西北農(nóng)村預(yù)制裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)地震損傷分析

杜長虹，楊帆，李靈君

（天水師范學(xué)院，甘肅 天水市 741000）

隨著人類社會的不斷發(fā)展，隨之而來的環(huán)境污染越來越受到世界各國的重視。發(fā)展中國家正處于建筑業(yè)發(fā)展的高峰期，建筑材料的綠色環(huán)保對環(huán)境的影響很關(guān)鍵。預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)，施工周期短，噪音小，現(xiàn)場作業(yè)污染少，材料能夠重復(fù)利用，造價(jià)與混凝土結(jié)構(gòu)相當(dāng)，所以預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)是我國近些年推崇的綠色建筑。農(nóng)村房屋建筑大多是砌體結(jié)構(gòu)，建筑材料污染環(huán)境，預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)房屋推廣到農(nóng)村具有重要意義。

西北地處高烈度區(qū)，房屋抗震設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。我國已有多位學(xué)者對鋼結(jié)構(gòu)廠房的抗震問題進(jìn)行了大量的研究，崇金玲，單層鋼結(jié)構(gòu)廠房抗震鑒定研究；丁劍平，大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)廠房的抗震性能有限元分析；張文元，大型火電廠鋼結(jié)構(gòu)主廠房振動臺試驗(yàn)研究等。我國也有許多學(xué)者對多高層鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行了許多研究，師躍進(jìn)，高層鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震內(nèi)力計(jì)算方法研究；孫愛伏，高層鋼結(jié)構(gòu)基于均勻損傷設(shè)計(jì)的整體抗震能力提高方法；劉其祥，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》在多高層鋼結(jié)構(gòu)房屋抗側(cè)力構(gòu)件連接構(gòu)造規(guī)定存在的安全問題等。對于具有農(nóng)村特色建筑鋼結(jié)構(gòu)地震損傷研究很少，西北地區(qū)村鎮(zhèn)人口占主要，所以進(jìn)行預(yù)制裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)地震損傷研究對向西北農(nóng)村推廣預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)起重要作用。本文對適于西北農(nóng)村的預(yù)制裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，根據(jù)基于整體的雙參數(shù)損傷模型，判斷結(jié)構(gòu)的損傷類別，分析耗散地震能量的能力，為西北農(nóng)村預(yù)制裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震理論分析打下基礎(chǔ)。

1 模型建立

西北農(nóng)村蓋房的風(fēng)俗，房子講究四平八穩(wěn)，房子外輪廓為長方形，樓梯、廁所不能放置在房子中心，進(jìn)門是正廳，房子一般蓋兩層。根據(jù)以上要求，一般住戶的鋼結(jié)構(gòu)房屋柱網(wǎng)平面布置圖1。

此鋼結(jié)構(gòu)房屋建筑的地震損傷分析，采用ANSYS軟件。柱、梁構(gòu)件采用BEAM188單元類型。BEAM188適用于分析細(xì)長的梁，是一個(gè)二節(jié)點(diǎn)的三維線性梁，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有6或7個(gè)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(nèi)荷載和法向荷載，每個(gè)節(jié)點(diǎn)6個(gè)自由度，應(yīng)力剛化和大變形能力已經(jīng)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(nèi)受力鋼筋采用HPB300。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析時(shí)，采用混凝土本構(gòu)關(guān)系圖2，鋼材本構(gòu)關(guān)系圖3，構(gòu)件材料參數(shù)表1。

表1 預(yù)制裝配式鋼框架房屋使用材料參數(shù)

建模時(shí)，將所有梁、板、柱構(gòu)件進(jìn)行裝配組合合并，并將合并好的構(gòu)件網(wǎng)格劃分。模型建立完成后，在荷載求解前對結(jié)構(gòu)底部進(jìn)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?yàn)椴牧弦呀?jīng)定義了密度。對結(jié)構(gòu)施加地震作用時(shí)，將地震波數(shù)據(jù)編輯成時(shí)間和加速度文檔，加在柱底部。根據(jù)房屋建筑圖，及構(gòu)件材料、尺寸，建立模型如圖4。

