結(jié)構(gòu)參數(shù)對低層輕鋼房屋抗震性能影響分析

周緒紅　姚欣梅　管宇　石宇

摘???要：為研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對低層輕鋼房屋抗震性能的影響，以已有試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，采用ABAQUS軟件建立輕鋼房屋的有限元模型，計(jì)算得到的房屋自振頻率、加速度反應(yīng)及位移反應(yīng)等均與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了有限元模型的正確性.?在此基礎(chǔ)上，對驗(yàn)證后的房屋模型在9度多遇及9度罕遇地震作用下進(jìn)行了變參數(shù)分析.?研究結(jié)果表1明：采用增加覆面板數(shù)量、增設(shè)柱間斜撐的墻體構(gòu)造形式可提高房屋的自振頻率、加速度及位移響應(yīng);但改變覆面板材料對整體結(jié)構(gòu)的動力特性及地震響應(yīng)影響較小;墻體開洞率對房屋在地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響明顯，因此墻體開洞率不應(yīng)大于29.09%;輕鋼房屋長寬比減小，平面布置更規(guī)則，結(jié)構(gòu)自振頻率增大，加速度及位移響應(yīng)降低.

關(guān)鍵詞：低層輕鋼結(jié)構(gòu);振動臺試驗(yàn);動力特性;抗震性能;有限元分析

中圖分類號：TU317.1;TU391???????????????????????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Influence?Analysis?of?Different?Structural?Parameters?on

Seismic?Performance?of?Low-rise?Lightweight?Steel?Buildings

ZHOU?Xuhong1，2，YAO?Xinmei1？，GUAN?Yu1，SHI?Yu2

（1.?School?of?Civil?Engineering，Changan?University，Xian?710061，China;

2.?Key?Laboratory?of?New?Technology?for?Construction?of?Cities?in?Mountain?Area?（Chongqing?University）

of?the?Ministry?of?Education，Chongqing?400045，China）

Abstract：In?order?to?investigate?the?influence?of?different?structural?parameters?on?the?seismic?performance?of?low-rise?lightweight?steel?buildings，the?finite?element?model?of?lightweight?steel?building?was?established?by?ABAQUS?based?on?the?experimental?results.?It?shows?that?the?finite?element?analysis?results，in?terms?of?fundamental?frequency，acceleration?and?displacement?responses，agree?well?with?the?experimental?results.?Furthermore，a?parametric?study?based?on?the?verified?model?under?9-degree?frequent?occurring?and?maximum?considered?earthquakes?was?carried?out.?The?results?show?that?the?increase?of?the?sheathing?number?and?adding?diagonal?bracing?can?improve?the?fundamental?frequency，acceleration?and?displacement?responses?of?buildings，but?the?change?of?the?sheathing?material?has?little?effect?on?it;?the?wall?opening?ratio?has?obvious?effect?on?the?structural?response?of?the?building?under?earthquake.?Thus，the?wall?opening?ratio?should?not?be?greater?than?29.09%;?decreasing?the?aspect?ratio?and?choosing?regular?plan?layout?of?lightweight?steel?buildings?result?in?the?increase?of?the?natural?frequency?and?decrease?of?the?acceleration?response?and?displacement?response.

Key?words：low-rise?lightweight?steel?building;shaking?table?tests;dynamic?characteristics;seismic?behavior;finite?element?analysis

輕鋼房屋不僅符合國家大力推廣裝配式建筑的戰(zhàn)略，而且滿足綠色建筑可持續(xù)發(fā)展需求，已廣泛應(yīng)用于住宅、公寓、酒店及旅游度假建筑中，并逐漸由低層向多層發(fā)展.

