鋼框架結(jié)構(gòu)，鋼梁柱尺寸均為HN250×250×9×14，墻板為ALC板，鋼梁柱采用BM-5螺栓連接，如圖1所示。該住宅樓共兩層，如圖2所示，一層有臥室、洗衣房、衛(wèi)生間、客廳、廚房、餐廳等，二層主要為臥室、客廳、衛(wèi)生間?？梢暂^高水準(zhǔn)地滿足人們的生活需要。

圖1 螺栓及螺栓連接部位詳圖

圖2 某村鎮(zhèn)住宅樓平面圖

3 非線性有限元模型分析

3.1 單元選擇

鋼梁柱采用梁?jiǎn)卧猙eam188，墻板采用實(shí)體單元SOLID65，可以較真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的受力情況。

3.2 材料性質(zhì)

各單元材料屬性如表1所示。

表1 各單元材料屬性

3.3 創(chuàng)建模型

鋼框架以keypoints和lines建立，尺寸以結(jié)構(gòu)模型為依據(jù)；墻板用volumes建立。螺栓、螺母以及鋼墊板單元連接的部位不具體建立實(shí)體模型，只是采用剛接或鉸接形式處理。

根據(jù)工程實(shí)際尺寸，建立關(guān)鍵點(diǎn)，連線創(chuàng)建鋼框架，通過(guò)實(shí)體單元建立墻體，墻體和框架采用剛接或者鉸接，不再建立螺栓的實(shí)體模型。

劃分網(wǎng)格時(shí)，鋼框架采用自動(dòng)劃分方式，墻體采用體掃掠的方式，如圖3所示，分別為純框架與內(nèi)嵌式墻板框架網(wǎng)格劃分示意圖。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分示意圖

3.4 加載與求解

（1）施加荷載

按照工程實(shí)際推算，樓面恒荷載取6.5kN/m2；活荷載取4.0kN/m2；場(chǎng)地類別為Ⅱ類，場(chǎng)地特征周期為T(mén)g=0.4s，最大地震影響系數(shù)為0.08。

（2）邊界條件

模型鋼柱底均施加三個(gè)方向位移約束和轉(zhuǎn)動(dòng)約束，實(shí)現(xiàn)固結(jié)。

（3）響應(yīng)曲線分析

1）純鋼框架譜響應(yīng)曲線

根據(jù)建立有限元模型特點(diǎn)，如圖4所示，選取節(jié)點(diǎn)191，188，183，178四個(gè)節(jié)點(diǎn)的X向地震譜響應(yīng)曲線作為分析對(duì)象。

圖4 節(jié)點(diǎn)位置示意圖

2）內(nèi)嵌鋼框架譜響應(yīng)曲線

同樣選擇結(jié)構(gòu)左側(cè)原點(diǎn)上部框架頂端框架梁柱交點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)191，188，183，178四個(gè)節(jié)點(diǎn)的X向地震譜響應(yīng)曲線作為分析對(duì)象。

同時(shí)，內(nèi)嵌墻板的框架比純框架較大位移響應(yīng)的頻率較高，說(shuō)明內(nèi)嵌式提高了結(jié)構(gòu)的剛度。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)譜響應(yīng)曲線可知，純鋼框架模型在第二、四階振型時(shí)位移響應(yīng)較大，對(duì)應(yīng)周期為0.3015s、0.0971s，內(nèi)嵌鋼框架模型可能會(huì)在第一、四階振型時(shí)位移響應(yīng)較大，對(duì)應(yīng)頻率為5.9397HZ、12.884HZ，對(duì)應(yīng)周期為0.1684s、0.078s，有內(nèi)嵌墻板的比純鋼框架的發(fā)生較大位移響應(yīng)的頻率高，周期短。所以村鎮(zhèn)在建設(shè)低層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅時(shí)，可以利用本文的方法計(jì)算主震周期頻率，選擇采用滿足不同要求的墻板組合形式，避免地震作用下造成的共振破壞。