2 地震波的選取

2層預(yù)制裝配式鋼框架住宅屬短周期結(jié)構(gòu)，選取地震波要符合以下要求：地震波峰值應(yīng)滿足西北地區(qū)設(shè)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(yīng)盡可能與擬建場地的特征周期一致；地震波的震中距應(yīng)盡可能與擬建場地的震中距一致；地震波的持續(xù)時(shí)間為結(jié)構(gòu)基本周期的5～10倍；研究表明，輸入地震波的數(shù)量，一般取3～5條地震波可基本保證時(shí)程分析結(jié)果的合理性。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]第5.1.2條規(guī)定，采用時(shí)程分析法時(shí)，應(yīng)按建筑場地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用實(shí)際強(qiáng)震記錄和人工模擬的加速度時(shí)程曲線，其中實(shí)際強(qiáng)震記錄的數(shù)量不應(yīng)少于總數(shù)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(jié)構(gòu)地震損傷分析

損傷是一個(gè)沒有量綱的變量，目的是用來評價(jià)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在地震作用后的破壞程度。損傷這個(gè)指標(biāo)可以作為性能目標(biāo)來反應(yīng)結(jié)構(gòu)的抗震能力。在2010發(fā)布的《抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中損傷是需要量化的，鋼構(gòu)件損傷程度表2。目前，損傷的量化計(jì)算模型分兩種類型。一種是基于構(gòu)件的雙參數(shù)損傷評價(jià)模型，另一種是基于整體的雙參數(shù)損傷評價(jià)模型。

表2 構(gòu)件損傷狀態(tài)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(gòu)件雙參數(shù)損傷評價(jià)模型，此模型考慮了構(gòu)件最大變形和構(gòu)件耗能。表達(dá)式為∫dE、β分別代表結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的損傷指數(shù)、最大變形、極限變形、屈服強(qiáng)度、累計(jì)滯回耗能和加權(quán)因子）。采用杜修力、歐進(jìn)萍等[3]提出的基于整體雙參數(shù)損傷評價(jià)模型，此模型采用加權(quán)方法，突出較低樓層損傷影響，模型為：（n代表樓層總數(shù)，i代表構(gòu)件所處樓層數(shù)，其余同上）。

在地震中，結(jié)構(gòu)破壞的主要原因是地球的震動能量傳給結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)的豎向承重構(gòu)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(yù)制裝配式2層鋼框架模型柱進(jìn)行損傷量化評價(jià)。采用ANASYS軟件，對2層鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)底層鋼柱塑性耗能、塑性應(yīng)變、位移。以ELcentrol波結(jié)果為例表3。

表3 結(jié)構(gòu)底層鋼柱在ELcentrol地震波作用下的彈塑性反應(yīng)

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(yán)重，2層柱損傷更小。

由結(jié)果得出2層預(yù)制裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)，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(jìn)萍等，提出的基于整體雙參數(shù)損傷評價(jià)模型，計(jì)算得出整體結(jié)構(gòu)的損傷值分別為0.06、0.05、0.058也均小于0.2[2]。

4 結(jié)語

本文在Park基于構(gòu)件雙參數(shù)地震損傷評價(jià)模型和杜修平等基于整體結(jié)構(gòu)雙參數(shù)地震損傷評價(jià)模型提出的基礎(chǔ)上，用有限元的分析方法，對西北農(nóng)村民居預(yù)制裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，對整體結(jié)構(gòu)做出定量的損傷評價(jià)，得出的結(jié)論有以下：

（1）采用ANSYS有限元分析軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，得出結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性耗散能力值高，地震作用下，構(gòu)件的耗散能力強(qiáng)。

（2）依據(jù)Park和杜修平等人提出的結(jié)構(gòu)地震損傷評價(jià)模型，得出結(jié)構(gòu)在中震時(shí)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)整體的損傷值低，屬輕微損傷。