目前，國內(nèi)外學(xué)者已對輕鋼基本構(gòu)件的軸壓及受彎性能進(jìn)行了全面研究[1-2]，并進(jìn)一步對低多層輕鋼房屋的抗震性能開展了振動臺試驗(yàn)研究.?李元齊等[3-4]指出兩層輕鋼房屋的破壞主要表1現(xiàn)為螺釘失

效、螺釘連接及開洞部位的墻面板局部破壞，雙面覆板組合墻體結(jié)構(gòu)模型滿足我國“大震不倒”的抗震設(shè)防要求.?黃智光等[5]研究表1明，輕鋼房屋體系的抗震性能與墻面板的蒙皮效應(yīng)及抗拔件的抗傾覆能力密切相關(guān)，3層輕鋼房屋體系在9度地震作用下，滿足抗震規(guī)范對結(jié)構(gòu)最大層間位移角限值的要求.?Peterman等[6-7]通過振動臺試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)承重墻體及其他非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震荷載作用下對房屋的抗震性能有顯著貢獻(xiàn)，房屋抗側(cè)體系、承重體系及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件體系可形成整體系統(tǒng)，協(xié)同作用.?Hutchinson等[8]對6層輕鋼房屋的抗震性能進(jìn)行振動臺試驗(yàn)研究，指出結(jié)構(gòu)破壞特征主要為螺釘拔出、石膏板碎裂、剪力墻鋼板局部屈曲.?Fiorino等[9]采用振動臺試驗(yàn)研究了兩層輕鋼箱形房屋的動力特性及地震響應(yīng)，結(jié)果表1明，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件可使模型自振頻率提高20%，使模型抗側(cè)剛度提高約4.5倍.?葉繼紅等[10]提出多層冷成型鋼復(fù)合剪力墻結(jié)構(gòu)體系并進(jìn)行了5層1?∶?2縮尺模型振動臺試驗(yàn)，提出相應(yīng)簡化分析模型.

盡管國內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)和輕鋼房屋企業(yè)對輕鋼結(jié)構(gòu)房屋已開展了較多的試驗(yàn)研究，但其抗震設(shè)計(jì)方法研究尚處于起步階段.?本文基于單層輕鋼房屋振動臺試驗(yàn)，對低層輕鋼房屋進(jìn)行有限元分析，分析不同因素對輕鋼結(jié)構(gòu)房屋在地震作用下的動力特性及結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，為發(fā)展冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系、促進(jìn)建筑工業(yè)化和住宅產(chǎn)業(yè)化提供參考.

1???有限元模型建立

為研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對低層輕鋼房屋動力特性、加速度及位移響應(yīng)的影響，在單層輕鋼房屋振動臺試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立相應(yīng)的有限元模型.

1.1???試驗(yàn)概況

單層輕鋼房屋模型[11]高度為3.62?m，縱向長度為2.9?m，橫向長度為1.9?m，結(jié)構(gòu)骨架采用冷彎薄壁型鋼構(gòu)件，鋼材等級為Q345.?墻體立柱之間布置橫撐及斜撐，墻體內(nèi)外覆面板均采用9.5?mm厚OSB板，屋架覆面板采用12?mm厚OSB板.?試件與振動臺之間通過型鋼梁進(jìn)行連接，連接方式為螺栓連接.?墻體及屋架具體構(gòu)造、加載工況、測點(diǎn)布置見文獻(xiàn)[11].

1.2???有限元模型的建立

采用ABAQUS軟件建立輕鋼房屋模型，采用梁單元B31模擬屋架上下弦、腹桿、墻體龍骨柱、上下導(dǎo)軌等冷彎薄壁型鋼骨架構(gòu)件，采用殼單元S4R模擬墻面板和屋面板.?自攻螺釘連接采用Tie約束進(jìn)行模擬，即約束2個連接節(jié)點(diǎn)的6個自由度.?模型底部邊界條件為固接，即約束模型底部全部自由度.?在Y方向定義重力加速度為9.8?m/s2以考慮房屋自重.?冷彎薄壁型鋼采用Von?Mises屈服準(zhǔn)則，其本構(gòu)模型為雙折線，鋼材屈服強(qiáng)度fy為345?MPa，抗拉強(qiáng)度fu為450?MPa，彈性模量為2.06×105?MPa，泊松比為0.3.?OSB板材料為各向異性，平行于縱向的屈服強(qiáng)度為19.6?MPa，彈性模量為3?790?MPa，泊松比為0.3;垂直于縱向的屈服強(qiáng)度為13.2?MPa，彈性模量為1?770?MPa，泊松比為0.11.?有限元模型如圖1所示.

2???有限元與試驗(yàn)結(jié)果對比及分析

2.1???房屋自振頻率對比

表11為輕鋼房屋模型前2階自振頻率結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比，誤差小于10%，表1明有限元模型可較好地模擬輕鋼房屋的動力特性.?模型前3階振型圖如圖2所示，房屋1階振型為Z向平動，2階振型為X向平動，3階振型為整體扭轉(zhuǎn).?在有限元變參數(shù)分析中，模型Z向（橫墻方向）與試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚗向一致，模型X向（縱墻方向）與試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚘向一致.

2.2???加速度及位移對比分析

圖3及圖4所示分別為單層房屋模型在不同工況下的試驗(yàn)地震加速度反應(yīng)曲線和最大相對位移變化曲線與有限元結(jié)果對比.?由圖可知，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，相對誤差原因?yàn)樵谡駝优_試驗(yàn)中，地震波的輸入與輸出存在一定誤差，振動臺臺面地震波輸出峰值比輸入峰值大，而在ABAQUS有限元分析中地震波的輸入和輸出相同.?綜上，有限元模型可以較為準(zhǔn)確地模擬輕鋼房屋在地震作用下的受力行為，3???有限元變參數(shù)分析

基于上述建模方法，對輕鋼結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行變參數(shù)分析.?變參數(shù)模型構(gòu)造參數(shù)見表12及圖1.?其中：L為長度，W為寬度，H指高度，SO為單面覆9.5?mm厚OSB板，DO為雙面覆9.5?mm厚OSB板，DS表1示雙面覆0.76?mm厚鋼板，開洞率為模型墻體總開洞面積與墻體總面積的比值.?變參數(shù)模型時程分析選取人工波RG1（如圖5所示），地震烈度選取9度多遇和9度罕遇.?模型1、3、7及模型9～13的有限元模型及其振型見圖2、圖6～圖10.?變參數(shù)模型的自振頻率結(jié)果及在9度多遇和9度罕遇地震作用下的最大層間位移角見表12.

3.1???覆面板數(shù)量的影響

與雙面覆OSB面板模型的自振頻率對比可知，無覆面板模型及單面覆OSB面板模型的自振頻率分別降低8.73%、4.76%.?說明增加覆面板數(shù)量可增大墻體抗側(cè)剛度進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)自振頻率.

如圖11所示，在9度多遇地震作用下，與無覆面板房屋模型對比可知，單面覆OSB面板模型、雙面覆OSB面板模型的Z向加速度放大系數(shù)峰值分別降低9.31%、23.39%，X向分別降低17.94%、22.43%;在9度罕遇地震作用下，各模型Z向加速度放大系數(shù)峰值分別降低5.01%、26.80%，X向分別降低12.70%、29.84%.?以上分析表1明：隨覆面板數(shù)量增加，結(jié)構(gòu)加速度放大系數(shù)峰值逐漸減小.

覆面板數(shù)量對結(jié)構(gòu)最大相對位移的影響如圖12所示.?與無覆面板模型對比可知，在9度多遇地震作用下，單面覆OSB面板模型、雙面覆OSB面板模型的Z向最大相對位移依次降低29.18%、36.30%，X向依次降低30.10%、31.07%;在9度罕遇地震作用下，單面覆OSB面板模型、雙面覆OSB面板模型的Z向最大相對位移依次降低16.44%、23.29%，X向依次降低13.09%、12.71%.

由表12可知，隨覆面板數(shù)量增加，結(jié)構(gòu)最大層間位移角逐漸減小.?無覆面板模型在9度多遇地震作用下，最大層間位移角為1/264，未滿足《低層冷彎薄壁型鋼房屋建筑技術(shù)規(guī)程》（JGJ?227—2011）[12]中多遇地震作用下層間位移角限值1/300的規(guī)定，而單面覆OSB面板及雙面覆OSB面板的最大層間位移角均滿足低層冷彎規(guī)范[12]規(guī)定，原因?yàn)榻M合墻體是輕鋼房屋的主要抗側(cè)構(gòu)件，其抗側(cè)性能主要取決于覆面板的蒙皮作用.?以上結(jié)果表1明覆面板數(shù)量對輕鋼結(jié)構(gòu)房屋的層間位移具有顯著作用，且覆面板房屋在9度多遇地震作用下處于彈性階段.

綜上，增加覆面板數(shù)量可有效提高輕鋼房屋結(jié)構(gòu)的自振頻率，降低結(jié)構(gòu)的加速度及位移響應(yīng).?因此，為保證冷彎房屋在9度地震作用下具有良好的動力特性及結(jié)構(gòu)響應(yīng)，建議采用雙面覆面板組合墻體，OSB板厚度不小于9.5?mm.

3.2???覆面板材料的影響

雙面覆0.76?mm厚鋼板模型較雙面覆9.5?mm厚OSB面板模型，其自振頻率僅增大3.17%.

如圖13所示，隨覆面板材料由9.5?mm厚OSB板變?yōu)?.76?mm厚鋼板，在9度多遇、9度罕遇地震作用下，雙面覆鋼板模型較雙面覆OSB板模型Z向加速度放大系數(shù)峰值分別減小5.30%和7.14%.?如圖14所示，與雙面覆OSB面板模型對比，在9度多遇、9度罕遇地震作用下，雙面覆鋼板模型的Z向最大相對位移分別減小13.97%和21.43%.

由表12可知，在9度多遇地震作用下，雙面覆鋼板模型的最大層間位移角較雙面覆OSB面板模型分別減小12.82%、15.11%，二者最大層間位移角

均滿足抗震規(guī)范[13]規(guī)定的鋼結(jié)構(gòu)彈性層間位移角

1/250及低層冷彎規(guī)范[12]中多遇地震作用下層間位移角限值1/300的要求.?在9度罕遇地震作用下，雙面覆OSB面板及雙面覆鋼板模型的最大層間位移角分別為1/146、1/172，均遠(yuǎn)小于抗震規(guī)范[13]規(guī)定的鋼結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角1/50的要求.

綜上，鋼板較OSB板的強(qiáng)度及承載力大，可提高墻體在水平荷載作用下的抗剪承載力、剛度，因而降低墻體的水平位移，因此鋼板較OSB板可增強(qiáng)輕鋼房屋結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的抗震承載力，減小其水平位移及加速度，但其影響幅度均在20%以內(nèi)，說明通過改變覆面板材料來提高覆面板強(qiáng)度對結(jié)構(gòu)動力特性、加速度及位移響應(yīng)的影響較小.

3.3???柱間斜撐的影響

無覆面板并增設(shè)柱間斜撐的輕鋼房屋骨架模型的自振頻率為11.5?Hz，與低層冷彎規(guī)范[12]計(jì)算結(jié)果相符，說明設(shè)置柱間斜撐的房屋骨架自身剛度較大.?加柱間斜撐單層及2層模型分別與無柱間斜撐模型對比，其自振頻率分別提高23.53%及8.57%，說明柱間斜撐增強(qiáng)了墻體的抗側(cè)性能及整體性.

在9度多遇和9度罕遇地震作用下，在單層房屋墻體內(nèi)設(shè)置柱間斜撐使Z向加速度放大系數(shù)峰值分別降低20.15%和23.98%，X向分別減小18.11%、24.46%;在二層房屋墻體內(nèi)設(shè)置柱間斜撐使模型Z向加速度放大系數(shù)峰值分別減小6.18%和3.15%，X向分別減小6.89%、3.27%.?房屋在地震荷載作用下的加速度響應(yīng)因設(shè)置柱間斜撐而減小，如圖15所示.

如圖16及表12所示，在9度多遇和9度罕遇地震作用下，對于單層房屋，增設(shè)柱間斜撐模型導(dǎo)致Z向最大相對位移分別降低31.42%和27.46%，最大層間位移角分別降低8.82%和4.98%，X向最大相對位移分別降低26.04%和27.67%，最大層間位移角分別減小10.96%和20.20%;對于二層房屋增設(shè)柱間斜撐模型使Z向最大相對位移分別降低5.95%和8.13%，最大層間位移角分別降低8.78%和9.09%，X向最大相對位移分別降低8.42%及0.36%，最大層間位移角分別降低6.66%及12.69%.?表1明設(shè)置柱間斜撐同樣降低結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)及層間位移角.

綜上，墻體內(nèi)設(shè)置柱間斜撐可顯著提高整體結(jié)構(gòu)的自振頻率及結(jié)構(gòu)響應(yīng)，提升輕鋼房屋的抗側(cè)剛度，降低結(jié)構(gòu)在地震作用下的加速度響應(yīng)及位移響應(yīng)，建議在9度抗震設(shè)防地區(qū)的輕鋼房屋組合墻體設(shè)置柱間斜撐.

3.4???開洞率的影響

當(dāng)墻體開洞率自21.81%增大至29.09%時，對應(yīng)橫墻開洞率增大5.53%，縱墻開洞率增大8.51%，模型的自振頻率相應(yīng)減小4.76%，表1明開洞率變大，導(dǎo)致整體剛度下降，自振頻率減小.

由圖17和圖18可知，在9度多遇和9度罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)開洞率由21.81%增大至29.09%，導(dǎo)致模型Z向加速度放大系數(shù)峰值分別提高22.43%和33.93%，X向分別提高18.71%和27.94%;Z向最大相對位移分別提高23.46%和10.89%，X向分別增大16.20%和0.22%;Z向最大層間位移角分別增大12.58%、9.84%，X向分別提高7.35%、25.32%.?當(dāng)開洞率為29.09%時，在9度多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/302，仍處于彈性階段，但在9度罕遇地震作用下，最大層間位移角增大為1/136，此時結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段.

綜上，房屋開洞率增大，加速度響應(yīng)及位移響應(yīng)加劇，層間位移角增大，結(jié)構(gòu)由彈性向彈塑性發(fā)展，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移能力降低，因此，為提供足夠的安全儲備，墻體開洞率不應(yīng)大于29.09%.

3.5???平面長寬比的影響

當(dāng)模型依次由3跨1開間增大至3跨2開間及3跨3開間時，長寬比自4.6依次降低至2.3及1.5，自振頻率分別增大14.29%、20.54%.

由圖19可知，在9度多遇和9度罕遇地震作用下，當(dāng)長寬比自1.5增大為2.3時，模型Z向加速度放大系數(shù)最大值分別增大12.81%、19.14%，X向分別增大15.05%、16.88%;當(dāng)模型長寬比由2.3增大至4.6時，結(jié)構(gòu)Z向加速度放大系數(shù)最大值分別提高34.06%、23.61%，X向分別增大7.60%、14.44%.

如圖20及表12所示，在9度多遇和9度罕遇地震作用下，當(dāng)模型長寬比自1.5增大為2.3時，模型Z向最大相對位移分別增大15.24%、11.69%，Z向最大層間位移角分別增大30.35%、38.37%，X向最大相對位移分別增大9.38%和11.63%?，X向最大層間位移角分別增大36.05%和24.84%;當(dāng)模型長寬比由2.3增大至4.6時，結(jié)構(gòu)Z向最大相對位移分別提高24.34%和16.26%，Z向最大層間位移角分別提高18.65%和27.41%，X向最大相對位移分別增大13.33%和13.10%，X向最大層間位移角分別增大29.23%和40.71%.

綜上，當(dāng)模型長寬比增大，即房屋結(jié)構(gòu)平面形狀由規(guī)則變?yōu)楠M長時，結(jié)構(gòu)自振頻率降低，加速度及位移響應(yīng)增強(qiáng).?因此建議結(jié)構(gòu)長寬比越小，即房屋平面布置越簡單、規(guī)則和對稱，越能增加結(jié)構(gòu)整體剛度，提高結(jié)構(gòu)自振頻率.

3.6???平面布置的影響

當(dāng)結(jié)構(gòu)布置平面呈H形和U形時（如圖9、圖10所示），模型自振頻率分別為11?Hz、12.1?Hz，與規(guī)范[12]計(jì)算結(jié)果相符，且1、2階振型均以平動為主，3階振型為扭轉(zhuǎn)，表1明了該房屋振型規(guī)律.

由圖21、圖22及表12可知，在9度多遇和9度罕遇地震作用下，H形模型較U形的Z向加速度放大系數(shù)峰值分別增大7.64%和11.37%，X向分別增大9.62%和14.53%;U形模型的Z向最大相對位移相比H形模型小13.54%、9.90%，X向降低7.19%和6.44%;U形模型的Z向最大層間位移角相比H形模型小21.43%、14.93%，X向降低11.96%和10.18%.?U形平面結(jié)構(gòu)模型的Z向位移反應(yīng)均高于X向，這與U形房屋的X向縱墻長度較長且整體性更強(qiáng)有關(guān).

綜上，覆面板數(shù)量、柱間斜撐、開洞率、平面長寬比及平面布置均對房屋層間位移角有明顯影響.?各房屋模型的最大層間位移角均發(fā)生在底層墻體頂部，原因在于底層墻體在地震荷載作用下，所受總剪力最大，由此產(chǎn)生的水平位移及層間位移角最顯著.?由表12可知：覆面板結(jié)構(gòu)模型在9度罕遇地震作用下，最大層間位移角為1/112，大于鋼結(jié)構(gòu)彈性層間位移角1/250[13]的規(guī)定，說明結(jié)構(gòu)在9度罕遇地震作用下進(jìn)入塑性，但仍滿足彈塑性層間位移角1/50的規(guī)定.

4???結(jié)論和建議

1）通過單層輕鋼房屋模型的自振頻率、加速度及位移響應(yīng)對比，有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了有限元模型的正確性.

2）覆面板墻體在9度多遇及罕遇地震作用下層間位移角均低于規(guī)范限值要求;采用增加覆面板數(shù)量、增設(shè)斜撐的墻體構(gòu)造形式可有效提高房屋的動力特性，減小其加速度及位移響應(yīng);改變覆面板材料以提高覆面板強(qiáng)度及承載力，對整體結(jié)構(gòu)的動力特性、加速度及位移響應(yīng)提高較少.?建議采用雙面覆面板組合墻體，OSB板厚度不應(yīng)小于9.5?mm.

3）當(dāng)開洞率為29.09%時，低層輕鋼房屋在9度罕遇地震作用下的最大層間位移角為1/136，大于鋼結(jié)構(gòu)彈性層間位移角1/250的規(guī)定，但仍低于彈塑性層間位移角1/50，表1明此時結(jié)構(gòu)處于彈塑性階段.?因此為提供足夠的安全儲備，墻體開洞率不應(yīng)大于29.09%.

4）低層輕鋼房屋的自振頻率隨結(jié)構(gòu)平面長寬比的增大而降低，加速度響應(yīng)及位移響應(yīng)隨長寬比增大而提高，建議采用平面長寬比較小的結(jié)構(gòu)形式.

5）U形平面布置較H形平面布置結(jié)構(gòu)的自振頻率高，加速度響應(yīng)及位移響應(yīng)較小.?因此建議采用平面布置簡單、規(guī)則、對稱的布置形式.

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